Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1987 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к измерителной и вычислительной технике и может быть использовано в контрольно-измерительной аппаратуре.

Цель изобретения - расширение об- ласти применения за счет возможности получения выходньпс кодов различных видов и снижение потребляемой мощности.

На чертеже представлена структурная электрическая схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП),

АЦП содержит разряды 1,1,...,Кп, первый токоограничивающий элемент 2 на резисторе, индикационный светодио 3, шину 4 питания, общие для всех разрядов 1.1,...,1.п генератор 5 импульсов, согласующий блок 6 на эмит- терном повторителе, аналоговый ключ 7, выполненный на эмиттерном повторителе 8, токоограничивающем элементе 9, фотодиоде 10, светодиоде 11 и токоограничивающем элементе 12, шину 13 упр авления, элемент 14, составной транзистор 15, дифференцирующий блок 16, элемент НЕ 17, дифференцирующий блок 18, конденсатор 19, де.питель напряжения на резисторах 20 и 21, нагрузочный резистор 22 делитель напряжения на резисторах 23 и 24, ключевой элемент 25 на транзисторе, разделительньй диод 26, шину 27 сигнала, фотодиод 28 обратной связи, шину 29 обратной связи, элемент И-НЕ 30, разделительный диод 31, фо- тодиоды 32 и 33 гашения, светодиоды 34 гашения, светодиод 35 обратной связи, разделительный диод 36, токо- ограничивающий элемент 37, светодиод

39 гашения и ключ 39 управления.

АЦП работает следующим образом. На вход эмиттерного повторителя 6 поступает аналоговое напряжение U,, которое усиливается по току и переда- ется на входы дифференцирующих бло-- хов 16 и 18.

Напряя ение на базе составного транзистора 15 второго дифференци- рующего блока 18 посредством делителя напряжения, состоящего из резисторов 20 и 21, выбрано таким образом, чтобы в нормальном состоянии, т.е. при отсутствии напряжения на входе дифференцирующего блока 18 или его постоянстве, составной транзистор 15 бьш в открытом состоянии, т.е. на выходе дифференцирующего блока 18

Q

5 5

0

5

0 g

присутствовало напряжение логического нуля,

Напряжение на базе составного транзистора 15 первого дифференцирующего блока 18 посредством делителя напряжения на резисторах 20 и 2 выбрано таким образом, чтобы в нормальном состоянии составной транзистор 15 был в закрытом состоянии, т.е. на выходе дифференцирующего блока 16 присутствовало напряжение логической единицы. Рабочие точки составных транзисторов 15 дифференцирующих блоков 16 и 18 выбраны так, чтобы они находились в начале и в конце активной области характеристики транзисторов соответственно,

Конденсатор 19, сопротивление, образованное параллельным соединением резисторов 20 и 21, и сопротивление составного транзистора: 15 со стороны базы выполняют функцию дифференцирующей КС-цепочки, Если напряжение на входах дифференцирующих блоков 16 и

18 не изменяется, т,е, -т- О, то

они находятся в нормальном состоянии. Если напряжение Uj увеличивается,

dUx

т.е. , то на выходах RC-цепочек dt

выделяется некоторое положительное напряжение, которое приводит к открыванию составного транзистора 15 первого дифференцирующего блока-16 и появлению его на выходе напряжения логического нуля, а также к еще большему открыванию составного транзистора 15 второго дифференцирующего блока 18 и неизменности его выходного напряжения,

Если напряжения на входах дифференцирующих блоков 16 и 18 уменьшаdUx ., ется, т,е, -г-- 0, то на выходах

RC-цепочек выделяется некоторое отрицательное напряжение, которое приводит к закрыванию составного транзистора 15 второго дифференцирующего блока 18 и появлению на его выходе напряжения логической единицы, а также к еще большему закрыванию составного транзистора 15 первого дифференцирующего блока 16 и неизменности его выходного напряжения, что иллюстрируется таблицей.

1

о 1

о о

0- 1

11

Здесь f - функция управления.

О, если - О

f

dUx

1, если 0, или .

QllUL

Исходя из таблицы,

f г ,.

что реализуется инвертором 17 и первым элементом И-НЕ 14. Таким образом е.сли входное напряжение неизменно, то на шине 13 управления присутствует напряжеиие логического нуля. Если входное напряжение изменяется, то на шине 13 управления - напряжение логической единицы. Чувствительность дифференцирующих блоков зависит от величин емкости конденсатора 19, ре- эисторов 20 и 21, сопротивления составного транзистора 15 со стороны базы, а также козффициента усиления составного транзистора 15.

Порог срабатывания i-ro разряда 1,1. и порог l.i устанавливается соотношением плеч резисторов 23 и 24 делителя напряжения каждого разряда:

и,

1.1, - и, 1 .п

1.1 ,

п

где и «ИКС

минимальная и максимальная точки напряжения, которые регистрируются АЦП.

Рассмотрим работу АЦП в режиме единично-нормального кода.

В реЛиме единично-нормального кода ключ 39 управления замкнут. Поэтому составной транзистор 15 второго дифференцирующего блока 16 закрыт и на выходе последнего присутствует

272934

напряжение логической единицы, что приводит к,появлению сигнала 1 на шине 13 управления, что, в свою очередь, приводит к появлению на выходе второго элемента И-НЕ 30 и шине 29 обратной связи импульсов генератора. Единичный сигнал на шине 13 приводит к прохождению тока через светодиод 11 и третий токоограничиваиощий элемент 12. Сопротивление обратно включенного фотодиода 10 резко уменьшается и через второй токоогравдсчиваю- щий элемент 9 начинает протекать ток, 5 вызванный напряжением на выходе эмит- терного повторителя 6. На выходе эмиттерного повторителя 8 аналогового ключа 7 и на шине 27 сигнала появляется напряжение

10

0

где и

5

и,, Uv - 24U.

- падение напряжения на переходе база-эмиттер эмиттерного повторителя. Предположим, что

yMaKc 3 UMkf.H. п

эп

и

at

1.

Тогда в момент, когда на шине 29 об- ратной связи присутствует напряжение логи.ческой единицы, возбуждаются i младших разрядов 1,1,...1.1. По коллекторной цепи транзистора 25 каждого из младших i разрядов 1.1,.,, 1.1 начинает протекать ток, что вызывает включение светодиодов 3, 34, 35. Световой поток светодиода 35 обратной связи поступает на фотодиод 28 обратной связи, что приводит к резкому уменьшению его обратного сопротивления. При этом в базу транзистора 25 каждого из младших i разрядов 1.1,,,. ...,1.1 поступает дополнительный ток, обусловленный напряжением логической единицы на шине 29 обратной связи, что приводит к еще большему открыванию транзистора 25 каждого из 1 младших разрядов 1. 1,.,., 1.1.

Световой поток от светодиода 34 гашения поступает на фотодиод 32 гА- шения предьщущего разряда, что приводит к резкому уменьшению его обратного сопротивления, но гашения не происходит, так как на шине 13 уп- равления присутствует напряжение логической единицы. Поскольку транзистор 25 каждого из 1 младших раз- рядов 1.1,..., 1.1 открыт, то напряжение на его коллекторе несколько

513272936

вьше нуля, что приводит к открыванию Предположим что напряжение U третьего разделительного диода 36 и увеличивалось, и достигло величины

и.

через цепь: токоограничивающий элемент 37, разделительный диод 36 тран- л-i зистор 25 начинает протекать ток, ми- . нуя светодиод 38 гашения.

Светодиод 38 гашения не включен. Световой поток не поступает на фотодиод 33 гашения последующего разряда. Поэтому его обратное сопротивле- JO ние велико.

В старших п-1 невозбужденных разрядах ток по коллекторной цепи транзистора 25 не протекает. Поэтому светодиоды 3, 34, 35 не включены. J5 Обратное сопротивление фотодиода 28 обратной связи велико. Дополнительный ток в цепь базы транзистора 25 не поступает. Сопротивление фотодиода 32 гашения старших n-i+1 разря- , 20 дов велико и гашения не происходит. Поскольку транзистор 25 в каждом из старших ,п-1 разрядов закрыт, то на его коллекторе - высокий потенциал.

y,jj « КС- Ци

1 const.

Возбудилось i младших разрядов l...,l.i. Поскольку --- О, то

на шине 13 управления присутствует напряжение логического нуля, что при водит к установлению на шине 29 обратной связи напряжения логической единицы. Ток через светодиод 11 и токоограничивающий элемент 12 не про текает, что приводит к увеличению сопротивления фотодиода 10, что в свою очередь, приводит к резкому уменьшению тока, проходящего через токоограничивающий элемент 9 в цепь базы эмиттерного повторителя 8 анало гового ключа 7. Ток в эмиттерной цепи эмиттерного повторителя 8 очень мал. Поэтому на выходе аналогового ключа 7 и шине 27 сигнала напряжение

что приводит к закрыванию раздели тел ь-25 нулю но включение

1 младших разрядов 1. 1 ,... , 1,i не гасится по шине сигнала 27, так как между шиной 27 сигнала и резистором 24 включен разделительный диод 26. Так как разряд 1.2 включен, то свето вой поток от второго светодиода 34 гашения второго разряда 1,2 поступает на второй фотодиод 32 гашения первого разряда 1.1. Обратное сопротивление этого фотодиода резко уменьшается и происходит гашение первого разряда 1.1, поскольку на шине ГЗ управления присутствует напряжение логического нуля.

ного диода 36 и протеканию тока по цепи: токоограничивающий элемент 37, светодиод 38 гашения. При этом светодиод 38 гашения включен. Световой поток от него поступает на фотодиод 33 гашения последующего разряда, что приводит к резкому уменьшению его об ратного сопротивления. Таким образом оператор наблюдает свечение индикационных светодиодов 3 младших i раз- рядов 1.I,...,1.i, соответствующих величине .входного аналогового напряжения.

По окончании импульса на шине 29 обратной связи устанавливается напряжение логического нуля, что приводит к открыванию фотодиодов 28 обратной связи, которые в данном случае оказываются в прямом включении. Через них протекает ток гашения и происходит сброс возбужденных разрядов. Таким образом, при работе в режиме единично-нормального кода производится дискретизация во времени аналогового напряжения U импульсами генератора 5 импульсов.

При работе в режиме единичного нормально-позиционного кода ключ 39 разомкнут. Если входной аналоговый

сигнал Ujj изменяется,

.е. 1,0

то на шине 13 управления присутствует напряжение логической единицы и работа устройства аналогична указанной.

y,jj « КС- Ци

1 const.

л-i

Возбудилось i младших разрядов l...,l.i. Поскольку --- О, то

на шине 13 управления присутствует напряжение логического нуля, что приводит к установлению на шине 29 обратной связи напряжения логической единицы. Ток через светодиод 11 и токоограничивающий элемент 12 не протекает, что приводит к увеличению сопротивления фотодиода 10, что в свою очередь, приводит к резкому уменьшению тока, проходящего через токоограничивающий элемент 9 в цепь базы эмиттерного повторителя 8 аналогового ключа 7. Ток в эмиттерной цепи эмиттерного повторителя 8 очень мал. Поэтому на выходе аналогового ключа 7 и шине 27 сигнала напряжение

нулю но включение

1 младших разрядов 1. 1 ,... , 1,i не гасится по шине сигнала 27, так как между шиной 27 сигнала и резистором 24 включен разделительный диод 26. Так как разряд 1.2 включен, то световой поток от второго светодиода 34 гашения второго разряда 1,2 поступает на второй фотодиод 32 гашения первого разряда 1.1. Обратное сопротивление этого фотодиода резко уменьшается и происходит гашение первого разряда 1.1, поскольку на шине ГЗ управления присутствует напряжение логического нуля.

4Q После гашения первого разряда. 1, 1 на коллекторе транзистора 25 первого разряда устанавливается высокий потенциал, что приводит к включению светодиода 38 гашения первого раз ряда 1.1, Световой поток от этого светодиода поступает на фотодиод 33 гашения второго разряда 1.2. Обратное сопротивление этого фотодиода резко уменьшается. Так как фотодиод

JQ 32 гашения второго разряда 1.2 имеет также малое обратное сопротивление, поскольку он оснащен световым потоком от светодиода 34 гашения третьего разряда 1,3, происходит гашение

второго разряда 1,2, Таким образом, происходит последовательное гашение

мпадших i-1 разрядов 1,11, i-1,

Разряд I.i гасится, поскольку фотодиод 32 гашения разряда 1,i не освещен. Поэтому сопротивление этого фотодиода большое.

Если входное напряжение U опять изменяется, то на шине 3 управления появляется напряжение логической еди- ницы, что приводит к прохождению импульсов на шину 29 обратной связи от генератора 5. Первой же. паузой между импульсами на шине 29 происходит сброс возбужденного разряда l.i.

Таким образом, если входное напряжение и не изменяется, то АЦП преобразует входной сигнал в единично-позиционный код, если же U Изменя- ется, то во время преобразования

ных диодов, п фотодиодов обратной связи, п-1,вторых разделительньпс диодов, п-1 первых фотодиодов гашения, п-2 вторых фотодиодов гашения, п-1 первых светодиодов гашения, п свето- диодов обратной связи, п-2 третьих разделительных диодов и п-2 вторых светодиодов гашения, катод каждого из которых в каждом i-м разряде, где . ,2,..i,п-2, является шиной нулевого потенциала, анод соответственно соединен с анодом третьего разделительного диода соответствующего разряда и через соответствующий второй J5 токоограничивающий элемент подключен к шине питания, а катод третьего разделительного диода соединен с коллектором транзистора соответствующего разряда, эмиттеры транзисторов всех

входного сигна51а производится его представление в единично-нормальном коде, соответствующем количеству возбужденных разрядов АЦП. Такой режим работы по сравнению с прототипом при-20 Разрядов объединены и являются шиной водит к по вьш1ению информативности нулевого потенциала, а базы подключе- процесса преобразования входного сиг- ны к анодам соответствующих фотодио- нала, так как существенно упрощается дов обратной связи, катоды которых процесс диалога оператора с устрой- объединены и подключены к выходу вто- ством, что в конечном счете расширя- 25 рого элемента И-НЕ, первый вход которого, соединен с выходом генератора импульсов, а второй вход объединен с первым входом аналогового ключа и с катодами вторых разделительных дно- кода не изменяющийся аналоговый сиг- 30 ДОВ всех разрядов и подключен к вы- нал представляется одним соответству- ходу первого элемента И-НЕ, первый ющим возбужденным разрядом и энергию вход которого соединен с выходом источника питания потребляет лишь первого дифференцирующего блока, а этот один возбужденный разряд. второй вход через элемент НЕ подклю чен к выходу второго дифференцирующего блока, первый вход которого

ет область применения АЦП.

Снижение потребляемой мощности АЦП обусловлено тем, что в режиме единичного нормально-позиционного

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий п, по числу разрядов.

объединен с первым входом первого дифференцирующего блока и подключен к первому выходу змиттерного повторите- , второй вход объединен с вторым

первых токоограничивающих элементов, п индикационных светодиодов , аноды которых объединены и являются шиной питания, а катодь: подключены к первым выводам первых токоограничивающи элементов соответствующих разрядов, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет возможности получения выходных кодов различных видов и снижения

потребляемой мощности, в него введе- 50 соединен с базой транзистора соответ- ны генератор импульсов, согласующий ствующего разряда, а второй вход яв- блок, выполненный на э Ытте-рном повто- ляется шиной нулевого потенциала, рителе, аналоговый ключ, ключ управ- аноды всех первых разделительных ди- ления, первый и второй дифференцирую- одов объединены и подключены к выхо- щие блоки, первый и второй элементы 55 аналогового ключа, второй вход ко- И-НЕ, элемент НЕ, п делителей напря- торого соединен с вторым выходом жения, п ключевых элементов на тран- эмиттерного повторителя, вход которо- зисторах, п-2 вторых токоограничива- го является входной шиной, второй вы- ющих элементов, п первых разделитель- вод первого токоограничивающего элег

72938

ных диодов, п фотодиодов обратной связи, п-1,вторых разделительньпс диодов, п-1 первых фотодиодов гашения, п-2 вторых фотодиодов гашения, п-1 первых светодиодов гашения, п свето- диодов обратной связи, п-2 третьих разделительных диодов и п-2 вторых светодиодов гашения, катод каждого из которых в каждом i-м разряде, где . ,2,..i,п-2, является шиной нулевого потенциала, анод соответственно соединен с анодом третьего разделительного диода соответствующего разряда и через соответствующий второй J5 токоограничивающий элемент подключен к шине питания, а катод третьего разделительного диода соединен с коллектором транзистора соответствующего разряда, эмиттеры транзисторов всех

to

20 Разрядов объединены и являются шиной нулевого потенциала, а базы подключе- ны к анодам соответствующих фотодио- дов обратной связи, катоды которых объединены и подключены к выходу вто- 25 рого элемента И-НЕ, первый вход которого, соединен с выходом генератора импульсов, а второй вход объединен с первым входом аналогового ключа и с катодами вторых разделительных дно- 30 ДОВ всех разрядов и подключен к вы- ходу первого элемента И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом первого дифференцирующего блока, а второй вход через элемент НЕ подклю.

объединен с первым входом первого дифференцирующего блока и подключен к первому выходу змиттерного повторите- , второй вход объединен с вторым

40

входом первого дифференцирующего блока и является шиной питания, а третий вход второго дифференцирующего блока через ключ управления подклю чен к шине нулевого потенциала, катод первого разделительного диода в каждом разряде соединен с первьм . входом делителя напряжения соответ ствующего разряда, выход которого

мента каждого из п разрядов соединен с анодом соответствующего светодиода обратной связи, катод каддого из которых, кроме первого, соединен с анодом первого светодиода гашения соответствующего разряда, катод которого подключен к коллектору соответствующего транзистора, база транзистора каждого i-ro разряда, где ,3,..,

,,.,п-1, соединена с катодом соответ-JO выходом аналогового ключа, при этом

ствукяцего второго фотодиода гашения, анод которого соединен с катодом соответствующего первого фотодиода гашения, аноды первых фотодиодов гашения всех разрядов подключены к аио- дам соответствующих вторых разделительных диодов, база транзис- ора первого разряда соединена с катодом первого фотодиода гашения первого разряда, катод светодиода обратной связи первого разряда соединен с коллектором транзистора первого разряда, причем первые светодиоды гашения каждого, кроме перового, разряда оптически соединены с первыми фотодиодами гашения соответствующего предшествующего разряда, светодиоды обратной связи каждого разряда оптически соединены с соответствующими фото

диодами обратной связи, а вторые све- 30 зистора, при этом второй вывод перво- тодирды гашения каждого i-ro разряда, го резистора объединен с вторым выводом нагрузочного резистора и является вторым входом дифференцирующего блока, третьим входом которого является вто- 35 рой ВЕЛвод конденсатора, а второй вывод второго резистора является шиной нулевого потенциала.

где 1 1,2,..., n-2j оптически соединены с в орыми фотодиодами гашения соответствующего i+1 разряда.

2, Преобразователь по п. 1, о т - личающийся тем, что аналоговый ключ выполнен на согласующем

элементе, эмиттерном повторителе, двух токоограничивающих элементах, фотодиоде и светодиоде, анод которого является первым входом аналогового ключа, вторым входом которого является катод фотодиода, анод которого через первый токоограничивающий элемент соединен с входом эмиттерного повторителя, выход которого является

5

катод светодиода через второй токоограничивающий элемент подключен к шине нулевого потенциала.

3. Преобразователь по п. 1, о т - личающийся тем, что дифференцирующий блок выполнен на конденсаторе, делителе напряжения, двух резисторах, нагрузочном резисторе и составном транзисторе, эмиттер которого является шиной нулевого потенциала, а коллектор объединен с первым выводом нагрузочного резистора и является выходом диффере;1циру щего 5 блока, первым входом которого является первый вывод конденсатора, второй вывод которого объединен с первыми выводами первого и второго резисторов и подключен к базе составного тран0

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в контрольно- измерительной аппаратуре. Целью изобретения является расширение области применения за счет возможности получений выходных кодов различных видов и снижение потребляемой мощности. Входное напряжение АЦП усиливается входным эмиттерным повторителем по току и подается на входы двух дифференцирующих блоков, анализирующих совместно с элементами НЕ, И-НЕ процесс изменения входного сигнала. Если входное напряжение не изменяется, то АЦП формирует на выходе единично- позиционный код. В случае изменения входного сигнала АЦП формирует его представление в единично-нормальном коде, соответствующем количеству возбужденных разрядов, каждый из которых выполнен на ключевом элементе на транзисторе, делителе напряжения, токоограничивающих элементах, индикационном светодиоде, разделительных диодах, фотодиоде обратной связи, фотодиодах и светодиодах гашения. Сброс возбужденного разряда осуществляется импульсами генератора импульсов через элемент И-НЕ. 2 з.п. ф-лы, 1 шт. i (Л со to ю ( САЭ

Редактор И. Касарда

Составитель В. Войтов

Техред Л.Сердюкова Корректор И. Муска

Заказ 3399/55 Тираж 901Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4