Логарифмический аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1985 года по МПК G06G7/24 

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для. 1феобразования электрических сигналов с широким диапазоном изменения уровней. Цель изобретения - расширение динамиfiecKoro диапазона логарифмического аналогоцифрового прео азователя (ЛАЦП) путем . создания полной шкалы, имеющей начальный участок квантования малых уровней с различной функциональной зависимостью. На фиг. 1 приведена функциональная схема логарифмического аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы логарифмического аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 3 - вариант в полнения генератора тактовых импульсов. Логарифмический аналого-цифровой преобр зователь содержит информационный вход 1, ключ 2, вход 3 запуска, запоминающий конденсатор 4, разрядный резистор 5, управляемый источник 6 тока, компаратор 7, источник 8 порогового напряжения, генератор 9 тактовых импульсов, реверсивный счетчик 10, регистр 11 кода порогового напряжения компаратора. Генератор тактовых импульсов содержит RS-триггер 12, генератор 13 стабильных импульсов, элемент ИЛИ-НЕ 14, элемент И 15, элемент 16 задержки, делитель 17 частоты, коммутатор 18. Логарифмический АЦП работает следуюг щим образом. В -исходном состоянии ключ 2 замкнут и запоминающий конденсатор 4 заряжен до на пряжения источника преобразуемого сигнала на информационном входе I 1 . После прихода импульса запуска с входа запуска 3 ключ 2 размыкается, а в реверсивный . счетчик 10 по сигналу на установочном его входе из регистра 11 заносится ко порогового напряжения компаратора NO , пропорциональный уровню источника порогового напряжения компаратора 8 (J, .С м мента 4,р размыкания ключа 2 в зависимости от соотношения величин (J и И о начинается заряд запоминающего конденсатор 4 от управляемого источника 6 тока или ра ряд его через разрядный резистор 5. Рассмотрим процессы в схеме ЛАЦП для случаев Ux Uo и О li о При и X, и о компаратор 7 имеет на инвертирующем выходе нащ)яжение логической единицы, которое подключает управляемый источник 6 тока (, к запоминающему конденсатору 4 для его заряда и по вычитающему входу переводит реверсивный счетчик 10 в режим вьпитания. В тот же момент времени т. импульсом пуска с 3. входа 3 по входу записи реверсивного счетчика 10 заносится код порогового напряжения NO из регистра 11 и запускается по входу запуска генератор 9 тактовых импульсов с периодом следования импульсов Т С выхода генератора 9 тактовых импульсов тактовые импульсы поступают на счетный вход реверсивного счетчика 10 и происходит вычитание этих импульсов из кода N Этот процесс продолжается до момента t, j когда напряжение на запоминающем конденсаторе 4 и с достигает величины напряжения источника 8 порогового напряжения („ (фиг. 2, кривая 1). Когда Uc U,, . происходит срабатывание компаратора 7 и на его инвертирующем выходе появляется напряжение логического нуля, выключающего источник 6 тока, а на прямом выходе появляется напряжение логической единицы, останавливающее по входу останови генератор 9тактовых импульсов. В реверсивном счетчике будет записано число Njj где N, - число импульсов генератора 9 с периодом повторения , прошедших на счетный вход счетчика 10 за время TX t, - ij . Число MX, связано определенной функциональной связью с величиной преобразующего сигнала U , При УХ и о компаратор 7 находится в состоянии, когда на его прямом выходе- напряжение логической единицы, которое по суммирующему входу реверсивного счетчика 10переводит его в режим суммирования. При этом источник 6 тока напряжением логического нуля на инвертирующем выходе компаратора 7 выключен. После прихода импульса пуска с входа 3 ключ 2 размыкается, в реверсивный счетчик Ю заносится от регистра 11 код NO и запускается генератор 9 тактовых импульсов с периодом повторения Т . С момента времени t конденсатор. 4 начинает разряжаться через разрядный резистор 5 по экспоненциальному закону (фиг. 2, кривая 2). Этот разряд продолжается до момента времени i когда Up -УдИ компаратор 7 выработает перепад напряжения из логической единицы в логический нуль, который остановит генератор 9 тактовых импульсов. В реверсивном счетчике 10 будет записано число Njf tNotNj, где N5 - число импульсов генератора 9 с периодом повторения TQP , прощедщих на счетный вход счетчика 10 за время . Число Nхг (1) связано с величиной преобразуемого сигнала на участке между Ухг и о логарифмической зависимостью. Определим функциональные возможности предлагаемого устройства.

На начальном участке шкалы АЦП, когда х 0 напряжение заряжаемого током (

i, запоминающего конденсатора, как известно, определяется выражением

t ( гДе-г-Я-с dl R Преобразуя (1), получим dUc RIo-Lic Rio-и с Интегрируя (3) по частям, получим SehiRIo-UeVt+S где - константа, которую легко опре делить из начальных условий t О и Uc Ux,, (Ri,-u,,), что дает . IJo TX, -t, Поскольку NX, N- N, ,aN, IOA OA (фиг.2, кривая 1) где ,Tx -t,-tp;ri ПОЛЗЧИМ . N.,«. (4) Тол-ЧКГо-исГ Из выражения (4) можно найти величи ну кода NC , используя очевидное уело вие, что при U), - 0) NX, - О , а момен времени {, ( соответствует (J - U : Rio (5) о и ол .VXiп и, Из (3) следует Ji(RIo-Uc переходя от дифференциалов к конечным ращениям: J{J 1 квант напряжения оА дискрет времени, получим («1о-ио) Для того, чтобы полная шкала ЛАПЦ имели разрывов, в выражение (6) иеобхо МО установить такую величину тока 1 чтобы первый квант логарифмического уч ка шкалы Ь (выше (1д ) был равен последнему кванту начального участка НА (ниже Uf, ).

Для логарифмического участка шкаль ЛАПЦ, когда U Uo , известно (1)

(usr

(7) где В - относительная погрешность преобразования логарифмического участка шкалы. Очевидно, , Uo(A+8) где К ( максимальный код логарифмического участка шкалы, который определяется, как en(U8) Первый квант логарифмического учас1ка из (7) равен Ье Н 8Гио-(и5)и„.8и„. (9) Для логарифмической шкалы также известно, что Т, 12-1о Ц гЕпN - Р г .NX,--en-j гол о Также очевидно, что м махсЧ-е«1 Из (8) и (10) получим ,/еп(ь8). Приравняв Ьд h в точке шкалы ЛАЩ U, U о получим из (6), (9) .-M.BU.; r(«lo-Men tS) ос Обозначив I ое запишем 9 , sai ALi 1 ft L 9 en(u8)J Поскольку для современных АПП величина относительной погрешности выбирается менее 10%, то S 6 0,1 и величина 8/Еп(1+ S)- 1, что позволяет записатьof. М l vlПодставляя в (5) выражения (11) и (13), имеем г.:BnfQtl,С) een{HS) 5 Подставляя в (4) выражение (14) получим окончательно функциональную связь кода NH (на начальном участке шка- лы ЛАЦП) с величиной преобразуемого напряжения Г. , . . /. 9Uv . een(,-7s)hl(), Таким образом, из выражения (15) следует, что, варьируя величину отношения пер одов повторения тактовых импульсов генератора 9 и зависящую от нее по формуле (13) величину тока 1 , можно получить большое количество различных функциональных шкал на начальном участке и X и о . При этом на участке U , U характер шкалы остается логарифмическим. Дря получения различных значений 9 и тем самым изменения вида шкалы на начальном участке генератор тактовых импульсов работает следуюшим образом. После прихода импульса пуска со входа 3 триггер 12 по 5 -входу устанавливается на выходе в состояние логической един цы и элемент И-НЕ 14 разрешает прохождение импульсов генератора 13 (с периодом повторения Тдд , либо непосредственно к входу коммутатора 18, либо через делитель 17 частоты. Если на прямом выходе компаратора 7 - логический ноль (т.е. (,), то импульсы генератора 13 непосредственно проходят коммутатор 18 к счетному входу реверсивного счетчика 10. Если на прямом выходе компаратора 7 - логическая единица (Ll)(U(,), то к счетHov.y входу реверсивного счетчика 10 подключается через коммутатор 10 выход дел теля 17 частоты и период повторения тактовых импульсов равен Т . Величина Т а значит и отношение 9 , зависит от коэффициента деления делителя 17. По каждому изменению состояния прямого вы хода компаратора 7 осуществляется остановка генератора 9 с помощью элемента И 15, подключенного своим выходом к R-входу триггера 12 (устанавливающего триггер в ноль), и элемента 16 задержки, состоящего, например, из интегрирующей цепи R1 С ( . При каждой смене состоя3 6ния компаратора 7 на выхо;;с элемента И 15 вырабатывается импульс, сбрасывающий триггер 12 и тем самым запрещающий с помощью элемента И-НЕ 14 прохождение импульсов генератора 13. Рассмотрим возможность получения линейного начального участка в предлагаемом логарифмическом АЦП. Из выражения (1) следует, что для получения линейной шкалы, т.е. линейной зависимости напряжения на конденсаторе 4 от времени Uc-lo-t/c(16) I необходимо, чтобы ток источника тока зависел от времени по закону т т о i . Для обеспечения равенства квантов линейного и логарифмического участков щкалы h - Н g в точке U, -Ug -U найдем величины кванта линейной шкалы из выражения (16) , U UQ IO QA-NO loTon ЩГ так как в этом случае t - Тдд N Q . Используя (9) и (17), получаем величину тока источника 6 тока . 8U,.c ° Таким образом, показания реверсивного счетчика 10 на логарифмическом участке шкалы равны .Ti7 где N -- количество квантов на ли BU(, 8 нейном участке шкалы. На линейном участке шкалы показания счетчика 10 определяются, как г U, Ux и, «. N«-;r ; S 8Uo 8Uo Ид поскольку i (j

ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ АНАЛОГОЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий ключ, включенный между информационным входом преобразователя и первым входом компаратора, соединенного вторым входом с выходом источника порогового напряжения компаратора, причем первый вход компаратора через параллельно включенные запоминающий конденсатор и разрядный pealicтор подклю |ен к шине нулевого потенциала, управляющий вход ключа подключен к входу записи реверсивного счетчика, соединенного с входом запуска преобразователя, и генератор тактовых импульсов, отличающийся тем, что, с целью расщирения динамического диапазона, в него введены регистр кода порогового напряжения компаратора и управляемый источник тока, включенный между щиной нулевого потенциала и первым входом компаратора, соединенного инвертирующим выходом с управляющим входом управляемого источника тока и вычитающим входом реверсивного счетчика, сумм(фующий вход которого соединен с прямым выходом компаратора и входом останова генератора тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с входом запуска преобразователя, а выход генератора тактовых импульсов подключен к счетному входу ре версиБного счетчшса, установочный вход которого подключен к выходу регистра кода порогового напряжения компаратора.