Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1989 года по МПК H03M1/38 

яиА

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления для преобразования в цифровой код сигналов аналоговых датчиков. Целью изобретения является повышение быстродействия. Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор, первый и второй компараторы, цифроаналоговй, регистр последовательных приближений, введены коммутатор, третий триггер, два одновибратора. В преобразователе осуществляются статистическая обработка выходных сигналов одного из компараторов при приближении сигнала обратной связи к входному сигналу, когда наиболее вероятны сбои от воздействия случайных помех, кроме того, ограничение длительности тактов преобразования и завершение выполнения алгоритма поразрядного уравновешивания по достижении заданной точности. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к вьинсли- тельной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления для преобразования в цифровой код сигналов аналоговых датчиков.

Цель изобретения - повышение быстродействия .

На фиг. 1 изображена функциональная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - характеристика схемы сравнения; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства; на фиг о 4 - график, показывающий процедуру выбора максимально допустге ой

продолжительности такта преобразования; на фиг. 5 - реверсивный счетчшс.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит генератор 1 импульсов, компаратор 2, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3, регистр. 4 последовательных приближений (РПП), компаратор 5, триггеры 6 и 7, элемент И 8, первый 9 и второй 10 элементы 1ШИ, реверсивный счетчик 11, первый 12 и второй 13 одновибраторы, триггер 14, коммутатор 15.

Реверсивный счетчик 11 на микросхеме 564ИЕ11 показан на фиг. 5. При реализации устройства необходимо -учи4 ОТ

тывать полярность активных уровней сигналов.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии триггер 14 установлен, в РПП 4 хранится код предащущего преобразования, Р1мпульс на шине запуска инициирует начало работы АЦП. При этом сбрасываются триггеры 7 и 14.и через элемент ИЛН 9 запускается одновибратор 13. Коммутатор 15, управляемый триггером 7, подключает к тактовому входу РПП 4 выход элемента И 8. Первый после запуска импульс генератора 1, проходя через элемент И 8 и коммутатор 15, устанавливает в РПП 4 код 01...1 соответствующий половине диапазона входного сигнала. На шине готовности устанавливается уровень логического нуля. На первом входе компара- тора 2 присутствует измеряемый аналоговый сигнал и, на втором входе - сигнал обратной связи U, вырабатываемый ЦАП 3 и пропорциональный выходному коду РПП 4, Логический выходной сигнал ( компаратора 2 принимает значения (,/ 1 при U j / U р и V О при и х УОС защелкивается в D-три гере 6 импульсами генератора 1. Компаратор 5 анализирует аб солютную величину разности MUI |Ux УОС И сравнивает ее с определенным порого™ вым значением Ь. При |ди| :: b выходной сигнал Z компаратора 5 принимает значение Z 1, при Л U b - значение Z 0. Сигнал Z защелкивается в D-триггере 7 задним фронтом импульса одновибратора 12. D-триггер 7 управляет зсоммутатором 15 таким образом, что при Z 1 РПП 4 тактируется импуль- Сами гереполнения реверсивного счетчика 11, при Z О - импульсами гене- более вероятны, следовательно, появратора 1, прошедшими через элемент И 8 РПП 4 реализует алгоритм поразрядного уравновешивания входного сигнала. На каждом такте уравновешивания определяется значение одного разряда выходного кода АЦП. В начале такта на выходе коммутатора 15 появляется импульс, тактируюпщй РШТ 4, При этом в РПП 4 формируется новое значение кода, а в ЦАП 3 устанавлива-, ется пропорциональньй этому коду сигнал U(jc . Этот же импульс запускает одновибратор 12 и через элемент ИЛИ 9 перезапускает одновибратор 13.

50

55

ляются более часто. Реверсивный счетчик 11, в начале такта установленный в среднее положение, через несколько периодов частоты генератора 1 переполнится, причем переполнение вызвано наиболее вероятным значением v. Импульс переполнения через коммутатор 15 поступает на тактовый вход РПП 4, в котором фиксируется значение ц , вызвавшее переполнение. Та- КИМ образом, в реверсивном счетчике 11 производятся накопление и статистическая обработка нескольких состояний сигнала v . и в качестве ис0

0 5 0 5 0

Импульс одновибратора 12 временно блокирует элемент И 8, запрещая прохождение импульсов генератора 1 на реверсивный счетчик 11 и коммутатор 15. Длительность импульса одновибратора 12 выбирается равной времени окончания переходных процессов в ЦАП 3 после изменения кода в РПП 4. По окончании этого импульса в D-триггере 7 защелкивается сигнал Z, и происходит начальная yctaHOBKa реверсивного счетчика 11, в который заносится код 10 ... 00, если в этот момент сигнал v 1 и код 01... 11, если ( 0.

Рассмотрим случай, когда на очередном такте работы АЦП сигнал Z 1, т.е. величина ли попала в зону ±Ь. При этом коммутатор 15 подключит к тактовому входу РПП 4 выход реверсивного счетчика 11. На протяжении одного такта код в РПП 4 и сигнал ЦАП 3 U(,c не меняется, следовательно, разность между средним значением U у и сигналом и., является постол С

янной. Однако из-за наличия в сигнале и случайных помех возможно многократное изменение знака разности .ли за время такта и соответствующее изменение значения ц . Вероятность J фиксирования неверного отсчета ( (сбоя АЦП) возрастает с уменьшением величины I ли среди и с увеличением дисперсии помехи &.

Переключение коммутатора 15 на выход реверсивного счетчика 11 увеличивает длительность такта работы АЦП. За это время в триггере 6 послеповя- тельно фиксируется несколько выборок сигнала ц) , каждая из которых вызывает згвелигшние или уменьшение состояния реверсивного счетчика 11 на еди- ницу. Истинные значения сигнала

0

5

ляются более часто. Реверсивный счетчик 11, в начале такта установленный в среднее положение, через несколько периодов частоты генератора 1 переполнится, причем переполнение вызвано наиболее вероятным значением v. Импульс переполнения через коммутатор 15 поступает на тактовый вход РПП 4, в котором фиксируется значение ц , вызвавшее переполнение. Та- . КИМ образом, в реверсивном счетчике 11 производятся накопление и статистическая обработка нескольких состояний сигнала v . и в качестве ис10

iyii иильшил

и j И и ос мала. Дли-п

ППР ПЙПЯЧППЯНМСТ .

20

25

тинного выбирается значение , которое в течение такта чаще встречалось. За счет этого уменьшается ве- роятйость принятия неправильного реше с ния при занесении значения очередного разряда кода в РПП 4, т.е. повышается помехоустойчивость АЦП.

В случае, когда величина I4U|превышает величину порога Ь, сигнал Z на выходе триггера 7 принимает значение Z О, и коммутатор 15 переключается на выход элемента И 8. При этом статистическая обработка сигнала ( не производится, так как вероятность сбоя при больших рассогласованиях между

тельность такта преобразования в этом случае определяется одновибра- тором 12, так как первый импульс генератора 1 после окончания импульса одновибратора 12 произведет тактирование РПП 4.

Одновибратор 13 предназначен для контроля и ограничения длительности такта преобразования. При очень малых значениях (ли| значения вероятностей нулевого и единичного состояний сигнала ( близки друг к другу, за счет этого время такта увеличивается, и становятся возможными ситуации, когда вследствие чередования нулевых и единичных значений ц реверсивный счетчик 11 не может переполниться. Кроме того, снижается достоверность результатов статистической обработки сигнала ц). Одновибратор 13 запускается в момент нача- ла работы АЦП и перезапускается каждым импульсом, тактирующим РПП 4. Длительность импульса одновибратора 13 Ей выбирается равной максимально допустимой длительности одного такта работы А1Щ. Если импульс одновибратора 13 после начала такта успеет закончиться, то устанавливается триг гер 14, на шине готовности формируется единичный уровень, через элемент И 8 запреп1автся прохождение импуль- сов генератора 1, АЦП прекращает . работу до следзпощего импульса запуска.

Таким образом, процесс аналого-цифрового преобразования может закончиться за меньшее число тактов пораз- 5 рядного уравновешивания. Если же рассмотренная ситуация в процессе преобразования не возникла, работа АЦП заканчивается вьщачей сигнала на

выходе конца преобр после выполнения ал ного уравновешивани

Разрядность реве 11 должна выбиратьс буемого коэффициент мехи. Чем больше ра ка 11, тем большее тов сигнала f он мо и обработать, следо помехоустойчивость приведена зависимос подавления случайно 15 ла ра. зрядов п счетч

30

35

40

50

Значение частоты должно выбираться п спектральным характ Соседние отсчеты си руемые реверсивным должны быть независ тивность подавления Это условие выполня частоты генератора вал декорреляции по 1

Тг

1

где fр - частота ге

Tq - интервал д мехи.

Величина зоны не tb компаратора 5 вы из предполагаемой в Статистическая обра является нецелесооб вероятность сбоев А

очень мала. Оптимал при котором эффекти ния помехи, не сниж затраты времени ис значение Ь (2 ...

Максимально допу ность одного такта задаваемая длительн одновибратора 13 En, ющим образом. В усл на вход АЦП случайн ного вида с дисперс АЦП в первом приближ

выходе конца преобразования РПП 4 после выполнения алгоритма поразрядного уравновешивания.

Разрядность реверсивного счетчика 11 должна выбираться исходя из требуемого коэффициента подавления помехи. Чем больше разрядность счетчика 11, тем большее количество отсчетов сигнала f он может зафиксировать и обработать, следовательно, выше помехоустойчивость АЦП. В таблице 1 приведена зависимость коэффициента подавления случайной помехи от чис- ла ра. зрядов п счетчика 1 1.

20

Значение частоты генератора 1 должно выбираться по временным или спектральным характеристикам помехи. Соседние отсчеты сигнала v, фиксируемые реверсивным счетчиком 11, должны быть независимы, иначе :эффек- тивность подавления помехи снижается. Это условие выполняется, если период частоты генератора 1 превышает интервал декорреляции помехи 1

Тг

1

5

0

0

где fр - частота генератора 1;

Tq - интервал декорреляции помехи.

Величина зоны нечувствительности tb компаратора 5 выбирается, исходя из предполагаемой величины помехи (5. Статистическая обработка при /ли/ является нецелесообразной, так как вероятность сбоев АЦП в этом случае

очень мала. Оптимальным значением Ь, при котором эффективность подавления помехи, не снижается, а лийние затраты времени исключены, является значение Ь (2 ... 3) 6 . .

Максимально допустимая ддитель- ность одного такта преобразования, задаваемая длительностью импульса одновибратора 13 En, выбирается следу- ющим образом. В условиях воздействия на вход АЦП случайных помех нормального вида с дисперсией ( выходной код АЦП в первом приближении описывается

нормально распределенной случайной величиной с дисперсией 6 АЦП, причем 6д п // где /3 - коэффициент подавления помехи (таблица ). Если в процессе работы АЦП на каком- либо такте величина М U,- принимает значение меньтее, чем граничное значение 4Ur k.d , где k , 0,5 ... 1, то можно считать, что код, сформированный к этому моменту в РПП 4, с достаточной точностью оценивает величину входного сигнала и , а более точная оценка при продолжении работы АЦП не может быть получена. Следовательно, на этом такте надо заканчивать процесс преобразования. При известном значении помехи 6 и выбранной разрядности реверсивного счетчика 11 п среднее значение разности (и средняя продолжительность статистической обработки Трр связаны взаимно однозначно. На фиг. 4 изображена зависимость Трр от величины Z |диср 6для различных значений п. Из графика (фиг-, 4) определяется граничное значение , соответствующее гранично„ iMJrpI му значению Z

k//i .

Длительность импульса одновибратора 13 выбирается равной О, D ч- 1,р .

Например, при 5 мкс, k 1; п 4; f г 1 1ГЦ получаем /Ьдшн 5,3; Zrp-0,19; Т гр 45 мкс; У 1 50 мкс.

Проведение статистической обработки -отсчетов выходного сигнала компаратора 2 при приближении сигнала обратной связи к входному сигналу, когда .наиболее вероятны сбои АЦП при воздействии случайных помех, позволяет повысить помехоустойчивость преобразователя. Ограничение длительности тактов преобразования позволяет закончить работу преобразователя до завершения вьшолнения алгоритма поразрядного уравновешивания при достижении заданной точности.

Формула изобретения

1 о Аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый и второй компараторы, первые Bxojijji которых объединены и являются входной шиной, вторые входы объединены и подключены

к выходу цифроаналогового преобразователя, входы которого соединены с . соответствующими информационными выходами блока управления и являются выходной шиной, а вход установки блока управления объединён с входами сброса первого и второго триггеров и яв ляется шиной запуска, информаци0 онньй вход первого триггера соединен с выходом первого компаратора, два элемента ИЛИ, счетчик, генератор импульсов, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения быстро5 действия, в него введены элемент И, коммутатор, два одновибратора, третий триггер, а счетчик выполнен реверсивным, управляюпщй вход которого объединен с информационным входом

0 блока управления и подключен к выходу третьего триггера, информационный вход которого соединен с выходом второго компаратора, тактовый вход объединен с первым входом элемента И

5 и подключен к выходу генератора импульсов, второй вход элемента И соединен с инверсным вьЕходом второго триггера, третий вход объединен с входом синхронизации первого тригге0 ра, входом установки реверсивного счетчика и подключен к выходу первого одновибратора, вход которого объединен с первым входом первого элемента ИЛИ, с тактовым входом блока

5 управления и подключен к выходу коммутатора, первый информационный вход которого подключен к выходу переполнения реверсивного счетчика, второй информационный вход объединен с так0 товым входом реверсивного счетчика и подключен к выходу элемента И, а управляющий вход соединен с выходом первого триггера, информационный вход второго триггера через второй

5 одновибратор подключен к выходу первого элемента ИЛИ, второй вход которого является шиной запуска, прямой выход второго триггера соединен с первым входом второго элемента ИЛИ,

второй вход которого подключен к шине конца преобразования блока управления, а выход является шиной готовности.

-b

Ot Ut-b

LU

:

Cftig.

паи.

faa.l

0

цзиг.г

Ux-Uoc

H

.v

Ж

iWi Wwtjy

:

0.1

о.г м

.1

0,f 1.0 I t 2,01