Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1988 года по МПК H03M1/46 

15

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные устройства.

Цель изобретения - повышение 5 быстродействия.

На чертеже приведена функциональная структурная схема АЦП.

Устройство содержит цифроаналого- вый преобразователь (ЦАП) 1, блок сравнения 2, выполненный на компараторах 3, 4 и элементе ИСКЛЮЧАКЩЕЕ ИЛИ 5, фильтр 6, вьшолненный на конденсаторе 7 и усилителе тока (УТ) 8, регистр последовательного приближения (ВПП) 9, резистор 10, формирователь порогового напряжения 11, выполненный на ЦАП 12, запоминающем устройстве 13, счетчике 1А, генераторе тактовых импульсов 15, парафазном 20 усилителе 16, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, реле времени 18, триггер 19, элемент ИЛИ 20, формирователь импульсов (одновибратор) 21, ключ 22.

Устройство работает следующим образом.

Для запуска устройства на вход Сброс устройства должен быть подан короткий импульс. При этом регистр последовательных приближений 9 устанавливается в исходное состояние: обнуляются все разряды РПП 9, кроме старшего. Начинается процесс установления выходного тока ЦАП 1. Тот же Iимпульс сбрасывает триггер 19, и сигнал Конец преобразования на соответствующей выходной шине устрой- Iства исчезает. Проходя через элемент ИСКЛЮЧАМЦЕЕ ИЛИ 17, тот же входной импульс сброса устройства вызывает 40 кратковременное инвертирование логического уровня на выходе элемента 17, и отрицательный перепад сигнала на выходе элемента 17 запускает одновибвиться значение выходного тока ЦАП 1 с погрешностью, определяемой требуемым разрешением всего устройства.

С момента окончания выходного импульса одновибратора 21 начинается собственно процесс определения знака рассогласования между входным аналоговым сигналом и кодовым эквивалентом, имеющимся в РШ1 9 (обозначим напряжение рассогласования, приведен ное к аналоговому входу устройства, через Up). Прежде всего расшунтирует ся конденсатор 7 фильтра 6 и напряжение и на выходе фильтра 6 начинает нарастать по абсолютной величине от нулевого значения в положительную или отрицательную сторону в зависимости от знака U. Напряжение UA на выходе фильтра 6 содержит две ком поненты: полезную Uj., связанную с ве личиной Up, и шумовую ULU

U(t) Uc(t) + иш(О.

На характер зависимостей U (t) и U(t) влияют импульсная характеристика фильтра 6, а также закон распреде ления и частотный спектр шума, приведенного к аналоговому входу АЦП. Для белого гауссового шума оптимальным (с точки зрения максимального положительного эффектв в АЦП) является интегратор, и выполняется с некоторой наперед заданной вероятностью неравенство

35 aUpt-bft U(t) aUpt+bVt , где а и b - коэффициенты,

t - время от момента окончания выходного импульса одновибратора 21. Коэффициент b зависит от спектральной плотности шума и указанной вероятности. Слагаемые- вида aUpt характеризуют линейное интегрирование сигнала Up (с учетом усиления

25

30

ратор 21. Одновибратор 21 вырабатыва-45 (УТ) 8), а слагаемые ±b-/t - диапазон изменения ищ(ь). Равенство перешло в неравенство потому, что Utu(t) является величиной случайной, и для нее можно лишь указать среднее

ет положительный импульс, сбрасывающий в начальные состояния фopмJipoвa- тель порогового напряжения 11 (в частности, счетчик 14) и фильтр 6

пазон изменения ищ(ь). Равенство перешло в неравенство потому, что Utu(t) является величиной случайной, и для нее можно лишь указать средне

- .. - -, . ,,

(например, путем шунтирования конден-JQ значение в размах колебаний (аналосатора 7 замкнутым ключом 22). Кроме того, выходной импульс одновибратора 21 перезапускает реле времени 18.

Длительность выходного импульса одновибратора 21 установлена такой, чтобы к моменту его окончания не только успели полностью сброситься фильтр 6 и формирователь порогового напряжения 11, но и успело устано55

гично дисперсии) с некоторой вероятностью.

Одновременно с изменением Uф(t) начинает увеличиваться выходное напряжение и формирователя порогового напряжения 11. На выходах парафаз- ного усилителя 16 оно превращается в два напряжения: (+Up) и (-U,,) , поступающие соответственно на вторые

15

5

0

0

виться значение выходного тока ЦАП 1 с погрешностью, определяемой требуемым разрешением всего устройства.

С момента окончания выходного импульса одновибратора 21 начинается собственно процесс определения знака рассогласования между входным аналоговым сигналом и кодовым эквивалентом, имеющимся в РШ1 9 (обозначим напряжение рассогласования, приведенное к аналоговому входу устройства, через Up). Прежде всего расшунтирует- ся конденсатор 7 фильтра 6 и напряжение и на выходе фильтра 6 начинает нарастать по абсолютной величине от нулевого значения в положительную или отрицательную сторону в зависимости от знака U. Напряжение UA на выходе фильтра 6 содержит две компоненты: полезную Uj., связанную с величиной Up, и шумовую ULU

U(t) Uc(t) + иш(О.

На характер зависимостей U (t) и U(t) влияют импульсная характеристика фильтра 6, а также закон распределения и частотный спектр шума, приведенного к аналоговому входу АЦП. Для белого гауссового шума оптимальным (с точки зрения максимального положительного эффектв в АЦП) является интегратор, и выполняется с некоторой наперед заданной вероятностью неравенство

5

0

aUpt-bft U(t) aUpt+bVt , где а и b - коэффициенты,

t - время от момента окончания выходного импульса одновибратора 21. Коэффициент b зависит от спектральной плотности шума и указанной вероятности. Слагаемые- вида aUpt характеризуют линейное интегрирование сигнала Up (с учетом усиления

(УТ) 8), а слагаемые ±b-/t - диапазон изменения ищ(ь). Равенство перешло в неравенство потому, что Utu(t) является величиной случайной, и для нее можно лишь указать среднее

,,

значение в размах колебаний (анало

гично дисперсии) с некоторой вероятностью.

Одновременно с изменением Uф(t) начинает увеличиваться выходное напряжение и формирователя порогового напряжения 11. На выходах парафаз- ного усилителя 16 оно превращается в два напряжения: (+Up) и (-U,,) , поступающие соответственно на вторые

входы компараторов 3 и 4. Таким образом, формируется окно шириной 2U. По программе, заложенной в запоминающее устройство 13, на выходе дополнительного ЦДЛ 12 формируется напряжение U, (его ступенчатый характер слабо выражен из-за сравнительно высокой частоты генератора тактовых импульсов 15). Заложенная в запоминающее устройство 13 программа изменения Up(t) соответствуе зависимости амплитуды Uju(t) от времени. Для рассматриваемого случая (гауссовый белый шум)

Un(t)«,b-/t + Uo

Окно расширяется с течением времени в соответствии с ростом ожидаемой амплитуды шума. Добавка Uo еще несколько увеличивает окно с тем, чтобы учесть возможную зону нечувствительности компараторов 3 и 4.. .

Поскольку с течением времени t составляющая U(;(t) растет быстрее (пропорционально t), чем амплитуда Um(t) (пропорционально VT), то в конце концов в момент времени t один из компараторов 3 или 4 переключается. Для t

УО a(Up)

Ub

tK-c a1u|

Максимальное время задержки срабатывания блока сравнения 2 быстро увеличивается с уменьшением рассогласования входного сигнала и кодового эквивалента в РПП 9. Это свойство устройства используется для остановки процесса преобразования на любом такте, если только Up в этом такте окажется меньше желаемой разрешающей способности устройства J U. В этом случае реле времени 18, задержка срабатывания которого установлена несколько больше максимального t j при Up ли, сработает раньше, чем переключится один из компараторов 3 или 4. Выходной положительный импульс реле времени 18 устанавливает триггер 19 и на выходной шине Конец преобразования появляется высокий логический уровень, который, поступая на третий вход элемента ИЛИ 20, запрещает прохождение каких-либо отрица- тельных перепадов на вход синхронизации РПП 9. Таким образом, процесс преобразования остановлен, и устройство ожидает нового запускающего им

0

5

0

5

5

0

gg

пульса по входу Сброс, после поступления которого описанные процессы повторятся.

Если в рассматриваемом такте поразрядного уравновешивания Up было достаточно велико, то один из компараторов 3 или 4 в зависимости от знака Up сработает раньше, чем сработает реле времени 18, сигнализируя о выходе 1}л за пределы окна. При этом логический уровень на выходе элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 5 обращается в нуль, соответствуюшЕий отрицательный перепад происходит через элемент ИЛИ 20, попадает на вход синхронизации РПП 9 и вызывает считывание выходного сигнала компаратора 3 (в этом смысле компараторы 3 и 4 равноправны) в РПП 9 через информационный вход последнего. Тот же отрицательный перепад проходит через элемент ИСКШОЧАЩЕЕ ИЛИ 17, запускает одновибратор 21, выходной сигнал которого, воздействуя на второй вход элемента ИЛИ 20, переводит его выходной сигнал в состояние высокого уровня, далее процесс идет так же, как и при запуске АЦП внешним сигналом Сброс, но уже следующего такта поразрядного уравновешивания (не происходит лишь сброса триггера 19 - он и так стоит в нулевом состоянии).

В дальнейшем ход процесса преобразования вновь зависит от того, что сработает раньше- один из компараторов 3 или 4 или реле времени 18. Один из рассмотренных процессов повторяется и так далее.

В АЦП время преобразования зависит от преобразуемой величины. Например, процесс преобразования может закончиться даже на первом такте поразрядного уравновешивания, если преобразуемый сигнал близок к весу 5 старшего разряда АЦП. Напротив, про цесс преобразования может продолжаться вплоть до последнего, самого младшего разряда устройства. Самым неблагоприятным с точки зрения быстродействия является случай, когда знаки чередуются от такта к такту. В наиболее неблагоприятных случаях значения (ряд значений) U р определяются соотношением

0

50

и

U1 (-1).у

Кб

где п - номер такта уравновешивания (т/ 0) ,

и - напряжение кванта (младшего

N Р

разряда) АЦП, Обычно 4U JUKe/2

Из соотношения следует, что только в двух тактах (Up) оказывается минимальным (по 0,5 ), в остальных - больше. Учитывая , что максимальные значения Ь, обратно пропорциональны квадрату Up, можно сделать вывод, что основной вклад во время преобразования устройства вносит уравновешивание только в двух тактах а не во всех, как у прототипа.

Таким образом, выигрьш по быстродействию у предлагаемого АЦП по сравнению с прототипом численно равен, п крайней мере, половине числа разрядов АЦП. Кроме того, устройство имеет при этом еще и большую разрешающую способность за счет оптимальной фильтрации сигнала при преобразовании. Положительный эффект несколько снижается за счет задержек ключа 22, компараторов 3 и 4, элементов 5, 17, 20, триггера 19. Однако при современном уровне технологии эти задержки |могут быть сделаны весьма малыми. iПpeдлaгaeмый АЦП может иметь время преобразования до 300-500 не при 16 разрядах (практически - несколько большее), в то время как лучшие образцы АЦП поразрядного уравновешивания и параллельно последовательных АЦП имеют время преобразования в 2-3 МКС при той же разрешающей способности.

Формула изобретения

1

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий цифроанапоговый преобразователь, выход которого чер токоограничивающий элемент, выполненый на резисторе, соединен с входной шиной, блок сравнения, первый .вход которого соединен с выходом ключа, информационный вход которого соединен с общей шиной, а управляющий вход - с выходом формирователя импульсов, первый выход блока сравнения соединен с информационным входом регистра последовательного приблжения, выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены фильтр, формирователь порогового на

10

15

20

25

4102716

пряжения, реле времени, элементы ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и триггер, вход установки которого соединен с выходом реле времени, вход которого 5 объединен с входом формирователя порогового напряжения и первым входом элемента ИЛИ и соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЩ, первый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ и подключен к входу синхронизации регистра последовательного приближения, второй вход объединен с входами сброса регистра последовательного приближения и триггера и является пшной сброса, а выход триггера является шиной конца преобразования и соединен с вторым входом элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с вторым выходом блока сравнения, первый вход которого через фильтр подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, второй и третий входы соединены с соответствующими первым и вторым выходами формирователя порогового напряжения.

2.Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что фильтр выполнен на усилителе тока в конденсаторе, первый вывод которого является выходом фильтра и соединен с выходом усилителя тока, вход которого является входом фильтра, а второй вывод конденсатора соединен с общей шиной.

3.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок сравнения вьтплнен на двух компараторах и элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, Входы которого соединены с выходами компараторов соответственно, выход первого из которых является первым выходом блока, вторым выходом которого является выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы компараторов объединены и являются первым входом блока, вторые входы первого

и второго компараторов являются соответственно вторым и третьим входами блока.

4.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что формирователь порогового напряжения выполнен на последовательно соединенных генераторе тактовых импульсов, счетчике, запоминающем устройстве, цифро- аналоговом преобразователе и парафаз- ном усилителе, первый и второй выходы

30

35

40

45

50

55

714102718

которого являются первыми и вторым -входом которого является вход сброса выходами формирователя соответственно, счетчика.

Изобретение может использоваться в устройствах автоматики. Каждый такт поразрядного уравновешивания начинается с кратковременного сброса .фильтра 6 посредством ключа 22 с поВход она- лозобый Вход 0, ,cffpoe мощью одновибратора 21, после чего на конденсаторе 7 накапливается полезный сигнал рассогласования до тех пор, пока не сработает один из компараторов 3 или 4, образующих окно, ширина которого задается во времени формирователем порогового напряжения 11 (функциональным генератором). Если сигнал рассогласования меньше разрешающей способности АЦП, то реле времени 18 и триггер 19 формируют выходной сигнал Конец првобразова ния, в противном случае элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5,17, ИЛИ 20 инициируют такт уравновешивания. За счет асинхронного режима работы АЦП увеличивается его быстродействие. 3 з.п. ф-лы, 1 ил. с с/: с с к tf ffOHCU пкоора- ти