Аналого-цифровой преобразователь на электронно-лучевой трубке Советский патент 1984 года по МПК H01J31/08 H03K13/18 

Изобретение относится к технике преобразования аналоговых сигналов в цифровые коды и может быть применено для скоростного кодирования широкополосных сигналов в системах связи, радиолокации и электронно-вычислительных комплексах. Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП) на интегральных схемах (ИС) различного уровня интеграции 1. Однако предельная скорость преобразования АЦП на ИС ограничивается величиной порядка 20 МГц. Указанные ограничения, а также сложность реализации высокостабильных и высокоточных АЦП на ИС большого и сверхбольшого уровня интеграции могут быть частично сняты при построении АЦП на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Как показала практика, для преобразования широкополосных сигналов (сотни МГц) в системе многоканальной связи, радиолокации, автоматических системах управления, наиболее перспективными представляется АЦП на ЭЛТ. Известные АЦП на ЭЛТ содержат расположенные в вакуумном баллоне ЭЛТ электронную пушку, отклоняющую систему, кодируюший узел, включающий маску, коллекторы электронов, а также источники питания и электронные схемы управления ЭЛТ и усиления сигналов 2. Однако указанные АЦП имеют невысокую точность преобразования и ограниченный динамический диапазон до восьми двоичных разрядов. Известен также аналого-цифровой преобразователь на ЭЛТ, содержащий электронную пушку, вертикально отклоняющую систему и кодирующий узел, включающий в себя эмиттер вторичных электронов и разрядные коллекторы электронов. В известном АЦП входной аналоговый сигнал через клапанный (управляемый синхрогенератором) входной усилитель поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ и отклоняет ленточный электронный луч, пространственное положение которого пропорционально уровню входного сигнала. На выходах кодирующей ЭЛТ формируются кодовые импульсы, комбинация которых отображает мгновенное значение входного аналогового сигнала. Формирование кодовых импульсов обеспечивается кодовой маской, в соответствии с принятым законом кодирования аналогового сигнала. Считывание всех разрядов кода производится параллельно на нагрузках коллекторов. При этом на коллекторы собираются дополнительно вторичные электроны с эмиттера, увеличивая ток в сопротивлениях нагрузки 3. Несмотря на высокие скоростные качества известного АЦП (до 216 МГбит/с), эта скорость в ряде применений, например, в ядерной физике и радиолокации, оказывается недостаточной. В известном устройстве скорость преобразования лимитируется прежде всего широкополосностью послекодовых цепей (усилителей), применение которых в данном АЦП связано с малым уровнем выходного сигнала. Дополнительное повышение уровня выходного сигнала в данном АЦП достигается установкой за коллекторами эмиттера вторичных электронов, коэффициент вторичной эмиссии которого не превышает 1,5. При ширине зоны квантования известной трубки (до 60 В) и относительном шаге квантования 1/512 (девяти двоичных разрядов) точность преобразования сверхширокополосных и случайных сигналов (связь, радиолокация, ядерная физика) по современным требованиям является недостаточной. Кроме того, особые требования в данном АЦП предъявляются к точности выполнения электронно-оптической части, обусловленные необходимостью формирования и отклонения ленточного электронного пучка. Это обстоятельство усложняет устройство. В известном АЦП при параллельном считывании ленточный электронный пучок пушки делится в Р раз, где Р - число разрядов двоичного числа. Следовательно, для получения необходимого отношения сигнал/щум (однозначно и точности преобразования), ток пушки должен быть в Р раз больше, чем в трубке с игольчатым лучом. Увеличение же тока трубки усложняет АЦП, снижает его надежность. Все выше рассмотренные конструктивные недостатки известного АЦП на ЭЛТ ограничивают нижний предел шага квантования по уровню, а следовательно, и точность преобразования. Цель изобретения - увеличение точности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в АЦП на ЭЛТ, содержащем электронную пушку, вертикально отклоняющие пластины и кодирующий узел, включающий эмиттер вторичных электронов и разрядные коллекторы электронов, между вертикально отклоняющими пластинами и электронной пушкой установлены горизонтально отклоняющие пластины, эмиттер вторичных электронов выполнен в виде блокамикроканальных вторичных электронных умножителей (ВЭУ) с отверстиями в стенках каналов, распределенными вдоль каждого канала в соответствии с кодом двоичного числа, а разрядные коллекторы выполнены в виде проводящих пластин, перекрывающих все отверстия одноименных разрядов кода двоичного числа. Кроме того, вертикально отклоняющие пластины могут быть выполнены пилообразными со смещением зубцов пластины на величину шага между каналами. На фиг. 1 представлен АЦП на ЭЛТ, общий вид; на фиг. 2 - пример реализации канала вторичного электронного умножителя. В предлагаемом устройстве входной аналоговый сигнал подается на горизонтально отклоняющие пластины, а к вертикально отклоняющим пластинам подведено постоянное опорное напряжение. Устройство содержит электронную пушку 1, горизонтально отклоняющие пластинА 2, на которые подается входной аналоговый сигнал, вертикально отклоняющие пластины 3, выполненные пилы, эмиттер в виде блока микроканальных вторичных электронных умножителей 4 с входным 5 и выходным 6 электродами, к которым подведено напряжение от первого источника 7 питания, и с коллекторами 8 электронов в виде проводящих пластин, к каждому из которых через нагрузочные резисторы 9 подведено напряжение от второго источника 10 питания. В боковых стенках каждого канала ВЗУ выполнены (круглые, прямоугольные и др,) отверстия 11, которые распределены вдоль канала в соответствии с кодом двоичного числа, например, отверстия соответствуют в коде числа единице, а пропуски нулю. Коллекторы из проводящих пластин разделены изолированными слоями 12, в которых методами интегральной технологии сформированы каналы ВЭУ и коллекторы установлены с перекрытием всех отверстий одноименных разрядов. Устройство работает следующим образом. При нулевом сигнале на входе АЦП электронный пучок попадает в левый нижний канал блока электронных умножителей. При этом сигнал на выходе каждого коллектора 8 равен нулю. При увеличении аналогового сигнала электронный луч одновременно перемещается как по вертикали, так и горизонтали и сканирует по входным торцам полых волокон вторичного умножителя 4 первого столбца ВЭУ. В канале умножителя 4 возникает поток вторичны-х электронов, который умножается путем многократного отражения от стенок канала. Одновременно коллекторы 8 отбирают вторичные электроны из канала умножителя через разрядные отверстия II, при этом на нагрузочных резисторах 9 выделяются сигналы, соответствующие одноименным разрядам двоичных чисел. Далее электронный луч попадает на вход последнего канала первого столбца умножителя и одновременно перемещается вниз на уровень нижней строки, каналов. По мере увеличения входного сигнала электронный луч сканирует по торцам каналов ВЭУ второго столбца от нижнего канала до верхнего, далее цикл повторяется. Параметры пилообразных отклоняющих пластин 3 в вертикальной плоскости и опорное напряжение DO выбраны таким образом, что при смещении электронного луча в горизонтальной плоскости на величину проекции столбца на эту плоскость в вертикальной плоскости луч пробегает от нижнего до верхнего канала столбца. При переходе от одного столбца на другой смещение луча в горизонтальной плоскости равно проекции на эту плоскость щага между каналами. Выполнение вертикально отклоняющих пластин пилообразной формы и введение в ЭЛТ горизонтально отклоняющих пластин позволяет получить выигрыщ в точности преобразования по сравнению с прототипом eZpas, гдег - отношение длины траектории электронного луча в предлагаемом устройстве к длине траектории в прототипе. Отношение Z зависит от высоты зубьев вертикально отклоняющих пластин и от величины опорного напряжения UQ. Нетрудно получить Z порядка 16-32, что дает выигрыш в количестве двоичных разрядов (однозначно и точности преобразования) порядка 4-5. Иными словами, в предлагаемом устройстве при том же качестве фокусировки и динамическом диапазоне ЭЛТ, что и в прототипе, увеличивается в Z раз число разрещимых положений луча, а следовательно, во столько же раз увеличивается число уровней квантования и однозначно точность преобразования. В прототипе для повышения точности преобразования при том же качестве фокусировки трубки пришлось бы увеличить размер кодирующего узла по вертикали во столько раз, во сколько возрастает точность. Выигрыщ в точности преобразования обусловлен также использованием для считывания кодовых сигналов третьего измерения. При этом разрядные коллекторы размещены вдоль третьей координаты и установлены с перекрытием всех отверстий в каналах ВЭУ, соответствующих одноименным разрядам кода двоичного числа. Выполнение эмиттера вторичных электронов в виде блока микроканальных ВЭУ позволяет усилить ток электронного луча в десятки тысяч раз, а это, в свою очередь, упрощает конструкцию электронно-оптической системы ЭЛТ и повышает срок службы катода трубки. В прототипе ускорение вторичных электронов составляет не более 1,5 раза. При этом быстродействие АЦП сохраняется. Действительно, время пролета в канале ВЭУ при длине канала 1 см составляет 10с, что соответствует полосе пропускания 1 МГц, что значительно выще предельной частоты квантования аналогового сигнала в АЦП на ЭЛТ.

1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКЕ, содержащий электронную пушку, вертикально отклоняющие пластины и кодирующий узел, включающий эмиттер вторичных электронов и разрядные коллекторы электронов, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности преобразования, между вертикально отклоняющими пластинами и электронной пушкой установлены горизонтально отклоняющие пластины, эмиттер вторичных электронов выполнен в виде блока .микроканальных вторичных электронных умножителей с отверстиями в стенках каналов, распределенными вдоль каждого канала в соответствии с кодом двоичного числа, а разрядные коллекторы выпо.днеиы в виде проводящих пластин, перекрываюн1их все отверстия одноименных разрядов кода двоичного числа. 2. Преобразователь по п. I, отличающийся тем, что вертикально отклоняющие пластины выполнены пилообразными со смещением зубцов пластин на величину шага между каналами. 8 S 9 Выход/ /