Аналого-цифровой преобразователь считывания Советский патент 1979 года по МПК H03K13/03 

1

Изобретение относится к цифровой измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых измерительных установках и системах для цифрового измерения (кодирования) сигналов напряжения в широком диапазоне их уровня и спектра.

Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) параллельного считывания с поразрядным распространением сигнала . Он содержит ряд каскадов сравнения - компараторов кодируемого и опорного напряжений, каждый из которых формирует весовой ток для соседних каскадов более младших разрядов, пропорциональный разности сравниваемых сигналов. Весовые токи преобразуются специальными элементами в опорные напряжения.

Недостатком этого устройства является пониженное быстродействие при расширении диапазона уровней измеряемой величины, так как при этом требуется дополнительное время на анализ и выбор предела измерения.

Наиболее близок к изобретению по технической сущности АЦП, содержаш,ий ряд кодируюш;их каскадов, каждый из которых включает в себя группу параллельно соединенных измерительных компараторов и работает по методу считывания, а сами каскады .соединены между собой последовательно 2.

К недостатку данного устройства также относится снижение его быстродействия с

расширением диапазона уровней измеряемой величины. Кроме того, с увеличением числа уровней квантования суш;ественно возрастает, в соответствии с разрядностью выходного кода предыдущего каскада, количество преобразователей кода в напряжение в каждом данном каскаде, формирующих опорное напряжение для отдельных компараторов в этом каскаде.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства в широком диапазоне уровней измеряемой величины.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь считывания, содержащий группу декад измерительных компараторов, измерительные входы которых соединены параллельно и подключены к входному зажиму устройства, преобразователи единичного кода в напряжение, соединенные последовательно,

генератор тактовых импульсов, кодовый регистр и блок накопления и отображения данных, соединенный с генератором тактовых импульсов и кодовым регистром, введены масштабный делитель, включенный

между входным зажимом и общей шиной,

масштабные компараторы, каждый из которых измерительным входом подсоединен к соответствующей стзпени масштабного делителя, источник образцового сигнала, ключевой элемент, соединенный соответствующими входами с генератором тактовых импульсов и источником образцового сигнала, а выходом - с опорным входом каждого масштабного компаратора, цифроаналоговый источник опорного напряжения, к каждому из входов которого подключен своим выходом соответствующий масштабный компаратор, декадный делитель, включенный между выходом цифроаналогового источника опорного напряжения, к которому также нодключен первый из последовательно соединенных преобразователей единичного кода в напряжение, и обшей шиной, щунтируюшие ключевые элементы и десятичные делители. Каждый из десятичных делителей включен между выходом соответствующего преобразователя единичного кода в напряжение и общей шиной, к ступеням декадного делителя и к части ступеней каждого из десятичных делителей подключены декады измерительных компараторов, а к остальным ступеням десятичных делителей - шунтирующие ключевые элементы. Входы шунтирующих ключевых элементов соответствующих ступеней десятичных делителей соединены параллельно между собой, а также с входами соответствующих преобразователей единичного кода в напряжение и выходами измерительных компараторов соответствующих декад. Выходы одной из декад измерительных компараторов по}1ключены к кодовому регистру, соединенному также с кодовыми выходами преобразователей единичного кода в напряжение и цифроаналогового источника опорного напряжения.

Функциональная схема устройства приведена на чертеже.

Она содержит входной зажим 1 устройства, ступени 2 масщтабного делителя, масштабные компараторы 3, ключевой элемент 4, источник 5 образцового сигнала; генератор б тактовых импульсов; цифроаналоговый источник 7 опорного напряжения; ступени 8 декадного делителя,, декаду 9 компараторов (старшую декаду), преобразователь 10 единичного кода в напряжение (ПЕКН старшей декады) с входом И опорного напряжения, шунтирующие ключевые элементы 12, ступени 13, 14 (R и 10- /) десятичного делителя, декаду 15 компараторов (вторую декаду), преобразователь 16 единичного кода в напряжепие, ступени 17-19 (R, 10- R и IQ- R) десятичного делителя, декаду 20 компараторов (третью декаду), преобразователь 21 единичного кода в напряжение, ступени 22-25 (R, 10- R,..., , 10-(-1) R) десятичного делителя, декаду 26 компараторов (младшую декаду), кодовый регистр 27 с

входами 28 сигналов кода (п-1) старших декад и предела измеряемой величины, блок 29 накопления и отображения данных с входом 30 сигналов считывания кода, общую шину 31. Позицией 32 на чертеже обозначен кодовый выход цифроаналогового источника 7, а позицией 33 - кодовый выход ПЕКН.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемая (кодируемая) величина U, поступающая на входной зажим 1, передается непосредственно на компараторы всех декад 9, 15, 20,..., 26, а через ступени 2 масштабного делителя одновременно и на масштабные компараторы 3. Число ступеней масштабного делителя выбирают исходя из требуемого количества пределов измерений, а соотношение величин ступеней - в соответствии со значением младшего предела.

По сигналу генератора 6 тактовых импульсов через стробируемый ключевой элемент 4 на опорный вход всех масштабных компараторов 3 подается напряжение источника 5 образцового сигнала, равное младшему пределу измерений. Измеряемая величина распределяется по масштабным компараторам 3 в соответствии со ступенями 2 делителя, уменьшаясь в направлении масштабного компаратора наибольшего из пределов, подключенного к последней ступени масщтабного делителя. Так как в устройстве операции выполняются с десятичным позиционным (параллельным единичным) кодом, то ступени масштабного делителя целесообразно выбирать равными R, IOR, 102, ..., , где k - число пределов измерения, представляющее собой натзфальный ряд.

При сравнении измеряемого напряжения Ux- с образцовым напряжением источника 5 часть масштабных компараторов 3, в соответствии с пределом измеряемой величины, срабатывает и переключает цифроаналоговый источник 7 опорного напряжения таким образом, что на его выходе появится напряжение Uap, равное пределу измеряемой величины. Напряжение f/np, распределяется ступенями 8 декадного делителя, равными R, по компараторам декады 9 и сравнивается с измеряемым. Уровень напряжения каждой ступени декадного делителя отличается от соседней на квант 0,1 С/пр. При сравнении напряжения /х в компараторах декады 9с напряжением f/np часть компараторов срабатывает, их количество равно значению Ki старшего десятичного разряда измеряемой величины, где /Ci l, 2, ...,9.

Параллельный единичный код старшей декады, равный ki, передается на преобразователь 10 единичного кода в напряжение старшей декады, опорным напряжением которого является Um) - выходное напряжение цифроаналогового источника 7, и преобразуется в напряжение f/on. S О Л f/np + (О, ) - t/,,p (k, + l)., где (0,1 f/пр)-начальный . выходной уровень напряжения ПЕКН 10. Таким образом, напряжение Uon равно величине измеряемого напряжения, округленной до ближайшего целого значения старшего разряда (i-H).lO-i С/пр. Все преобразователи 10, 16, 21 являются однодекадными, при этом ступени декады каждого ПЕКН более младшего разряда уменьшаются на порядок по сравнению со ступенями ПЕКН предшествующего старшего разряда. Выходное напряжение ПЕКН каждой предыдущей декады - опорное для ПЕКН последующей более младшей декады. К выходу ПЕКН каждой декады подключен десятичный делитель, к ряду ступеней которого (декаде ступеней) своим опорным входом подсоединены декады измерительных компараторов. Таких групп декад 15, 20..., 26 компараторов вместе с группой 9 компараторов, в АЦП содержится всего п по числу десятичных разрядов младшего предела измерений. Первая группа 9 компараторов, как указывалось, формирует сигналы кода старшей декады и подключена к десятичному делителю со ступенями R (8). Вторая группа 15 компараторов формирует сигналы кода второй старшей декады и подключена к десятичному делителю со ступенями, на порядок меньшими и равными 10 R (14). Компараторы п-й группы, формирующие сигналы кода младшей декады, соединены со ступенями ) R (25) соответствующего десятичного делителя. Каждая из декад ступеней от 10- R до IQ-(n-i) f с подключенными измерительными компараторами является, в свою очередь, дискретизованной ступенью (с указанным шагом дискретности) соответствующего соседнего более старшего номинала данного десятичного делителя. При этом первый из п-1 десятичных делителей содержит 9 последовательных ступеней 13 по J, к каждой из которых параллельно подключен шунтирующий ключевой элемент 12, и декадную дискретизованн Ю ступень 14 с щагом 10- R. Второй десятичный делитель содержит 9 ступеней 17 по и 9 ступеней 18 по R, зашунтированных ключевыми элементами 12, и дискретизованную ступень 19 с шагом 10 R, а последний десятичный делитель, на выходе ПЕКН 21 предпоследней младшей декады кода, имеет последовательные цепочки по 9 последовательно соединенных ступеней R (22), 10-1 R (23) 10-(-2) R (24), также шунтированных ключевыми элементами 12, и декадную дискретизованную ступень с шагом 10-(-1) R (25). В исходном состоянии все шунтируюшие ключевые элементы 12 замкнуты. Ключевые элементы 12, подключенные к ступеням одного номинала десятичных делителей, своими входами зправления подсоединены параллельно к выходам соответствующих измерительных компараторов в цепях дискретизованных ступеней того же номинала, т..е. ключевые элементы 12 ступеней R - 13, 17, 22 всех десятичных делителей параллельно подключены к компараторам (9) в цепях соответствз юших ступеней R (8) декадного делителя, ключевые элементы 12 ступеней 10 R (23) всех десятичных делителей - к компараторам (15) соответствующих ступеней десятичного делителя на выходе ПЕКН 10, вплоть до ключевых элементов ступеней 10(-) R. На выходе каждого 1-го ПЕКН, где г 1,2, ..., (п-I), в процессе измерения последовательно устанавливаются напряженияОП, (,1)- 10 -(, + ) X lO-f/np, (0 каждое из которых равно измеряемому, увеличенному на уровне 1-го разряда до его ближайщего большего целого значения, равного (/С, + 1) (UnpKi - код десятичного разряда г-й декады может принимать значения от I до 9). Указанное увеличение в декаде обеспечивается предварительной установкой соответствующего начального выходного уровня каждого ПЕКН. Напряжение на выходе г-го ПЕКН устанавливается сигналами измерительных компараторов соответствз ющей группы. Этими же сигналами отпираются связанные с данными компараторами ключевые элементы 12 и тем самым деблокируются соответствующие ступени десятичных делителей. Число открытых ступеней номинала от R до 10-(- R в десятичном делителе, подключенном к выходу ПЕКН i-й декады, оказывается равным соответственно ki, k, ..., ki, ...Ji(, благодаря чему напряжение па выходе f-ro ПЕКН распределяется по ступеням подключенного к нему десятичного делителя всегда с постоянным приращением на каждой ступени (относительно соседней), равным t/np на ступени R, t/np-10-2 на ступени lO-i R, f/пр Юна ступени , а на дискретизованной ступени делителя с шагом lQ- R приращение на дискретной составляет f/np 10-(. На дискретной ступени 25 с номиналом ) приращение равно кванту f/np-lO- 5, т. е. единице младшей декады кода.

7

Таким образом, благодаря поразрядной подстройке (адаптации) десятичных делителей под значение измеряемой величины обеспечивается постоянство опорного уровня на входе каждого измерительного компаратора, пропорционального кванту и равного весу единицы кода соответствующей декады. Это позволяет производить (разряд за разрядом) параллельное сравнение в каждом разряде набора сигналов из декады постоянных опорных уровней с уровнем, соответствующим значению данного десятичного разряда (декады) измеряемой величины. Формирование набора опорных уровней для каждого декадного делителя с измерительными компараторами происходит последовательно во времени с интервалом, равным времени переключения ПЕКН предыдущей декады.

На выходе ПЕКН 21 устанавливается напряжение, равное измеряемому с точностью до предпоследней младщей декады, при этом компараторы (26) формируют число сигналов - код, соответствующий значению младщей декады измеряемой величины. Этот код, совместно с сигналами кода ,вход 28 регистра 27), соответствующими пределу измеряемой величины (кодовый выход источника 7) и значениям п-1 ее старщих разрядов (кодовые выходы ПЕКН 10, 16, 21) по команде генератора б из регистра 27 передается в блок 29.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом увеличено быстродействие в щироком диапазоне изменения уровней измеряемой величины и спектра.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь считывания, содержащий группу декад измерительных компараторов, измерительные входы которых соединены параллельно и подключены к входному зажиму устройства, преобразователи единичного кода в напряжение, соединенные последовательно, генератор тактовых импульсов, кодовый регистр и блок накопления и отображения данных, соединенный с генератором тактовых импульсов и кодовым регистром, о тличающийся тем, что, с целью повыщения быстродействия в щироком диапазоне уровней измеряемой величины, в него вве8

дены масщтабный делитель, включенный между входным зажимом и общей шиной, масщтабные компараторы, каждый из которых измерительным входом подсоединен

к соответствующей ступени масщтабного делителя, источник образцового сигнала, ключевой элемент, соединенный соответствующими входами с генератором тактовых импульсов и источником образцового сигнала, а выход ключевого элемента соединен с опорным входом каждого масщтабного компаратора, цифроаналоговый источник опорного напряжения, к каждому из входов которого подключен своим выходом

соответствующий масщтабный компаратор, декадный делитель, включенный между выходом цифроаналогового источника опорного напряжения, к которому также подключен первый из последовательно соединенных преобразователей единичного кода в напряжение, и общей щиной, щуитирующие ключевые элементы и десятичные делители, каждый из которых включен между выходом соответствующего преобразователя

единичного кода в напряжение и общей шиной, к ступеням декадного делителя и к части ступеней каждого из десятичных делителей подключены декады измерительных компараторов, к остальным ступеням

десятичных делителей подсоединены шунтирующие ключевые элементы, входы шунтирующих ключевых элементов соответ-ствующих ступеней десятичных делителей соединены параллельно между собой, а

также с входами соответствующих преобразователей единичного кода в напряжение и выходами измерительных компараторов соответствующих декад, а выходы одной из декад измерительных комнараторов подключены к кодовому регистру, соединенному также с кодовыми выходами преобразователей единичного кода в напряжение и цифроаналогового источника опорного напряжения.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 226975, кл. Н ОЗК 13/03, 1968.

2.Гитис Э. И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. М., «Энергия, 1975, с. 316-320, рис. 7-11 б, в.