Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1979 года по МПК H03K13/17 

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

блока управления, а выход через цифроаналоговый блок соединен с входом блока управления.

Структурная электрическая схема предлагаемого преобразователя приведена на чертеже.

Устройство содержит усилитель / с коэффициентом передачи, равный единице (выполняет роль суммирующего звена), преобразователь 2 напряжения в ток, лияейный (l,K.iU (/,, - ток на выходе преобразователя 2, К - коэффициент пропорциональности, И - напряжение на входе преобразователя), конденсатор 3, согласователь 4 импедансов с большим входным сопротивлением, ключи 5 и 6, входное устройство 7, для формирования сигналов с заданной длительностью, плоской вершиной и с сохранением амплитуды, ключ 8, связывающий вход усилителя / и выход повторителя 4, блок 9 генераторов эталонных токов (величина зырабатываемых токов соответственно равна -hi; -1; 2 1; -2 1, где п - число разрядов измеряемого сигнала), блок 10 выбора режима измерения, служащий для задания одного из режимов измерения в зависимости от ситуации в измерительном тракте и вида информации, блок // синхронизации, служащий для синхронизации режимов (алгоритмов) работы всего устройства, (вырабатывает синхроимпульсы с периодом ), блок 12 управления, служащий для управления всеми блоками, блок 13 пересчета и вывода кода (служит в качестве адресного регистра счетчика синхроимнульсов сумматора и блока вывода кода), блок 14 дискриминаторов, служащий для оценки величины а мплитуды (имеет т дискриминаторов уровней, пороги которых расположены от «О до L/i,,ax через равные промежутки напряжения Af/n U,,, где Аи„-промежуток между двумя соседними порогами), блок 15 -коррекции эталонов (служит для коррекции величины эталонов в режиме коррекции), бло.к 16 коррекции коэффициента умножения (коэффициента преобразования U - /„). Ключи /7 и 18 служат для подачи измеряемых сигналов на вход усилителя, ключ 19 служит для реализации операции инвертиро|зания в алгоритме преобразования. Блок 20 коррекции нулевого уровня, вырабатывает напряжение, которое подается на вход усилителя / и компенсирует погрешность нулевого уровня, блок 21 коррекции коэффициента преобразования вырабатыва сигнал, процорционально которому меняется период следования синхроимпульсов А/. Цифро-аналоговый блок 22, вырабатывает набор команд, в соответствии с которым блок управления 12 преобразует код (|на входе блока 22) и соответствующее напряжение на конденсаторе 3, блок 23 усреднения вырабатывает цифровой код

(число ступенек), в соответствии с которым смещается по (щкале амплитуд) данный измеряемый сигнал. Преобразователь также содержит блок 24 управления эталонами, ключи 25, 26, 27 - дискриминатор 28 знака (служит для определения знака измеряемого сигнала), блок 29 индикации знака измеряемого сигнала, блок 30 выбора и управления режимов коррекции. Коммутатор 31 включает в себя все ключи и служит для коммутирования аналоговых сигналов. Блок 32 коррекции включает в себя блоки 15, 16, 20, 21, 30), блок 33 синхронизации и обработки кода включает блоки //, 13, блок 34 определения знака включает в себя блоки 28 и 29, блок 35 эталонов включает блоки 24 и 9, интегратор 36 служит для накопления зарядов, наиболее простой его реализацией является использава.Н|ие конденсатора 3.

Работа устройства основана на том, что при строго фиксированном отрезке времени М можно произвести с зарядом Q на конденсаторе 3 операции вычитания эталона и умножения разности на коэффициент К (в случае преобразования измеряемого сигнала но методу умножения остатков К-2). Для этого необходимо на выход усилителя / поставить преобразователь 2, выход которого подсоединен к конденсатору 3, который через согласователь 4 соединен со входом усилителя 1.

В исходиом состоянии открыты, в зависимости о-г полярности измеряемого сигнала, ключи 5 (при -f-t/мзм), или 6 (при .:,s,). Входной сигнал б ,;,,„, сформированный по форме во входном устройстве 7 подается через усилитель / на вход преобразователя 2, который заряжает конденсатор 3 за .время А/о ДО .напряжения /.,., пропорционального измеряемому. После этого ключи 5, 6 размыкаются, а 8 замыкается. Кроме того, к конденсатору 5 подключается ток от блока 9. За последующий промежуток времени A/i исходный заряд .x С на конденсаторе 3 изменится на величину Qi /pA/i, где /р -величина тока генератора 9, и на величину AI/I, где fn - ток преобразователя 2, /п Q (/) К/С, где Q (t) - заряд на емкости в момент времени t. Таким образом, заряд на емкости во времени будет меняться в соответствии с соотношением Q(t) Qo+Qi(0 +Q2(0 Qo - IP t + + Q(0 К t/C. За заданный промежуток времени Аг заряд изменится на величину (A/) Qo-Q3T+ Q(AO К tlC, где Q.з Отсюда для частного случая

л/л л QO

(1) -1

Для того, чтобы процесс преобразования происходил по методу умножения остатков, необходимо, чтобы к концу (второго) проме хутка А/о величи}1я Q(Ai) стпла равной (Qo-Q:,. ) 2. Приравнивая данную величину выражению (1), найдем требования к значению величины К Л//С Т. Л//С- 0,5 в случае выполнения соотнош:а1 я (2) к концу второго промежутка Бремени Ага заряд на конденсаторе 5 станет разньм Q,. (Qo-Q-.,)- 2. Для заниси разрядной цифры необходимо онределить в конне этого же промежутка времени величину ванряжения на конденсаторе 3, причем, записывается разрядная цифра - единица, если L,../C О и в этом случае снова включается /р, либо записывается ноль, при (в этом случае включается + /Р). Далее процесс кодирования новторяется до получения п-разрядного двоичного кода. Как видно из алгоритма работы, заряд на конденсаторе 3 никуда не передается, и весь процесс преобразования происходит на одном конденсаторе 3, что полностью исключает погрешности, связанные с передачей заряда с одного конденсатора на другой (погрешности переключения). Для улучшения стабильности и увеличения функциональных возможностей предусмотрены следующие режимы работы преобразователя: работа по методу умножения остатков, работа по методу амплитудно-временпой трансформации (метод Вилкенсона), работа по методу амплитудно-временной трансформации е двумя шкалами - грубой и точной (метод разряда двумя токами), работа по методу ппраллельно-последозатгльного преобразозакия. по методу Kopp-Kiuni . :оррекция коэффициента умноженпл; коррекция чулсзой линии, KoppeKiuiH коэфф циект преобразования, выч1ггап;то гьсдестала (нулезого уровня), работа j режиме ци-фро-аиалового преобразоваакя, ; Среднение по методу сдвигающейся шкалы. Указанные режимы устройство реализует бгз перестройки аналоговой части, т.е. без iiri jceirnH дополнительных погреплностей (н-аопред-еленноетей), связанных с перестройсой структуры аналого-цифрового преобразователя. Данный преобразователь предназмачен для работы с спектрометрах, адаптируюш.ихся к потоку информации (сигналов) и условиям эксперимента. Примьрол подобной ситуации является элементмыл англиз вешестза по нескольким nHiic. В STOM случае взсь диапазон энергий (тлгпллтуд) разбивается на еле;г1отц:;е участ::н: наиболее ин сг-есиые, где необходимые наибольшая точность измерения; учас к;- со средней точностью излшрения - для оценки изменения ситуации (распределения пиков); участки с низкой TO-Iноетыо для оценочных характеристик спектра (например, определения величины фоС y;.;eiib: :ev.iieM точности время преобра В лпя можно уменьшить, что позволяет рационально использовать время экспериfvicvna. Рсясим измерения в этом случае определяется блоком 10. Если сигнал попал в первый участок, то его вел5гч П1а измеряется по методу Вилкенсона. В этом случае после заряда конденсатора 3 до напряжения U. ключ 8 остается разомкнутым, блок 11 через блок 12 включает блок 9 и разблокирует вход блока 13, который содержит счетчик нмпульеов. Счетчик считает тактовые пммульеы до момента разряда коиденсатора ;:,о нуля. Момент разряда конденсатора до нуля определяется блоком 14. Если устройство переводится в режим преобразования с двумя шкалами, то после заряда конденсатора 5 до напряжения L-t ключ 8 также остается разомкнутым, а блок 10 (через блок управления /2) подключает блок 9 и разблокирует вход блока /5. При этом единичный код записы вается в старшие разряды счетчика. После разряда кондепеатора до уровня .vniax2 в момент прихода очередного тактового импульса блок 9 отключается и уетроГ;ство переводится в режим умножения оставшегося напряжения на конденсаторе до величины t;..,,., :. В этом случае клю-: о замыкается и напряжение на конденсаторС возрастает за каждый промежуток времени А/(время между двумя тактовыми импульеами) з два раза. Через п тахтпз напряжение ка конденсаторе возрастает ;,о ь:очины LJ после чего C;i(ia ЛСДА.;.;:. а такто:;ые ил:11 льсы зпиисываютсяв младшие разряды C4oT-niv;a блока /3. При переводе устройства в реяс.ш измерения по методу параллельно-последовательного преобразования, после заряд конденсатора до напряжения LJ. блок 12 г;ро: зводпт опрос блока 14. Параллельный код блока 14 переносится в блок 13. Пос ле чего включается генератор тока (.р) блока 9 и замыкается ключ 8, за тактов (чиело ni определяется кодом, полученным с блока 14. Напряжеии.е на конденсаторе 3 изменится до величины (U., At«;C) 2)- Далее, с приходом очередного тактового импульса, параллельный код, еннмаел1ЫЙ с блока 14, переносится в младшие разряды блока /5. В режиме коррекции эталонов иа конденсатор 5 подключаются эталоны, одинаковые по модулю -/р и -1-/,, (либо - - /п ; ,) 1 по разности пппряжеiinq нг, емкости кор-.еттичуется павенство их значен 1Й. Для коррекции от:-101исния двух ::.;:оз /;. и 2-/;, 1:,{Л;Сч; тся ток /р зрзмп п тактов (А/ п) и затем ток /р (1Т/.л;о;а;от, а подключается ток - па цремя (t) одного такта, после чего по разности напряжения на конденсаторе 3 корректирзется с помощью блока 15 модуль величины тока (либо )р). В /режиме кор,рекцни коэффициента умножения иодключается ток /р на время (А/) одного такта, затем замыкается ключ 8 (}р отключается). За следующие п тактов заряд на емкости конд,енсатора 3 возрастает в 2 раз, после чего ключ 8 размыкается п подключается ток - (либо - /р) и происходит разряд конденсатора 3 в течение одного такта (лнбо п тактов), по оставщемуся напряжению на конденсаторе 3 ведется .коррекция коэффициента умножения К с помощью блока /5. В случае равенства напряжения на конденсаторе 3 нулю выполнится равенство Ki Kz- , где /С/,2.4 - коэффициенты передачи блоков /, 2, 4.. В режиме коррекции нулевой линии разрядные токи не подключаются, ключн 5, 6, 8, 17-19 остаются разомкнутыми. По величине смещения нулевого уровня на конденсаторе 3 (Ведется коррекция нулевого уровня с помощью блока 20. В режиме коррекции коэффициента преобразования на вход устройства подается эталонный сигнал и по разности эталонного и полученного кодов производится коррекция с помощью блока 21 величпны h.t (либо величин f/з, либо /р и ). В режиме сложения (вычитания) двух сигналов в течение первого такта, по разным входам (ключи 17, 18 замкнуты) происходит заряд конденсатора 3 до разностного напряжения ,, далее процесс кодирования происходит в соответствии с выбранным режимом. В режиме цифро-аналогового преобразования цифро-аналоговый блок 22 через блок управления 12 задает алгоритм заряда конденсатора 3 и умножения (ключ 8 замкнут) в соответствии с цифровым кодом по следующему закону. Если в старщем разряде единица, то в течение первого такта (A/i) заряд на конденсаторе 3 станет равным 2Qy (подключен +/р), а за п циклов о,н станет равным , если после первого цикла +/р отключается, если +/Р не отключается, то суммарный заряд на конденсаторе 3 через п циклов примет значение Qe -- 2«а„Сз, + .iQ + ... + a,Q. Таким образом, для произвольного кода ,, + а„ - 1+ ..йо можно сформировать напряжение, соответствующее данному коду. Для этого в промежутки времени Atj, соответствующие ai(&ij соответствует а, и т. д.) необходи мо включать +/Р, в случае и отключать +/Р в случае . В режиме усреднения (разравнивания ирины каналов) блок 23 (имеющий счетик ступенек усреднения) вырабатывает од, в соответствии с которым после заяда конденсатора 3 до U-,- блок 12 вклюает генератор +/р блока 9 и дозаряжает мкость на величину, соответствующую коу. Посте этого начинается процесс преобразоааьия в соответствии с заданным режимом преобразования. В конце преобразозования из полученного кода вычитается код счетчика ступенек. Формула изобретения Аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок управления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, блока онределения знака, блока дискриминаторов, блока коррекции, блока сжгхронизации и обработки кода, а управляющие входы со единены с управляющими выходами блока коррекции, блока синхронизации и обработкп кода, блока определения знака, блока дискриминаторов, вход;ное устройство, выходы которого соединены со входами блока определения знака ги коммутатора, выходы которого соединены со входами усилителя, выходы блока коррекции соединены со входами блока синхронизации и обработки кода и блока эталонов, выход которого соединен со входом интегратора и блока дискриминаторов, отличающийс я тем, что, с целью повыщения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены преобразователь напряжения в ток, согласователь импедансов, блок выбора режима измерения, цифро-аналоговый блок и блок усреднения,, причем аналоговый вход преобразователя напряжения в ток соединен с выходом усилителя, управляющие входы соединены с выходами блока коррекции и блока управления, а выход соединен со входом интегратора, выход которого через согласователь 11мпед;1псов соединен с аналоговым входом коммутатора, вход блока выбора режима измерения соединен с аналоговым выходом входного устройства, а выход соединен с измерительным входом блока управления., вход блока усреднения соединен с выходом блока управления, а выход через цифро-аналоговый блок соединен со входом блока управления. Источники информации, принятые во внимание, при экспертизе: 1. Гитис 3. И. Преобразователи информации д.;1Я электронных цифровых вычислительных устройств, «Энергия, М., 1975, с. 303. 2. Авторское свидетельство СССР NS 489219, кл. Н 03 К 13/17, 1972.