Параллельный аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1983 года по МПК H03K13/175 

Изобретение относится к вычислительной технике, и используется в быстродействующих системах обработки информации. Известен параллельный аналогоцифровой преобразователь | АЦП ) содержащий включенные параллельно анализаторы уровня, выполненные на яифференциа /шных каскадах, и схемы ВДЙ. Аналоговый сигнал поступает на сигнальные входы анализаторов уровня включенных параллельно, причем каждый анал} затор уровня на своем выходе образует логический сигнал, значение которого определяется настройкой анализатора и величиной преобразуемого напряжения. Выходные сигналы анализатора преобразуются в; код Грея ИЛИ двоичный f 1 3. .. Основной недостаток АЦП - низкая точность преобразования. Известен АЦП, содержащий группу компараторов младших разрядов, выходы которых, кроме компаратора старшего разряда, объединены попарно, элементы И первой и второй груп пы, два элемента ИЛИ, три источнику тока, источник напряжения смеше ния, дешифратор и три резистивных делителя, причем первые входы двух Первых делителей соединены, соответственно с входной и общей шинами, вторые входы педключены к выходам первого и второго источников тока смещения соотйетственнр, а выходы делителей попарно со сдвигом на один резистор подключены к перв:ым и вторым входам элементов И первой группы, первые выходы которых через первый элемент ИЛИ соединены с первыми входами компараторов младших разрядов, первые входы элементов И второй группы со сдвигом на один резистор по отношению к пер Bbw входам элементов И первой группы подключены к выходам первого ре зистивйого делителя, вторые входы элементов и второй группы подклю.чены к выходам второго резистивного дел11теля в точках подключения вторы входов элементов и первой группы ne вые входы элементов И второй группЁл через первые входы второго элемента ИЛИ соединены с первым входе тр тьего резистивноро делителя, второй )|$хсщ KOTOPOI7O подключен к выходу тр тьего источника тока, а выходы под1кл1оч.еиы ко BTOEOiiM входам к омпаратоjpOB младших разрядов, вторые выходы Элементов И первой и второй групп, кроме последнего элемента И второй группы, подключены ко входам дешифр ьтора, второй вход второго эл мента ИЛИ соединен с выходом источнйка смещения.2 3« Недостатком такого устройства яв ляется низкая точность преобразован |ИЗ-за наличия динa шчecкиx погрешностей. Цель изобретен.ич - повьвиение точ 10оти преобразования .путем снижения динамических погрешностей. Поставленная цель достигается тем, что в параллельный АЦП, содержащий два элемента ИЛИ, источник напряжения, смешения, дешифратор,- группу компараторов младших разрядов, выходы которых, кроме компаратора старшего из них разряда, объединены попарно, а первые входы подключены к соответствующим выходам резистивного делителя, первый вход которого соединен с выходом.источника тока смещения, введены 2 источников тока, где f4 - ЧИСЛО старших разрядов преобразователя, (2 -1 Jпоследовательно соединенных диодов, группа из ; ()/ компараторов стариих разрядов, выходы которых, кроме компаратора старшего из них разряда, соединены -попарно, рез истйвный суглма.тор, два пре- Образователя ток-напряжеНие и преобразователь напряжение-ток, вход которого подключен к Шкне входного сигнала, а выход - к выходу первого источника тока, первому входу первого элемента ИЛИ и аноду первого из последовательно соединенных диодов, катоды четных диодов из которых подключены к выходам соответствующих источников тока и остальным входам первого элемента ИЛИ, а катоды нечетных диодов - к выходам соответствующих источников тока и к соответствующим входам второго элемента ИЛИ, выходы элементов ИЛИ через соответственно первый и второй преобразователи ток-напряжение подключены к входам резистивного сумматора, при этом выход второго преобразователя токнапряжение подключен к второму входу резистивного делителя J, а выход первого преобразователя ток-напряжение пoдкJЛoчeн к вторым входам компараторов младших разрядов, выходы которых подключены к выходам компараторов разрядов, первые входфл которых подключены к выходу резистивного csnviMaTopa, вторые входы к соответствующим выходам источника напряжения смещения, причем выхолен дешифратора подключены к выходным шинам. Причем преобразователь напряжение-ток вштрлнен на резисторе, двух транзисторах и источнике тока, выход которого подключен к объединенным. базам обоих транзисторов и коллектору первого транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной, при этом эмиттер второго транзистора через резистор подключен к входу преобразователя, напряжение-ток, выход которого соединен с коллектором данного транзистора. На фиг.1 представлена структурная схема п-разрядного параллельного АЦП, предназначенного для преобразования входных сигналов произвольной формы {представлен один из вариантов выполнения АЦП, когда п 4, число старших разрядов 1с 2 и равно числу младших разрядов,/при этом в каждом кЬнкретисни случае разрядность выбирают исходя из конкретных требований )/ на .фиг.2 - временные диаграммы, пояснякхцие работу АЦП {Фиг.1/ для входного сигнала s ёиде линейног нарастающего напряжения; на фиг.З электрическая схема преобразователя напряжение-ток, Параллельный АЦП содержит входную шину 1, преобразователь 2 напряжение-ток , источники тока 3, последовательно включеянйе диоды , 4 , первый элемент 1Ш 5, второй элемент 1ШИ 6, первый и второй преобразователи 7 и 8 ток-напряжение со ответственно, резистивный сукма тор 9, источник 10 тока смещения резястквный делитель 11, компараторы- 12 младших разрядов, «сточник напряжения смещения, компараторы 14 старших разрядов, дешифратор 15, разрядные шины 16, При этом Б.,- ма симальное напряжение на выходах пре образователей 7 и 8. , При выбранной полярности подключения полярности токов источников 3 и 10 должны быть отрицательными. Токи источников 3 равны между собой, их сутдаа равна максимальному выходному току преобразова теля 2. В данном су1учае , поэто му используется источников; тоЛ каяэдого составляет 1/4 максимального тока преобразователя 2. Ток источника 10 смещения и резирторы 11 выбирают так, чтобы падение напряжения на каждом резисторе делателя 11 составляло Е,. Преобразователь ток-напряжение являетс ядвёстньвч элементом аналоговой техники и реализуется на операционном усилителе с резистинной отрицательной обратной связью или на транзис. торном каскаде по схеме с общей базсОИ и резистивной нагрузкой. Эле- менты ИЖ 5 и б вщюлняют логически операций над аналоговыми сигналами и не представляют собой конкретный, тип элемента. Могут быть выполнены , например,.на диодах. Зход преобразователя напряжение ток 2 подключен к входной шине 1, а выход - к выходу первого источника тока 3, аноду диода 4в:1 и входу эле мента ИЛИ 5.. Катоды нечетных диодов 4г2 и 4еЗ пр дключены к выходам ис: рочнякрв TOKia 3 и входам элемента 1 ШШ 6. Катод четного диода 4-2 подключён, к вьрсоду источника 3 тока и вЗсоду элемента ШШ 5. Выход элеМёнта ИЛИ 5 через преоЪраэователь 7 подключен к входу резистивнргр.сумматора 9 и сигнальным выходам комг параторов 12. выход элемента 1ШН 6 через преобразователь 8 подключён к другому входу резнстивного сумматора 9 и одному входу резистйвногоделителя 11, .. вход которого соединен с выходом источйикаЮ тока : смешения Выходы резистйвного Делителя 11 соединены с, входами ндампараторов 12, выходы которых соединёгны попарно, кроме компаратора старшего разряда. Вькод рёзистивйЬго сумматора 9 подключен к сигнальным: входам компараторов 14,- входа кото х подключены к -выходам источника 13 напряжения .смешения, ,а выходы соедиг нены попарно, кроме компа эатора старшего разряда. Выходы компараторов 12 и 14 подключены к входам дешифратора 15, выходы которого соединены с разрядными шинами 16. На фиг.2 представлены временные диаграммы, где -1 - входное напряжение на одноименной шине/ 7 и 8 - ; выходные напряжения одноименных пре- образователей ток-напряжение; 17/ 18, 19 и 20 - токи входов первого и второго элементЬв ИЛИ; 21 - сигнал , на выходе резистйвного сумматора 9 (поскольку резистоЕйл сумматора 9 одинаковы, то расчет по закону Ома показывает, что напряжение на выходе сумматора -ран но полусумме входных напряжений , А и Б - значения входного сигнала 1 в моменты времени Т и Tg соответственно, А7,Б7 - напряжения на выходе преобразователя 7, соответствуюнгие зна;чениям Аи Б ситала 1; АВ, Б8 напряжения на в&осодё :преобразователя 8, срответствумвдаё значениям А и Б сигнала 1; А9 (А7 + А8)/,2 и Б9 {Б7 4- Б81/2 - н пряЕжение на йыходе резистивного судашатора .f соответствующие значениям А я Б сигнала 1/ А 17 - А 2Q и Б17 и В 20 соответственно значения токов 17 20, соответствуняцне значениям А и В сигнала 1; 22 - квантуюдая xapaiKTepHCтика компараторов 14 разрядов; 23 - положение квактующей . характеристики, компараторов Д2 когда сигнал 1 имеет величину А, а: ; напряжение 8 - величину А8 , 24 - по(Ложение квантукяцей характеристики компарато|юв 12, когда сигнал 1 имеет величину В, а найряжейие 8 величину Б8, UG|, максимальное йна-. чение сигнала 1. : Преобразователь иапряжение-ток. содержит источник 25 тока, первый 26 транзистор, второй 27 транзистор, резистор 28, вход 29 прербразоватвля, вход 30 преобразователя. Трк источника 25 выбирается таким. чтобы напряжения на Змиттернр-базовйх переходах обоих транзисторов 26 27 были равны между собой, когда на пряжение на входе 29 максимально и равно границе диапазона преобразуемых напряжений. Для определенности преобразователь нгшряжение-ток собран на транзисторах р-п-р типа, одн ко его можно собрать и на транзисто рах п-р-п типа, заменив полярность выходного тока источника 28. Выход источника тока 25 подключе к соединенным вмесите базам транзист ров 26, 21 к коллектору первого тра зистора 26, эмиттер которого соедин с общей шиной, эмиттер второго тран зистора 27 через -резистор 28 подклю чен к входу 29 преобразователя,а коллектор образует выход 30 преобразов теля. Вход 29 подключен к входной ш не 1, а вьЛход 30 - к входу первого элемента ИЛИ, аноду диода 4-1 и вых ду первого источника тока 3. Величина резистора 28 выбИ1рается исходя из требуемого масштаба преоб разования напряжения на входе 29 в ток на выходе 30. АЦП работает следующим образом. При напряжении на входной шине 1 равной А. в момент Т, на выходе преобразователя 2 напряжение-ток устан вится ток соответствующей величины. Поскольку значение А меньше 1/4 и, то выходной ток преобразователя.2 меньше тока первого источника 3, а ток 17 составляет их разность, равную А17. Токи А18 - А20 равны .токам источников 3. Поскольку все токи источников 3 имеют одну полярность (отрицательную , то токи через- диоды 4-1, 4-2,и .4-3 не текут. Выходной ток элемента ИЛИ 5 составляет А17 - А 19, .поэтому напряжение А7 меньше максимального значения Ej. Выходной ток элемента ИЛИ б составляет А18 . А20, поэтому А8 На выходе резистивного сумматора 9 образуется полусумма напряжений А7 и А8, поскольку резисторы 9 равны между собой: А9 (А + . Напряжение А9 поступает на.Ьигнальные входы компараторов 14 старших разрядов, на другие их входы поступают напряжения от источника 13г в соответствии с квантующей характеристикой 22 на вь1х6дах этих компараторов обрадуется код 00 cTafi ших разрядов. Поскольку ток источника 10 отрицателен, а А8 Е,, то квантующая характеристика компараторов 12 млад ших разрядов занимает положение 23. На сигнальные входы этих компараторов 12 поступает напряжение А7, а на другие входы - напряжения с рези тивного делителя 11,«так что на их Bbjxortaix образуется код 01 (здесь и в дальнейшем коды записываются от старших разрядов к младшим). Коды с выходов компараторов 14 и 12 поступают на входы дешифратора 15, который их преобразует в требуемый кед Грея или натуральный двоичный. В данном случае код Гр4я напряжения А есть 0001, что соответствует одному кванту, равному для четырехразрядного АЦП 1/16 i/rt. Точное значение А составляет 0,lUo( или 1,6 кванта. Цифровое значение отличается от истинного менее чем на один квант. При входном напряжении равно Б 0,75Uoj, а момент на выходе преобразователя 2 превышает сумму токов трех источников 3, подключенных соответственно к входам первого и второго элементов ИЛИ, но меньше сулвиы токов всех четырех источников 3, Следовательно, токи трех упомянутых входов есть Б17 - Б18 . Б19 О, диоды 4-1, .4-2 и 4-3 открыты. Через диод 4-1 течет ток, который меньше выходного тока преобразователя 2 на величину тока первого источника 3, подключенного к аноду Диода 4-1. Через диод 4-2 течет ток, который меньше тока через диод 4-1 на величину тока второго источника 3 подключенного к KaTojjy диода 4-1. Наконец, ток через диод 4-3 меньше тока через диод 4-2 на величину тока третьего, источника 3, подключенного к катоду 4-2. Ток на выходе элемента ИЛИ 5 517 + Б19 О, поэтому на выходе преобразователя 7 Б7 0. Ток на выходе элемента ИЛИ 6 Б18 + Б20 Б20, ему соответствует напряжение Б8 на выходе преобразователя 8. На выходе резистивного сумматора 9 образуется напряжение Б9 (Б7 + Б8)/2 В8/2 поступающее на сигнальные входы компараторов 14. На их выходах образуется код 10 в соответствии с квантующей ха рактеристикой 22. Напряжение Б8 поступает ,на один вход.реэистивного делителя 11. Поскольку к другому его входу подключен Выход источника тока 10, то падения напряжений на рези-сторах делителя 11 не меняются и соответствуют падениям напряжений при преобразовании напряжения А, Однако относительно общей шины напряжения на резисторах таковы, что Квантующая характеристика компараторов 12 занимает положение 24. Код 11 на выходах комйараторов 12 есть результат преобразования напряжения Б7 в соответствии с квантующей характеристикой 24. На выходах 1б дешифратора 15 образуется код Грея 1011 напряжения Б. Это цифровое значение равно 13 квантам, а точное название составляет 0,75 и + 0,07Uo, 0,82ilc 13,12 квантов. Полученное цифровое значение отличается от истинного менее чем на один квант.

Один из вариантов реализации преобразователя напряжение-ток пред-г ставлен на фиг.З. Преобразуемый сигнал 1 поступает на вход 29. Поскольку падения напряжений на эмиттернобазовых переходах сделаны равными выборс 1 токаисточника 25, то напряжение на эмиттере второго транзистора 27 относительно общей шины равно нулю. Следовательно, ток через .резистор 28, равный току, эмиттера транзистора 27, определяется только величиной напряжения на входе 29. Сигнал на выходе 30 есть коллекторный ток транзистора 27, он зависит от напряжения на. входе 29. но не зависит от напряжения ра коллекторе транзистора 27, поскольку этот

транзистор включен по схеме с общей базой. .

В предлагаемом АЦП исключено различие цепей прохождения сигналов, преобразуемых в старшие и младшие разряды, в результате чего отсутствует различие задержек распространения преобразуемого сигнала до компараторов старших и младших разрядов. Поэтому исключаются динамические погрешности преобразования и повышаются точность преобразова- . ния, а также быстродействие, так как минимальное время срабатыванием компараторов ограничиваетс только собственными параметрами и не зависит от распространения преобразуемого сигнала в устройстве.

. 1. ЛАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АНАЛОГОЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗ.ОВАТЕЛЬ, содержавши два элемента ИЛИ, источник напряже;Ния смещения, дешифратор, группу компараторов младших разрядов, выходы кото1эых, кроме компаратора старшего из них разряда, объединены попарно, а . первые входа подключены к соответ. ствующим выходам резистивного делителя, первый вход которого соединен с выходом источника тока смещения, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что,с целью повЁвиения точности преобразования путем уменьшения динамических погрешностей, в него введены 2 источяиков трка где ii - число старших. раэрядо1В преобразователя, ( ) последовательно-соединенных диодов, группа из

-

г