Устройство аналого-цифровогопРЕОбРАзОВАНия Советский патент 1981 года по МПК H03K13/02 

1

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам преобразования формы информации и может быть использовано в вычислительной технике и скоростных системах обработки информации.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий в каждом из трех каналов параллельный аналогоцифровой преобразователь (АЦП), регистр и счетчик .

Недостатками этого АЦП являются сложность, поскольку требуется утроенное количество оборудования, низкая точность и быстродействие.

Известен также аналого-цифровой преобразователь, содержащий параллельный АЦП, регистр, счетчик, управляемый по частоте генератор сигнала развертки, формирователь строб-импульсов, а кроме того, блок компараторов и импульсно-фазовый детектор 2

Однако данное устройство характеризуется сложностью и невысоким быстродействием. Частотная стабилизация параметров сигнала генератора развертки осуществляется при помощи дополнительных аиалогошлх блоков. Процесс стабилизации устраняет лишь долговременную нестабильность параметров сигнала развертки по частоте и имеет медленное установление, что требует непрерывной работы преобразователя либо его предварительной наработки после включения без использования отсчетов, иначе нельзя гарантировать точность преобразования. Это, также как и неравномерность отсчетов, в ряде случаев усложняет синхронизацию преобразователя и снижает его быстродействие. Кроме того, быстродействие преобразователя ограничивается предельной частотой работы счетчика, разрядность которого определяет время генерации сигнала развертки и цикл преобразования. Длительность цикла преобразования пропорциональна , где I/F-TO - длительность кванта времени/ равного периоду частоты счета FO .

Цельизобретения - повышение быстродействия.

Эта цель достигается тем, что в

5 устройство, содержащее параллельный аналого-цифровой преобразователь, а также счетчик и формирователь стробимпульсов, выходы которых соединены с соответствующими входами регистра, введены многофазный генератор

частоты, дешифратор, управляемый по амплитуде генератор развертки, первый вход которого соединен с шиной входного сигнала, второй вход подключен к .шине заЬуска, третий вход - к формирователя строб-импульсов, при этом первый выход соединен со входом параллельного ангшого-цифрового .преобразователя, второй выход - с управляющим входом многофазного генератора частоты и входом установки счетчика, причем первый и второй входы формирователя строб-импульсов подключены соответственно к выходу младшего разряда параллельного аналогоцифрового преобразователя и второму выходу управляемого генератора развертки, выход многофазного генератора подключен к входу счетчика, а выходы, счетчика и многофазного генератора через регистр и дешифратор подключены к выходным шинам.

При этом yпpaвляe /ый по амплитуде генератор сигнала развертки содержит усилитель, источник тока, управляквдий RS-триггер, переключатель и интегратор, причем выходы усилителя и источника тока подключены к соответствующим входам переключателя, к управляющему входу которого подключен выход RS-триггера, а к выходу подключен и.нтегратор, причем выходы интегратора и триггера являются первым и вторым выходами управляемого по амплитуде генератора сигнала развертки, а вход усилителя, R и S входы триггера являются соответственно первым, вторым и третьим его входами, а управляегФлй многофазный генератор содержит цепочку последовательно соединенных логических элементов, причем выход последнего элемента соединен со входом первого, другие входы элементов объединены и являются входом управления, а выходы элементов являются выходами многофазного генератора.

На фиг. 1 представлена блок-схема к-разрядного (, где ,2,3, ...,п, а ,2,3,...,т) аналогоцифрового преобразователя; на фиг. 2 -временные диаграммы работы преобразователя; на фиг. 3 - блоксхема управляемого .по амплитуде генератора сигнала развертки; на фиг.4 принципиальная схема управляемого многофазного генератора частоты.

Шина 1 входного сигнала и шина 2 запуска (фиг. 1) являются первым и вторым входами управляемого по амплитуде генератора 3 развертки, третий вход 4 которого подключен к выходу формирователя 5 строб-импульсов. Первый выход генератора 3 подключен к входу параллельного (и-разрядного, где п 1,2,3,...п) аналого-цифрового преобразователя б, выход младшего разряда которого подключен ко входу 7 формирователя 5

Второй выход генератора 3 подключен к входу 8 формирователя 5, к входу ( установки счетчика 9 и управляквдему входу многофазного генератора 10 частоты. Выход генератора 10 подключен к счетному входу счетчика 9. Выход формирователя 5 строб-импульсов подключен к входу стробирования регистра 11, к управляющим входам которого подключены выходы параллельного анаQ лого-цифрового преобразователя б, счетчика 9, многофазного генератора 10. Выходы регистра 11, соответствующие входам регистра, подключенным к выходам преобразователя б, подключены -к выходным шинам, а выходы

5 регистра 11, соответствующее входам, подключенным к выходам счётчика 9 и генератора 10, подключены к дешифратору 12, выходы которого соединены с соответсвукзщими выходными шинами.

0 Временные диаграммы (фиг. 2) получены при условии, чтои 3, а , причем разрядов образованы на выходах счетчика 9, а разрядов - на выходах многофазного генератора 10J преобразователь б работает в двоичном коде, счётчик 9 работает в коде Грея, число выходов генератора 10 равно четырем, причем на каждом из выходов генератора 10 формируется последовательность прямоугольных сигналов с периодом т, сдвинутая по фазе относительно последовательности таких сигналов на предшествующем выходе на дискретность дТ. Дискретность д Т выбирается из соотношения Тр е, где 6 2 , а р число двоичных разрядов, образуемых на выходах многофазного генератора 10.

На фиг. 2 представлены входной

преобразуемый сигнал 13, квантующая

характеристика 14 преобразователя(б

заштрихованы состояния логической

1), сигнал 15 развертки на первом

выходе генератора 3, подключенном к

5 преобразователю б (ТР1 - полное время развертки, соответствующее одному кванту характеристики 14, ТР2 - полное время развертки, соответствующее установлению амплитуды, равной вход0 ному сигналу 13, на выходе генератора З), сигналы 16 запуска преобразователя, действующие по входу 2(Г1 и Т2 - мом.нты действия сигналов 16} , сигналы 17 на выходе формие рователя 5 (ТЗ и Т4 - моменты действия сигнала 17) , сигналы 18 на втором выходе генератора 3, подключённом ко входу 8 формирователя 5 , сигналы 19 на выходах многофазного генератора 10} сигналы 20 и 21, которые

0 соответствуют на выходах счетчика 9; цифровые значения сигналов 22 с выходов счетчика 9 и генератора 10, запомненные в регистре 11 и продшифрированные дешифратором 12.

Основными элементами параллельного аналого-цифрового преобразователя б являются ( ) компараторов, образующих квантуюцую характеристику 14 (фиг. 2), Диапазон его преобразования равен диапазону преобразованйя всего, к-разрядного преобразователя (фиг. 1).

Управляе1Ый по амплитуде генератор 3 сигнала развертки обеспечивает получение на первом выходе аналоговый сигнал 15 развертки, время развертки которого пропорционально амплитуде входного сигнаша 13, в моменты действия сигнала запуска 16 (моменты Т1 и Т2).

Устройство работает следующим

образом.

Преобразуемый сигнал 13 с.входа 1 поступает на генератор 3. Поскольку до момента Т1 на входе 2 генератора 3 отсутствовал сигнал 16 запуска то сигнал 13 проходит на вход преобразователя 6 и преобразуется им в соответствии с характеристикой 14. На втором выходе генератора 3 отсутствует сигнал 18, поэтому формирователь 5 заблокирован по входу 8, счетчик 9 обнулен, генератор 1 также заблокирован, а на входе стробирования регистра 11 сигналы отсутствуют. На выходах регистра 11 и дешифратора 12 нулейые коды.

В момент Т1 сигнал 16 включает генератор 3 раавертки; на первом выходе его г ерируется сигнал 15 развертки, втором - формируется сигнал 18. Сигнал 15 развертки в начальный момент Т1 (фиг.2) имеет амплитуду, равную мгновенному значению преобразуемого сигнала 13 в момент Т1. Генерация сигнала развертки продолжается до момента пересечения им ближайшего уровня квантования характеристики 14. Сигнал 18 в момент Т1( фиг.2)разблокирует формирователь 5, счётчик 9 и запускает генератор 10,.на выходах которого

формируются сигналы 19 и подсчитываются счетчиком 9. На выходах счетчика 9 формируются сигналы 20 и 21 (фиг. 2),

Максимальному времени развертки

ТР1 соответствует максимальное цифровое значение кода 22-1111 (начиная с младших разрядов). Всем -меньшим промежуточным значениям

сигнала 13, которые могут существовать двумя любыми уровнями квантования характеристики 14, соответствуют меньшие коды 22. В случае совпадения зн чения сигнала 13 с одним из уровней квантования характеристики 14 в момент запуска устройства сигналом 16 время развертки сигнала 15 равно нулю.

В момент пересечения сигналом 15 развертки ближайшего уровня квант

вания характеристики 14 преобразователя 6 на выходе мпадиюго разряда преобразователя происходит изменение логических уровней сигнала; в момент ТЗ - , в момент (фиг. 2JL В результате действия этого сигнала по входу 7 формирователя 5 на его выходе формируется сигнал 17, который стробирует регистр 11 и переключает генератор 3 развертки в режим управления входным СИГНсШОМ 13.

Таким образом, сигналом 17 в регистре 11 записывается код с выходов многофазного генератора 10 и счетчика 9. Запомненные в регистре сигналы 19-21 дешифрируются дешифратором 12. На выходах устройства появляется цифровой код 0111100 для значения преобразуемого сигнала 13 в момент Т1 и 0110010 - в момент Т2 (коды даны начиная с мпадших разрядов) . Коды состоят из двух частей: код п-разрядов преобразователя 6 (100 для Т1 и 010 для Т2 код т-разрядов счетчика 9 и генератора 10 (0111 для Т1 и ОНО для Т2). Код преобразователя 6 отражает целое число дискретностей квантования, изменяю1ии преобразуемый сигнал 13 в соответствии с характеристикой 14, а код 22 счетчика 9 и генератора 10 отражает целое число квантов Л Т, которое соответствует оставшейся части значения сигнала 13. Таким образом, сигнал 13 оказывается преобразованным в цифровой K ntт-разрядный код.

В моменты ТЗ и Т4 сигналом 13 производится блокировка формирователя 5, генератора 10, регистра 11, обнуление счетчика 9. Управляемый генератор развертки 3 переключается в режим управления входным сигналом 13, в результате чего на его выходе устанавливается значение сигнап.а развертки, равное значению входного сигнала 13. Максимальное время установления ТР2 определяется параметрами генератора 3 развертки и выбирается равным 0,1-0,3 ТР1. Суммарное время ТР1 и ТР2 составляет общее время преобразования, причем оно определяется в основном временем ТР1.

Фиксация кодов старших и младших разрядов происходит одновременно по сигналу 17 формирователя 5. Это означает, что динамические погрешности устройства зависят лишь от апертурной погрешности при считывании в регистр 11 кодов 22 и кодов преобразователя 6.

Выбирая число выходов генератора 10, можно уменьшать дискретность ДТ без уменьшения периода Т частоты генератора, т.е. увеличивать точность преобразования без повьшения требований к быстродействию счетчика 9 и не увеличивая максимальное время генерации ТР1. сигнала 15 развертки. Это

позволяет сократить также число разрдов счетчика за счет увеличения числа разрядов, образуемых при кодировании сигналов на выходах генератора 10,

Уменьшая ДТ, можно повышать быстродействие устройства при сохранении его разрядности. По сравнению с известным устройством, счетчик которого также оперирует с периодом Тдчастоты счетных импульсов, в предлагаемом устройстве быстродействие может быть увеличено в 2 2 раз , где i число выходов генератора 10, а р число дв,оичных разрядов, образуемых на выходах генератора 10.

Погрешности линейности преобразователя определяются лишь кратковременной нестабильностью частоты генератора 10 и сигнала генератора 3 развертки. Учитывая, что максимальное время генерации сигнала развертки ТР1 может быть уменьшено в раз, во столько же раз уменьшается влияние кратковременных нестабильностей, что позволяет отказаться от частотной стабилизации сигнала 15 развертки, резко упростить структуру устройства блоков генератора 3 развертки и многофазного генератора 10.

Блок-схема управляемого по амплитуде генератора сигнала развертки (Лиг. 3} содержит усилитель 23, источник стабильного тока 24, RS-триггер 25, переключатель 26, интегратор 27. Вход 1 усилителя 23 является входом устройства, входы 2 и 4 являются S и R входами RS-триггера 25, выходы усилителя 23 и источника стабильного тока 24 подключены к соответствующим входам переключателя 26, управляющий, вход которого соединен с выходом RS-триггера 25 и подключен к входу 8 формирователя 5. Выход переключателя 26 через интегратор 27 под1 лючен ко входу преобразователя 6.

Управляемый по амплитуде- генератор 3 сигнала развертки либо пропускает входной сигнал 13, либо вырабаты1вает сигнал 15 (фиг. 2) развертки, амплитудное значение которого определяется входным сигналом 13.

Генератор 3 работает следующим образом.

При отсутствии воздействия сигнала 16 (фиг. 2) по входу 2 на выходе триггера 25 отсутствует сигнал 18. Преобразуемой сигнал со входа 1 через усилитель 23, переключатель 26 поступает на интегратор 27, постоянная времени которого определяет время ТР2. Установившийся сигнал, равный входному сигналу 13, поступает далее на преобразователь 6.В момент Т1 сигнал 16 (фиг. 2) действуя по входу 2, переключает его в состояние логической 1 и на его выходе появляется сигнал 18. В результате действия того сигнала переключатель 26 (фиг.з) отключает усилитель 23 от интегра1тора 27 и подключает к нему источник стабилизированного тока 24. На выходе интегратора 27 формируется сиг, нал 15 развертки (фиг.2К амплитуда которого определяется мгновенным значением сигнала 13 в момент Т1. В момент Т2 под действием сигнала 17

О ко входу 4 триггер 25 переключается в состояние логического О, сигнал 18 на выходе 8 отсутствует. Переключатель 26 отключает источник 24 стабилизированного тока от интегратора 27 и пропускает на и.нтегратор, усиленный усилителем 23, входной преобразуемый сигнал 13.

Выбирая коэффициент усиления усилителя 23, величину тока источника 24,

0 постоянную интегратора 27, можно в широких пределах варьировать времена ТР1 и ТР2. В качестве интегратора 27 может быть использована простейшая RC-цепочка.

с Электрическая схема управляемого многофазного генератора 10 частоты (фиг. 4) содержит цепочку последовательно включенных логических элементов 28, причем выход последнего подключен ко входу первого, другие

входы элементов объединены и являются управляющим входом генератора, который подключается к входу 8 формирователя 5, а выходы являются выходами генератора и подключаются ко -,

5 входам регистра 11. Кратковременная относительная нестабильность частоты такого генератора определяется флуктуациями задержки элементов 23 и лежит в пределах 10 - 5 10, что

0 позволяет использовать его в.12-14-ти разрядных преобразователях по предлагаемой схеме (фиг.. Работа генератора 10 полностью определяется временными диаграммами (фиг. 2, сигнас лы 18 и 19J, причем в качестве логических элементов могут быть использованы любые элементы (И, ИЛИ, ИЛИ-Н с учетом необходимых для их работы логических уровней сигналов.

При реализации основных узлов

предлагаемого устройства в виде микросхем возможно построение 12-14-ти разрядных преобразователей с частотой преобразования до 50 МГц. .

Формула изобретения

1. Устройство аналого-цифрового преобразования, содержащее параллельный аналого-цифровой преобразователь/ счетчик и формирователь строб- импульсов, выходы которых соединены с соответствующими входами регистра, отличающееся тем, что, с

целью повышения быстродействия, в него введены управляе1«1й по амплитуде генератор развертки, многофазный генератор частоты и дешифратор, причем первый вход управляемого по амплитуде генератора развертки, соещинен с ишной входного сигнала, второй вход подключен к шине запуска, третий вход подключен к выходу формирователя строб-импульсов, при этом первый выход соединен со входом параллельного аналого-цифрового преобразователя, второй выход соединен с управляюооим входом многофазного генератора частоты и входом установки счетчика, причем первый и второй входы формирователя стробимпульсов подключены соответственно к выходу мпадшего разряда парсшлельного ансшого-цйфрового преобразователя и второму выходу управляемого генератора развертки, выход многофазного генератора подключен к входу счетчика, а выходы счетчика и мнгофазного генератора через регистр и дешифратор подключены к выходным шинам.

2. Устройство по П.1, о т л и ч ю щ е е с я тем,что yпpaвляe вJй по амплитуде генератор сигнала развертки содержит усилитель, источник тока, управляющий RS-триггер,- переключатель и интегратор, причем выходы усилителя и источника тока подключены к соответствующим входам переключателя, к управлякхцему входу которого подключен выход RS-триггера, а к выходу подключен интегратор, причем выходы интегратора и триггера являются первым и вторым выходами управляемого по амплитуде генератора сигнала развертки, а вход усилителя, R и S входы триггера являются соответственно первым, вторым и третьим его входами.

3. Устройство по п;1, отличающееся тем, что управляемый многофазный генератор содержит

5 цепочку последовательно соединенных логических элементов, причем выход последнего элемента соединен со входом первого, другие входы элементов объединены и являются входом

0 управления, а выхода элементов являются выходс1ми многофазного генератора.

Источники информации4 принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3697978, кл. 340-347, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке 2671963/21,

кл. Н 03 К 13/02, 1979 (прототип).

ТР1

J5

Л

73

П7ЛТТ

-L. J

5

i

r/

r

o

0 17

/5

/

.AL.

wjiiwmmmm гитт.тт mimmmm mmmmwi

10

an

no

n

91

n

0111016

L.ri.

ue.3