Устройство для кодирования электрических сигналов Советский патент 1989 года по МПК H03M1/36 

JA.

Ut

(Л

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в системах дискретной передачи звуковых, телеметрических и других сигналов. И позволяет повысить быстродействие и точность. В устройство, содержащее аналого-цифровой преобразователь 5, регистраторы 8, 9, аналоговое запоминающее устройство 2, тактовым генератор 1 пилообразного напряжения, элемент 11 запрета, счетчик 7, введены измерительный дифференциальный усилитель 4, элементы 12, 14 запрета, элемент 13 задержки и элемент ИЛИ 10 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

- HMtaitt V ЛЫп,

Фв.1

315

Изобретение относится к импульс- ной технике и может быть использова но в системах дискретной передачи звуковых, телеметрических и других электрических сигналов.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности.

На фиг. 1 приведена функциональ- нал Схема устройстваj на фиг. 2 - функциональная схема блока управления; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема генератора пило образног о напряжения; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема аналогового запоминающего устройства; на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема измерительного дифференциального усилителя, на фиг. 6 - функциональная схема первого блока совпадения; на фиг. 7 - функциональная схема второго блока совпадения на фиг. 8 - временные диаграммы работы устройства, на фиг. 9 - зависимость разности между напряжениями генератора пилообразного напряжения и аналогового запоминающего устройства (2) между соседними импульсами.

Устройство для кодирования электрических Сигналов (фиг-. 1) содержит генератор 1 пилообразного напряжения аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) 2, тактовьп генератор 3, измерительный дифференциальный усилитель А, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 параллельного типа, блок 6 управления, счетчик 7, регистры 8,9,

элемент ИЛИ 10, элементы 11, 12 запрета, элемент 13 за;;ержки, элемент 14 запрета.

Блок 6 управ.чения (фиг. 2) содержит элементы 15-17 запрета, счетчики 18,-19, блоки 20, 21 совпадения, формирователь 22 импульсов, элемент 23 задержки.

Генератор 1 пилообразного напряжения (фиг. 3) содержит элемент ИЛИ-НЕ 24, транзисторы 25-21 стабилитроны 28, операционный усилитель 29, транзисторы 30, резисторы 31, транзистор 32, конденсаторы 33, стабилитроны 34, 35.

Аналоговое запоминающее устройств (фиг. 4) содержит элемент ИЛИ-НЕ 36, ключ 37, транзистор11| J8, резисторы 39, конденсатор 40, стабилитроны 41, 42.

94

Измерите л 1)НЫЙ дифференциальный усилитель (фиг. 5) состоит из операционных усилителей 43-46, резисторов (7-49, диода 50.

Блок 20 совпадения (фиг. 6) содержит элементы НЕ 51, элемент И-НЕ 52,

Блок 21 совпадения (фиг. 7) содержит элементы НЕ 53, элемент ИЛИ 54,

элемент И-НЕ 55.

Устройство работает следующим образом .

Входной аналоговьй сигнал U пос-, тупает на первый вход АЗУ 2 на второй

рход которого подается сигнал от блока 6 управления, открывающий ключ 37 АЗУ 2 на время, необходимое /ыя запоминания сигнала Uj-. Сигнал, открывающий ключ 37 АЗУ 2, подается также

и а первый вход генератора 1 (фиг.8б), открывая его транзистор 32, через внутреннее сопротивление которого происходит разряд конденсатора 33 до исходного значения. В момент закрЫвания ключа 37 АЗУ 2 и ключа 32 генератора 1 на второй вход 1 енератора 1 через элемент 14 запрета из блока 6 управления подается сигнал (фиг. 8в), открывающий транзистор 26 переключателя тока. Ключ, образованный транзисторами 25,26, выполнен по схеме переключател я тока. Состоянию откры-; того ключа соответствует в данном случае ситуация, когда транзистор 26

открыт, а транзистор 25 закрыт. Сос- тояншо закрытого ключа соответствует противоположная ситуация. Через переключатель тока конденсатор 33 генератора 1 заряжается постоянным током

от генератора тока, включающего транзистор 27, стабилитрон 28 и операционный усилитель 29. Одновременно на первый вход счетчика 7 (фиг. 8з) и второй вход АЦП 5 (фиг. 8и) начинают

поступать тактовые импул|зсы из 6 через элементы 13,11,12 соответственно. Сигналы с выходов АЗУ 2 и ге- нератора 1 подаются на входы измерительного дифференциального усилителя

С выхода измерительного дифференци- альног о усилителя 4, что соответствует состояниям сигналов на входах уси-, лителя 4, при которых сигнал с выхода генератора 1 по абсолютной величине

превышает сигнал с выхода (фиг. 8е).

Коэффициент усиления усилителя 4 выбирается с таким расчетом, чтобы максимальная разность, которая может возникнуть на его П1.гходе и, сле)до вательно, на первом входе АЦП 5 за время между моментом равенства нап- ряжений на входах усилителя 4 и моме том следующего после этого тактового импульса на втором входе АЦП 5, соответствовала максимальному значению входного си) нала, выбранног о АЦП 5.

Поясним необходимость использова- НИН инверсных кодов с выхода АЦП.

Момент совпадения напряжений на входах измерительного дифференциального усилителя А может совпадать с тактовым импульсом на втором входе АЦП 5 или возникает в любой момент времени между соседними тактовыми импульсами (фиг, 9а,б).

Тактовые импульсы, поступающие на счетный вход счетчика 7, должны быть задержаны по отношению к тактовым импульсам, поступающим на тактовьш вход АЦП 5, на время, которое обеспечивает возможность непоступления тактового импульса, фиксирующего первое появление единиц на выходе АЦП 5, на вход счетчика, для чего служит элемент 13 задержки. Величина указанной задержки зависит от элементной базы, применяемой для реализации пред лагаемого устройства. Рассмотрим работу блока 6 (фиг. 2) в комплексе с работой устройства. Импульсы с выхода

Рассмотрим предельный случай, когда ситуация совпадения напряжений 25 тактового генератора 3 (фиг. 8а) поена входах измерительного дифференци- тупают на вторые входы элементов 15- ального усилителя возникает одновременно с тактовым импульсом АЦП (с моментом фиксации состояний компара30

торов АЦП в его выходном регистре (фиг. 9а). Это означает, что младшие разряды выходного кода равны нулю, т.е. выходной код определяется количеством тактовых, импульсов, просчитанных счетчиком 7 до момента совпадения напряжений на входах измерительного дифференциального усилителя 4. Однако в этом случае появление кода, отличного от нуля,, на выходе АЦП 5 может возникнуть только с подачей следующего тактового импульса на тактовый вход АЦП 5. При указанном выше согласовании коэффициента усиления измерительного дифференциального усилителя А с диапазоном входного напряжения АПЦ 5 напряжение на выходе усилители изменяется на величину, соответствующ то максимальному значению входного напряжения АЦП 5, что приводит к появлению единиц сразу во всех разрядах кода АЦП 5. Но, как уже указывалось выше, младшие разряды выходного кода должны быть равны нулю. Следовательно, коды с выхода АЦП 5 необходимо брать с инверсией. Другими словами, код АЦП, характеризующий превышение сигнала генератора 1 над входным сигнала и между моментом совпадения этих

35

40

17 запрета. Пусть счетчики 18 и 19 обнулены. В этом случае сигнал с первого выхода блока 20 совпадения (фиг. 8б) разрешает прохождение импульсов тактового генератора через элемент 15 на первыи вход счетчика 18, а сигнал с вторО1 о пыхода блока 20 (фиг. 8в), который является инверсным по отношению к сигналу, взятому с первого выхода, запрещает прохождение импульсов т 1ктового генератора на первьп вход счетчика 19 через элемент 17. Код совп.чения на блоке 21 выбирается в зависимости от точности измерения сче1иым методом. Например, при шестнад1датиразрядном аналого-цифровом преобразовании восемь старших разрядов кода можно определить счетным методом, а восемь младших - с помощью восьмиразрядного параллельного .АЦП. В указанном случае код совпадения на блоке 2| соответствует числу 256 в двоичном коде. В

50 других вариантах построения устройства это число может быть изменено. Код совпадения на блоке 20 выбирается из соотношения временных интервалов: интервала, необходимого для

ее запоминания отсчета преобразуемого сигнала, и интервала, необходимого для измерения сигнала. При появлении на выходах счетчика 18 кода сов падения на первом выходе блока 20

45

-Q 15

12696

напряжений пл иьгходлх измерительного диф4 еренциальнс1го усилителя и первым

тактовым импульсом, фиксирующим это

г превышение вЛЦП 5, соответствует значению, которое необходимо вычесть из максимального значения кода АПЦ 5, а результат такой разности является инверсным кодом.

Тактовые импульсы, поступающие на счетный вход счетчика 7, должны быть задержаны по отношению к тактовым импульсам, поступающим на тактовьш вход АЦП 5, на время, которое обеспечивает возможность непоступления тактового импульса, фиксирующего первое появление единиц на выходе АЦП 5, на вход счетчика, для чего служит элемент 13 задержки. Величина указанной задержки зависит от элементной базы, применяемой для реализации предлагаемого устройства. Рассмотрим работу блока 6 (фиг. 2) в комплексе с работой устройства. Импульсы с выхода

20

25 тактового генератора 3 (фиг. 8а) поетупают на вторые входы элементов 15- тактового генератора 3 (фиг. 8а) поетупают на вторые входы элементов 15-

17 запрета. Пусть счетчики 18 и 19 обнулены. В этом случае сигнал с первого выхода блока 20 совпадения (фиг. 8б) разрешает прохождение импульсов тактового генератора через элемент 15 на первыи вход счетчика 18, а сигнал с вторО1 о пыхода блока 20 (фиг. 8в), который является инверсным по отношению к сигналу, взятому с первого выхода, запрещает прохождение импульсов т 1ктового генератора на первьп вход счетчика 19 через элемент 17. Код совп.чения на блоке 21 выбирается в зависимости от точности измерения сче1иым методом. Например, при шестнад1датиразрядном аналого-цифровом преобразовании восемь старших разрядов кода можно определить счетным методом, а восемь младших - с помощью восьмиразрядного параллельного .АЦП. В указанном случае код совпадения на блоке 2| соответствует числу 256 в двоичном коде. В

других вариантах построения устройства это число может быть изменено. Код совпадения на блоке 20 выбирается из соотношения временных интервалов: интервала, необходимого для

запоминания отсчета преобразуемого сигнала, и интервала, необходимого для измерения сигнала. При появлении на выходах счетчика 18 кода сов падения на первом выходе блока 20

появляется сигнал, запрещающий дальнейшее прохождение импульсов тактового генератора за первый вход счетчика 18. В то же время на втором выходе блока 20 появляется сигнал, разрешающий прохождение импульсов тактового генератора через элемент

17 на первый вход счетчика 1,9. Одновременно импульсы с выхода элсмен- та 17 блока 6 поступают на элемент 1 и через элемент 13 , на элемент 11. С выхода элемента 11 импульсы поступают на первый вход счетчика 7 (фиг. 8и), а с выхода элемента 12 - на вто рой вход ЛЦП 5 (фиг. 8з). На-первые входы элементов 11 12 поступает сигнал запрета (фиг. 8ж). При появлении хотя бы одной единицы (если рассуждать по отношению к инверсному коду, то хотя бы одного нуля) в выходном коде АЦП вырабатывается сигнал запрета (фиг. 8ж). По этому сигналу прекращается подача импульсов тактового генератора на АЦП 5 и счетчик 7. Од- новременно этим же сигналом через элемент 14 прекращается заряд конденсатора 33 генератора 1, что предотвращает перегрузку АЦП 5 по входу. При появлении на выходах счетчика 19 кода совпадения на выходе блока 2 появляется сигнал, разрешающий прохождение импульса тактового генератора через элемент 16 на вторые входы счетчиков 18, 19. Этим импульсом счетчики 18, 19 сбрасываются в нулевое состояние (фиг. 8д). Затем цикл работы блока управления повторяется и т.д. На выходах блоков 20, 21 вырабатываются сигналы, предназначен- ные для управления работой АЗУ 2 и генератора 1. Выходной код получается следующим образом. Старшие разряды кода представляют собой количество Импульсов, просчитанных счетчиком 7 до момента совпадения напряжения с выхода генератора 1 пилообразного напряжения и сигнала с выхода АЗУ 2, а младшие разряды - инверсный код с выхода АЦП 5, соответствующий величине превышения напряжения с выхода генератора пилообразного напряжения над сигналом с выхода АЗЦ 2 за интервал между моментом совпадения значений напряжений и моментом следующего тактового импульса. Опросные импульсы, поступающие на регистры 8, 9, формируются формирователем 22 (фиг. 8г). Начало этих импульсов

доллио С1;1и1адать с началом временных интервалов, предназначенных для запоминания отсчета сигнала.

Лмпульсы, поступающие на второй вход счетчика 7, которые предназначены для установки счетчика в нулевое состояние (фиг. 8д), задержаны по отношению к импульсам, поступающим на опрос регистров 8,9 (фиг.Вг) в элементе 23 блока 6. Величина задержки должна соотвествовать длительности импульса опроса регистров 8,9.

Усилитель 4 (фиг. 5) работает следующим образом.

, Усилители 43, 44 работают в режиме повторителей напряжения. Высокие входные сопротивления усилителей 43,

44 и одном случае предотвращают разряд конденсатора 40 в АЗУ 2 в период времени хранения отсчета сигнала, в другом - ухудшение линейности выходного напряжения генератора 1, пилообразного напряжения. Операционный усилитель 45 служит для усиления раз- йости между напряжениями, поступаюпр - ми от АЗУ 2 и генератора 1. Коэффициент усиления операционного усилителя 45 зависит от максимального значения величины входного напряжения. Величина грубой градации (величина градации при аналого-цифровом преобразовании счетно-импульсным Методом) составит

JU

UBX.

tn

Р log.m

где Ug - максимальное значение

входного сигнала Л m - число разрядов кода при

аналого-цифровом преобразовании счетно-импульсным методом.

Коэффициент усиления операционного усшштеля 45 составит

™У§«-Й 4.2,

аи

гр

где и. п АЦП максимальное напряжение на входе параллельного АПЦ.

Указанньш коэффициент усиления операционного усилителя 45 задается с помощью резисторов 47,48, Резистор 49-1 выбирается по величине таким же, как и резистор 48, и служит .для получения идентичных входных цепей операционного усилителя 45. Операци онный усилитель 46 работает в режиме повторителя напряжения и служит дляполучения низкого ьыходного сопротивления измерительного дифференциального усилителя, обеспечивающего работу на входную емкость параллельного АЦП 5. Диод 50 служит для ограничения положительных разностей, возникающих на выходе операционного усилителя 45, что предотвращает перег-рузку по входу параллельного АЦП 5. Стабилизацию дрейфа нуля дифференциального усилителя необходимо поддерживать в пределах половины младшей градации результирующего аналого-цифрового преобразования.

Формула изобретени

Г. Устройство для кодирования электрических сигналов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первый и второй регистры, аналоговое запоминающее устройство, первый вход которого является входной шиной, последовательно соединенные тактовый генератор и блок управления, первый выход которого подключен к первому входу генератора пилообразного напряжения и второму входу аналогового запоминающего устройства, последовательно соединенные первый элемент запрета и счетчик, второй и третий выходы блока управления подсоединены соответственно к второму входу счетчика и к первым входам первого и второго регистров, а вторые входы первого и второго регистров соединены соответственно с выходами счетчика и аналого-цифрового преобразователя, выходы первого и второго регистров являются соответственно первой и второй выходными шинами, отличающееся тем что, с целью повышения быстродействия и точности, в него введены измерительный дифференциальный усилитель второй и третий элементы запрета, элемент задержки и элемент ИЛИ, входы которого подключены к соответствующим выходам аналого-цифрового преобразователя, а выход - к первым входам первого, второго и третьего элементов запрета, второй вход первого

10

15

269 О

элемента запрета соединен с выходом элемента задержки, вход которого объединен с вторым входом второго элемента запрета и подключен к четвертому выходу блока управления, пятый выход которого подключен к второму входу третьего элемента запрета, выход которого подключен к второму входу генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к первому входу измерительного дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к выходу аналогового запоминающего устройства, а выход - к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого подключен к выходу второго элемента запрета.

5

0

5

0

5

0

Г

Вход,

ir

L.,

Tl

I

Фиг. 2

Фиг.З

Г

f

39

1 39 39 39

J

Фиг.

Фиг. 5

фаеб

UruAnn

n п p p П П П П П П. /

гп,и

фиэ.З