Последовательно-параллельный аналого- цифровой преобразователь Советский патент 1980 года по МПК H03K13/175 

1

Изобретение относится к вычиспитепьной и измерительной технике и предназначено для использования в автоматизированных системах обработки информации, например в гибридных вычислительных и управляющих системах, в автоматизирсн-. 5 ванных системах для исследования речевых .сигналов.

Известен аналого-цифровой преобразователь (А11П) параллельного типа, работа- д ющий по принципу считьюания и содержащий нульг-органы (компараторы), количество которых зависит от требуемой точности преобразования, и кодирующие логические схемы, входы которых подключены ,5 к выходам нульг-органов 1 . Первые входы всех нуль-органов объединены и подключены к входу всего устройства, а по вторым входам задаются фиксированные, определенные дЛя каждого нуль-органа, jo пороги срабатывания так, что эти пороги образуют своего рода координатную сетку апя входного сигнала, которая схват1,шает весь диапазон возможных изменений входного сигнала и шаг которой равен одному кванту.

АЦП обладает наибольщей максимальг.ной цопустимой скоростью изменения коцируемого сигнала по сравнению с любымидругими типами АЦП. Это объясняется тем, что динамическая погрешность АЦП обусловлена лишь нестабильностью врюмени срабатьшания нуль-органов, которая, как правило, очень мала.

Недостатком АШТ является то, что с увеличением точности существенно возрастает его сложность, которая зависит от количества нуль-органов в схеме, т.е. ее порядок определяется величиной 2

)И где VI- число разрядов выходного копа. Последнее обстоятельство ограничивает точность АЦП на уровне 4...5 двоичных раэ рядов.

Известен АШ последовательно-паралпельного типа с переменными порогами, содержащий параллельный АЦП, оцин из входов которого является входом устройств 4 схему управления и формирования выходных кодов, входы которой соепинены С выходами параплепьного АЦП; формирове тель порогов, входы которого подключены к выходам схемы управления и фррмирования выходных кодов, а выходы - к входам naftanr nbuoTO АЦП; пифро-аналоговый преобразователь, входы которого соединены с вьаопамк схемы управления и формирования выходных кодов, а выход - с входом формиробатепя порогов 21 . Одно преобразование в таком АЦП происходит за несколько тактов, на каждом ИЗ которых формируется определенная группа разрядов выходного кода, начиная со старших разрядов. Диапазон значений входного сигнала, охватьюаемый порогами п аплельного АЦП, а также ширина зоны между порогами, т.е. цена целения координатной сетки, к началу каждого последующего такта уменьшаются в несколько раз, образуя 66лее точную кодирующую сетку. Каждый промежуточный результат кодирования, кроме последнего, запоминается, с помощью .цифроаналогового преобразователя (ЦАП) декодируется и участвует в формировании порогов параллельного АЦП на последующем такт-е. Выходной сигнал ЦАП в начале каждого такта определяет место положения на оси ординат начала кодирующей сетки, соответствующей данному такт Достоинством таких АЦП является значительно меньшая сложность по сравнению с параллельными АЦП и высокая точность, кбторая при малой сложности достигается. за счет увеличения числа тактов преобразования. Недостатком АЦП данного типа по сравкенню с параллельным АЦП является низкая максимальная допустимая скорость изменения входного сигнала, которая долж на быть такой, чтобы в начале каждого такта преобразования входной сигнал всег да оказывался в пределах диапазона, охва тываемого порогами параллельного АЦП. Ограничения на указанную скорость накладыв ются величиной возникающей динамян ческой погрешности преобразования, которая, в свою очередь, в данных АЦП прямо пропорциональна длительности переходных процессов, связанных с переключением иифроаналогового преобразователя и формирователя порогов. Известен последов ательно-параплельньгй АЦП с переменными порогами, имеющий на входе буферное устройство - блок вь борки и запоминания входного сигнш1а, который выполняет функции дискретизатора непрерывного сигнала и состоит в основном из стробируемого аналогового ключа И накопительного конденсатора 3 . В данном устройстве в течение временя строба аналоговый ключ открьгг, и напряжение на конденсаторе стремится к уровню входного сигнала. По окончании строба ключ закрывается, а зафиксированное на конденсаторе напряжение квантуется с помощью последовательно параллельного АЦП с переменными порогами. Время запоминания на конденсаторе величины аналогового сигнала, которое равно времени размыкания ключа, в подобных схемах, как правило,, мало. После размыкания ключа величина сигнала, который запоминается на конденсаторе, перестает зависеть от изменений входного сигнала устройства и может оставаться постоянной в течение длительного времени, поэтому последовательно-параллельный АЦП, подключенный к выходу блока выборки и запоминания и начинающий функционировать поо-, ле размыкания аналогового ключа этого блока, осуществляет квантование постоянного по уровню сигнала. Таким образом, динамическая погрешность данного АЦП определяется лишь мштым временем размыкания аналогового ключа, поэтому такие АЦП имеют достаточно высокую максимальную допустимую скорость изменения входного сигнала. . Недостаток АЦП состоит в низкой точности преобразования. Цель изобретения - повышение статической точности преобразователя при сохранении высокой максимальной допустимой скорости изменения входного сигнала и малой сложности схемы. Поставленная цель достигается тем, что в последовательно-параллельный анапогоцифровой преобразователь, содержащий параллельный аналого-цифровой преобразователь, один из входов которого является входом всего устройства, схему управления и формирования выходных кодов, входы которой соединены с выходами параллельного аналого-цифрового преобразователя, формирователь порогов, входы которого подключены к выходам схемы управления и формирования выходных кодов, а выходы- к входам параллельного аналого-цифрового преобразователя, пифроаналоговый преобра-. зов are ль, входы которого соединены с Bbfходами схемы управления и формирования выходных кодов, а выход - с входом фо1 мирователя порогов, введены дифференцирующий усилитель, вход которого подключен к входу всего устройства, и параллельный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выхопом дифференцирующего усилителя, а выхоцы - с входами схемы управпет1я и формирования abtхоиных кодов.

На фиг. 1 изображена общая структурная схема прецпагаемого АЦП; на фиг. 2. структурная схема Ю-разряпного А11П прецпагаемого типа.

ЛИП содержит параллельный аналогоцифровой преобразователь 1, формирователь 2 порогов, управляюишй автомат 3, цифро- о аналоговый преобразователь 4, диффере1ширующий усилитель 5, параллельный аналого-цифровой преобразователь 6.

Цикл работы этого устройства осуществляется за несколько тактов, в конце каж-15 дого из которых формируется определенная группа разряцов выходного кода. Количество и длительность тактов определяются количеством и периодичностью внешних тактовых импульсов, поступающих на вход 20 управляющего автомата.

В начале каждого такта выходные коды АЦП1 и АЦП6 фиксируются в управляющем автомате, после чего последний вырабаты- 25 вает сигнал, по которому цена деления кодирующей сетки порогов АЦП 1 уменьшает ся в несколько раз с помощью формирователя 2 порогов. Управляющий автомат по выходному коду АЦП 6 определяет на30

сколько изменится кодируемый сигнал за время данного такта. Цифровой коп отражающий предсто$пцее изменение кодируемого сигнала, алгебраически складьшается с выходным кодом АЦП 1. Полученная cyivj- jj ма участвует в формировании выходного кода устройсгва и одновременно поступает на входы ЦА.П 4. Выходной сигнал ЦАП . изменяет постоянную составляющую порогов АЦП 1 и тем самым задает на оси 40 напряжений место положения новой, более точной, кодирующей сетки порогов АЦП 1, с помощью которой уточняется значение входного сигнала на последующем такте. По окончании цикла преобразования управ-45 ляющий автомат вырабатывает импульс, разреи ающий вьщачу результата преобразования во внешние устройства,

10-разрядный АЦП (см. фиг. 2) имеет относительную статическую погрешность, 50 не превышающую 0,1%, и максимальную допустимую скорость изменения кодируемого сигнала ±32 кванта в микросекунду я позволяет кодировать биполярный синусоидальный тестовый сигнал частоты55 10 кГц и амплитуды 512 квантов с динамической погрешностью, не превышающей одного кванта.

АЦП содержит фильтр 7 ннжн1гх частот с полосой пропускания О-10 кГц, на вход которого поступает кодируемый аналоговы сигнал; согласующий усилитель 8; основно параллельный АЦП, состоящий из нулЕ -о{ ганов 9 - 27, пороги срабатьшания которых задаются с помощью формирователя

28порогов и изменяются прн изменении выходных напряжений двухразрядного ЦАП

29и семиразрядного ЦАП 30. Входные сигналы ЦАП 29 и ЦАП ЗО задаются управляющим автоматом 31, который кроме того формирует выходной код (результат аналого-цифрового преобразования) и сигнал окончания преобразования (сигнал, разрешающий считывание выходного кода). АЦП содержит также генератор 32 тактовых сигналов; дифференцирующий усилитель 33, вспомогательный параллельный АЦП, состоящий из нуль-органов (34-40, пороги срабатывания которых постоя1шы

и задаются с помощью формирователя 41 порогов. ЦАП 29 служит для задания цены деления кодирующей сеткн порогов нульорганов 9-27. При измене1ши входного кода ЦАП 29 от 1 до 3 указанная цена деления принимает значения, равные соответственно 1/16, 1/128, 1/1О24 диапазона допустимых значений кодгфуемого С1Пнала. ЦАП ЗО управляется семью старшими разрядами выходного кода уст ройства и задает общую постоя 1П1ую составляющую порогов Нуль-органов 9-27, т.е. определяют место положения на оск напряжений центра кодирующей сетки, образуемой порогами нуль-органов 9-27. Нуль-органы 11-25 являются основпы ш, а нуль-органы 9,10,26,27 - дополнительными (назначение дополнительных нульopraiiOB будет пояснено ниже). На фиг. 2 нуль-органы 9--25 расположены сверху вниз в порядке убывания величин их порогов срабатывания. Пороги пуль-органов 9 и 10 всегда соответстветго на два и Одно деление выше, а нуль-органов 27,25 - на два и одно jienejgHe ниже шкалы пороговых уровней основных нуль-орнганов. Так как предлагаемый АЦП предназначен для преобразования биполярных сигналов, при выходном напряжении ЦАП 30, равном нулю, пороги срабатывания нуль-органов 9-16 положительны, а нульорганов 19-2,7 - отрицательны. Порог срабатывания нуль-органа 18 зависит только от выходного напряжения ЦАП 30 я является местом положения на оси напряжений центра кодирующей сетки порогов нупь-органов 9-27. Выходное напряжение п1в}1феревдирующего усилителя 33 в кажпый момент времени пропорционально скорости изменения кодируемого сигнала, Допопнитепьный параллельный АЦП, состоящий из нуль-органов 34-40 и формирователя 41 порогов предназначен для иэмерения скорости изменения кодируемого сигнала. Пороги срабепгывания нуль-органов 34,35,36 - положительны, нуль-органов 38,39,40 - отрицательны, нульоргана 37 равен нулю. Цена деления шкаш пороговых уровней нуль-органов равна 8 квантам в микросекунду, а пределы измерения + 32 кванта/МКС. Генератор 32 служит для синхронизации работы устройства. Он работает в ждущем режиме и после каждого поступления на его вход внешнего запускающего сигнала вырабатывает серию тактовых импульсов, состоящую из четьрех импуль сов, следующих с периодом 1 мкс. Первый импульс серии соответствует началу работы устройства, последний - окончанию. Таким образом, цикл работы устройства состоит из четырех тактов; длительность такта равна 1 мкс, время пребывания 3 мкс. Порядок формирования выходного кода следующий: в первом такте определяются 4 старших разряда, во втором - сле дующие три, в третьем - три младших ра ряда, в четвертом такте, происходит выда результата преобразования во внешние цеп Устройство работает следующим образом. При включении устройства ( а в дальнейшем по четвертому тактовому импульсу все блоки АЦП переходят в исходное состояние, а имеггао: в младший разряд вход ного регистра ЦАП 29 и в старший разряд входного регистра ЦАП 30 заносятся единицы, в остальные разряды этих рег№стров - нули. При этом выходное напряже ние ЦАП 30 становится равным нулю, а цена деления кодирующей сетки порогов нуль-органов 9-27 равной 1/16 диапазона допустимых значений кодируемого сигнала. В этом случае внутрж диапазона допустимых значений кодируемого сигнала оказьюаются пороги только основных нуль-органов 11-25, поэтому в первом такте учитьваются состояния только основных нуль-органов. С приходом внешнего запускающего сигнала включеются генератор 32 тактовых импульсоЬ, и начинaeavся непосредственно преобразование. Первый такт. Состояние нуль органов 11-25 и состояние (знак скороо ти изменения кодируемого сигнала) нульоргана 37 фиксируются в управляющем 7 93 автомате 31. Во входной регистр ЦАП 29 аписывается код 2, В автомате 31 неозиционный единичный код, считанный с ыходов, нуль-органов 11-25, преобразуется в четырехразрядный двоичный позин ционный код. Бели скорость изменения копируемого сигнала неотрицательна, то полученный четырехразрядный код в арифметическом устройстве автомата 31 уве личивается на единицу младшего иэ ра:зрядов, и сумма записывается в старшие разряды входного регистра 11АП 24, в противном случае указанный код записывается в регистр ЦДП ЗО без изменения. В результате перечисленных операций к началу второго такта цена деления кодирующей сетки порогов нуль-органов 927 становится равной 8 квантам. Центр новой шкалы оказывается на уровне, соответствующем входному коду ЦАП 30. Так как диапазон (±72 кванта) изменений кодируемого сигнала, который будет контролироваться нуль-органами 9-27 на втором такте, ве.пик по сравнению с максимально возможным изменением (32 кванта) этого сигнала за время (1 мкс) первого такта, конкретная величина скорости изменения кодируемого сигнала в первом такте в расчет не берется, а учитывается лишь знак этой скорости. увеличении зафиксированного кода на единицу учитывается тот факт, что этот код дает представление лишь о зоне возможных значений кодируемого сигнала. тогда как сам сигнал в момент считыв ния кода может находиться на уровне верхней границы этой зоны, увеличиваясь с максимальной скоростью (32 кванта/такт). Поэтому если не осуществить указанную коррекцию считанного кода, кодируемьй сигнал к началу второго такта может выйти иэ-под контроля нуль-органов 9-27. Второй такт. Состояния нуль-органов 9-27, 34-40 фиксируются в автомате 31. Во входной регистр ЦАП 29 записывается код 3, в результате чего цена деления последней, самой точной кодирукяией сетки порогов нуль-органов 9-25 к началу третьего такта окажется равной одному кванту. Непозиционные единичнью коды, сч танные с выходов нуль органов преобразуются в позиционные двоичные дополнительные коды. Считанное с выходов нульорганов 9-25, 34-40 число считается отрицательным, если в момент считывания нуль-орган 12 (31) находился в нулевом состоянии (его выходной сигнал о74 был ниже nofxirn) и считается положительным, если нуль-орган 18 (37) находился Е единичном состоянии (его сигнал был выше порога). При этом в первом случае содержимое цифровых разрядов считываемого числа определяет-, ся состоянием нуль-органов 19-27(38, 39,4О), во втором - состоянием нуль-ор)ганов 9-17, (34, 35, 36). Преобразованный выходной код вспомогательного параллельного А11П складьюается с I своего младшего разряда, а затем с преобразованным выходным кодом основного параллельного АЦП. Полученная в результате этих операций сумма сдвигается на три позиции в сторону младших разрядов, складывается с содержимым входного регистра ЦАП 29, и результат заносится во входной регистр ЦАП 29 в прямом коде. Сложение кода, считьшаемого с нульорганов 24-4О, с еаитшцей (т.е. увеличение на 1 положительного числа и уменьшение на 1 абсолютной величины отрицательного) компенсирует погрешность кодироват1Ия, связанную с ограниченностью разрешающей способности вспомогательного параллельного АПП, и имеет тот же смысл, что и коррекция, осуществляемая на первом такте. Третий такт. Состояния нульорганов 9-27 фиксируются в управляющем автомате 31. Полученный код преобразуется в позиционный двоичный дополнитель ный код , Сдвигается на шесть позиций в сторону младших разрядов и складывается с дополнительным кодом содержимого входного регистра ЦАП 29 и, таким образом, оказывается фсормированным 1О- разрядный выходной код устройства. Четвертый такт. Управляющий автомат 31 вырабатывает сигнал. окончания цикла преобразования, по которому результат преобразования выдается во внешние цепи. Одновременно АЦП возвращается в исходное состояние. . Наличие в схеме основного параплельного АЦП четырех дополнительных нульорганов 3,4,20,21 позволяет обеспечить Требуемую точность кодирования аналогового сигнала в случае, если в моменты считьюания информации с выходов основны нуль-органов 11-25 во втором или третьем такте кодируемый сигнал окажется более чем на одно деление за пределами кодирующей сетки порогов основных нул- органов. Такая ситуация может возникт1уть в ре зультате того, что предыдущее по отноше нию ко второму или Третьему такту) счи310ывание информации выходов основных нульрганов совпало с моментом изменения состояния какого-либо из этих .нуль-органов (и поэтому новое состояние этого нуль-ор ена не было зафиксировано). При этом скорение изменения кодируемого сигнала ыло максимальным (2 кванта-мкс при копирования с точностью 10 двоичных раэрядов синусоипального сигнала частоты 10 кГц и амплитуды 512 квантов) и постоянным в течение такта. Кроме того, указатгаая ситуация может возникнуть из-за погрешности скорости изменения кодируемого сигнала, скпадь вающейся из погрешности дифференцирования кодируемого сигнала и погрешности квантования вь ходного напряжения дифференцирующего усилителя 33. Формула изобретения Последовательно-параллельный аналого-цифровой преобразователь, содержащий параллельный аналого-цифровой преобразователь. Один из входов которого является входом всего устройства, схему управления и формирования вьгходных кодов, входы которого соединены с выходами параллельного аналого-цифрового преобразоватепяГформир вателГ портговГвхоаьГк р подключены к выходам схемы управлении и формирования выходных кодов, а выходы - к входам параллельного аналого-цифрового преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, входы котор, соединены с зыходами схемы управпе„„я формирования выходных кодов, а выхоп - с входом формирователя порогов, отличающийся тем, что, с це- лью повышения точности при высокой максимальной допустимойскорости изменения входного (сигнала : малой сложности устройства, в него введены дифференцирукнций усилитель, вход которого под- ключен к входу устройства, и параллель-ный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом дифференцирующего усилителя, а выходы - с. входами схемы управления и (})ормирования выходных кодов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Гитис Э. И.Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. ,M., Энергия, 1975, с. 79. 2. Зарубежная радиоэлектроника. М., Сов. радио/1975, № 1. с. 32-34.

п

Ь

10