Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1989 года по МПК H03M1/34 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в контрольно-измерительных, информационных и других системах.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона входного сигнала.

На фиг-. 1 показана блок-схема (устройстваJ на фиг. 2 - схема устройства с переменным коэффициентом усиления.

Устройство содержит компараторы I первой ступени, блок 2 переменного кпаффицие}1та усиления, источник 3 талонных уровней, устройство 4 вьще- ления старшей единицы, шифратор 5 первой cj yriemi, мифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, вычитающее устройство 7, суммирующее устройство 8, электронный ключ 9, делитель напряжения 10, компараторы 11 второй ступени, шифратор 12 второй ступени, триггер 13, группу элементов И 14, формирователь 15 кодов, сумматор 16 кодов и элемент 17 запрета.

Устройство работает следующим образом.

Допустим, что элементы 2, 13-17 схемы отсутствуют,

С помощью эталонных уровней, подаваемых от источника 3, весь диапазон выходного сигнала О - А, делится на ряд поддиапазонов: О А/2 - А/2 ; А/2 ; ..., А/2 - А,

4 СО 4ib

1C

00

ISJ

где k - количество компараторов в первой ступени. Для примера А 5, k 7, Тогда весь диапазон входного сигнала О - 5В разобьется на следую- щие поддиапазоны: О - 39,1 мВ - нулевой; 39,1 - 78,1 мВ - первый; 78,1 - 156,2 мВ - второй; 156,2 - 312,5мВ- третий; 312,5 - 625 мВ - четвертьй; 625 - 1250 мВ - пятыйi 1250 - 2500 мВ шестой; 2500-5000 мВ - седьмой.

После срабатывания компараторов 1 первой ступени на их выходе формируется так называемый единичный код. В k-й позиции этого кода стоит 1, если сработал k-й компаратор, и О, если не сработал. В данном примере k 1-7. Устройство 3 формирует соответствующие значения эталонных уровней - 39.1 мВ, 78.1 мВ, ..., 2500 мВ, устройство 4 выделения старшей единицы формирует код, имеющий 1 только в одной позиции - соответствующей старшему сработавшему компаратору | и б в остальных позици- ях. Этот код поступает на шифратор 5 первой ступени, который формирует двоичньп код, несущий информацию о номере поддиапазона, в котором находится измеряемое напряжение. Кро ме того, код с единицей водной позиции поступает на ЦАП 6, на выходе которого образуется сигнал, равный ближайшему меньшему, чем U, эталонному напряжению, подаваемому на компараторы 1 первой ступени. Очевидно, что величина этой разности в зависимости от конкретного значения И находится в следующих пределах: О - 39,1 мВ - для нулевого и первогоопод диапазонов} О - 78 мВ - для второго; О - 156 мВ - для третьего и т.д., О - 2500 мВ старшего, седьмого

Напряжение с выхода ЦАП 6 поступает на вход устройства 8, где это напряжения складывается с выходным напряжением ключа 9. Этот ключ открыт, когда не сработал компаратор младшего уровня первой ступени, т.е. когда входное напряжение лежит в ну- левом поддиапазоне. Таким образом, на выходе суммирующего устройства 8 имеются следующие напряжения: 39,1 мВ - для нулевого и первого поддиапазонов, 78,1 мВ - для второго 156,2 мВ - для третьего и т.д., 2500 мВ - для старшего, седьмого.

Указанные напряжения с помощью делителя 10 делятся на Р равных час

Q

5 0 5 Q j

5 g с

5

тей, где Р - число компараторов второй ступени, Р ч 2, с 2,3, ...В данном примере с 4, Р 16. Таким образом, на выходе дели селя 10 формируется сетка эталонных уровней. При этом величина кванта в второй ступени (разность между соседними эталонными уровнями) равна: 2,44 мВ - для нулевого и первого поддиапазонов, 4,88 мВ - для второго и т.д., 156.2 мВ - для старшего.

Таким образом, величина кванта в известном АЦП при квантовании малых напряжений лежащих в нулевом и первом поддиапазонах составляет

и макс

q -

где и А.

Однако в некоторых случаях такая величина динамического диапазона устройства недостаточна. Допустим, что требуется кодировать малые сигналы с квантом в 16 раз меньшие, т.е q 2,44/16 0,15 мВ. Тогда в известной схеме должны быть сформированы 5 дополнительных поддиапазонов: О - 2,44 мВ - нулевой дополнительный, 2,44 мВ - 4,87 мВ - первой дополнительный, 4,87 мВ - 9,75 мВ - второй дополнительный, 9,75 мВ - 19,53 мВ - третий Дополнительный, 19,53 мВ - 39,1 мВ - четвертый дополнительный.

Однако технически реализовать такую схему затруднительно,поскольку требуется большое число компараторов, способных различить десятые доли мВ.

Предложенное устройство работает следующим образом.

В начале работы обнуляется триггер 13, при этом с выхода триггера на блок 2 переменного коэффициента усиления подается управляющий сигнал, устанавливающий коэффициент усиления этого устройства в единицу (один из возможных вариантов реализации блока 2 показан на фиг. 2). Чере некоторое время, достаточное для срабатывания компараторов, на элемент запрета подается стробирую- щий сигнал. На инверсный его вход подается сигнал ,с выхода младшего компаратора, входящего в компараторы 1 (т.е. компаратора, на который подается минимальное зта-понное напряжение, в данном примере 39,1 мВ). Если входное напряжение лежит в старших диапазонах, в данном примере в диапазонах 39,1-78,1 мВ; 78,1-156,2 и т.д. 2500-500 мВ, то срабатывает младший компаратор, при этом выходной сигнал младшего компаратора запрещает прохождение стробирующего сигнала на S-вход триггера, т.е. триггер остается в прежнем состоянии, соответственно, блок 2 имеет как и прежде коэффициент усиления равньй единице. Далее предлагаемое устройство работает также, как и известное.

Рассмотрим случай, когда напря- жени Ь меньше младшего эталонного уровня, подаваемого на компараторы 1, т.е. в данном примере меньше 39,1 мВ. Тогда стробирующий сигнал проходит на S-вход триггера и устанавливает его в единичное состояние приэтом коэффициент усиления блока 2 установится равным Ку, в данном случае Ку 16, Напряжения, лежащие в нулевом дополнительном поддийпазо- не, перемещаются в нулевой основной поддиапазон, напряжения, лежащие в первом дополнительном поддиапазоне, перемещаются в первой основной поддиапазон и т.д. В данном примере

О,- 2,44 мВ0-39,1 мВ

2,44 - 4,87 мВ39,1 мВ 78,1 мВ и т.д.

Далее предлагаемая схема работает аналогично известной.

В устройстве производится предварительное сжатие выходной информации

Положим, что входное напряжение и у лежит в старших поддиапазонах, т.е. в течение преобразования коэффициент усиления блока 2 равен единице. В этом случае информация о выходном коде содержится в выходных сигналах трех элементов: шифратора 5 (информация о номере поддиапазона, в котором находится входное напряжение) , шифратора 4 2 (информация о номере интервала, внутри данного поддиапазона)и триггера 13 (информация о том, что массштабировайия не было). Для получения из этих сигнало обычного позиционного двоичного кода (ПДК) необходимо сдвинуть код, снимаемый с шифратора 12 на М единиц влево, где М - десятичный эквивалент кода первой ступени, снимаемого с шифратора 5. Так, если код на выходе шифратора 5 равен 001, то необходимо сдвинуть код на выходе шифратора 12

10

15

20

25

30

35

40

45

0

на один разряд влево, если 010 - на два разряда и т.д. Полагается, что сдвиг осуществляется устройством обработки, стоящим на выходе АЦП.

Допустим, входное напряжение U лежит в младшем поддиапазоне,в данном примере 0-39,1 мВ. Тогда коэффициент усиления блока 2 равен К (К ,у 16). В этом случае необходимо произвести два сдвига кода, снимаемого с шифратора 12 для получения в качестве выходного кода обычного ПДК: первый сдвиг на Т единиц вправо, этот Сдвиг учитывает масштабирование, в данном примере Т 4j второй сдвиг на М единиц влево, этот сдвиг обусловлен причинами, описанными при рассмотрении первой ситуации. В данном устройстве предлагается алгебра- ически просуммировать эти два сдвига для того чтобы предварительно сжать информацию и облегчить работу строй- ства обработки. Для этого код сдвига вправо записьшается в дополнительном коде в формирователе 15, в качестве которого могут быть использованы линейка перемычек, простейшее ПЗУ и т.п. С сумматора 16 кодов снимается результирующий код, несущий информацию о сдвиге, который следует осуществить с кодом шифратора 12, Как видно из чертежа, алгебраическое суммирование (или по сути вьмитание) кодов осуществляется только в том случае, когда производится масштабирование, в противном случае выходной сигнал триггера 13 не пропускает код формирователя 15 на вход сумматора 16 кодов и с выхода этого сумматора имеется тот же код, что и с выхода шифратора 5, Операции по сУммирова-, нию кодов не влияют на общее быстродействие, так как они производятся

во время работы второй ступени. I

Положительный эффект от использования предлагаемого устройства заключается в том, что в К раз сиижается величина минимального изме- ряе14огр напряжения и соответственно увеличивается динамический диапазон входного сигнала. В 7-разрядном АЦП величина динамического диапазона.

измеряемая как U ,/U

макс

мин

и

55 увеличилась в 16 раз по сравнению

с известной. Одновременно производится сжатие информации о выходном сигнале, благодаря чему облегчается последующая обработка сигнала АЦП.

Ф о р.м ула изобретения

А

1. Аналого-цифровой преобразователь по авт.св. № 588628, о т л и- чающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона входного сигнала, в него введены триггер, элемент ЗАПРЕТ, формирователь кода, группа элементов И, сум- JQ матор кодов, блок переменного коэффициента усиления, информационный вход которого является входной шиной, выход соединен с вторыми вхо- дами компараторов первой ступени и J5 вторым входом вычитающего устройства, управляющий вход подключен к выходу триггера и-объединен с первыми входами группы элементов И, вторые входы которой подключены к соот- 20 ветствующим выходам формирователя кода, а выходы соединены с первыми входами сумматоров кодов соответст-, венно, вторые входы которого подключены к соответствующим выходам шиф- 25 ратора первой ступени, а выходы являются выходной шиной, причем R-вход триггера является шиной обнуления, S-вход подключен к выходу элемента ЗАПРЕТ, инверсный вход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, а прямой вход является шиной стробирования.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок переменного коэффициента усиления выполнен на операционном усилителе, двух резисторах и ключе, информационный вход которого объединен с первым выводом первого резистора, подключен к выходу операционного усилителя и является выходом блока, информацион- Ным входом которого является неинвертирующий вход операционног о усилителя, инвертирующий вход которого объединен с вторым выводом первого резистора, подключен к выходу ключа и через второй резистор соединен с общей шиной, а управляющий вход ключа является управляющим входом блока.

Изобретение относится к вычислительной технике, является усовершенствованием изобретения по авт.св. N 588628 и при использовании в системах преобразования и передачи информации позволяет расширить динамический диапазон входного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь содержит компараторы первой и второй ступеней, шифраторы первой и второй ступеней, суммирующее и вычитающее устройства, блок переменного коэффициента усиления, формирователь кода, группу элементов И, триггер, элемент ЗАПРЕТ, сумматор кодов. Выход блока переменного коэффициента усиления подключен к первым входам компараторов первой ступени и к одному из входов вычитающего устройства, к первым входам сумматора кодов подключены выходы шифратора первой ступени, а к вторым - выходы группы элементов И. Благодаря этому квантование малых сигналов производится с меньшим квантом, чем больших, вследствии чего расширяется величина динамического диапазона входного сигнала. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

/Ч

/J

Иш

г

4П

Ь

L

9Г

.. .

«

J чИ ФФ

15

1И-,г

JJ

.. .1

«

чИ ФФ

16

(pup.i

Редактор Л.Пчолинская

Составитель В.Махнанов

Техред М.фдхыкКорректор Т. Мале ц

Заказ 4130/56

Тираж 884

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат .Патент, г . Ужгород, ул. Гагарина, 101

Г7

(pu.2

Подписное