Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1981 года по МПК H03K13/17 

1

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для преобразования напряжения униполярного сигнала в двоичный код в системах цифровой обработки, качество работы которых существенно зависит от изменения масштаба величин преобразуемых сигналов.

Известен аналого-цифровой преобраз8ватель, содержащий компаратор, прямой вход которого подключен к входной шине, реверсивный счетчик, вход прямого счета которого подключен к выходу компаратора непосредственно, а вход обратного счета - через инвертор ЦАП, п входов которого подключены к выходам реверсивного счетчика, а выход - к инверсному входу компаратора, и генератор тактовых импульсов, подключенный к тактовому входу реверсивного счетчика 1.

Недостатком этого преобразователя является невозможность преобразования сигналов разных масштабов в код одного масштаба.

Известен также преобразователь напряжения в код, реализующий метод поразр5здного уравновешивания с раздельным определением кодов порядка и мантиссы для каждого значения сигнала. Для этого цепь обратной цифроаналоговой связи разделена на две части-ЦАП порядка и ЦАП мантиссы, к которым подключены дешифратор с регистром порядка и регистром мантиссы соответственно, управляемые сигналами с устройства управления .2J , Часто реальные сигналы по разным причинам изменяют масштаб с течением

fO времени, т.е. являются нестационарными процессами. Обычно в таких системах обрабатывают отрезки сигналов ограниченной длительности (реализации) , в пределах которых сигнал из15меняется в небольшсич динамическом диапазоне и может считаться стационарным. Однако от реализации к реализации масштаб сигнала может изменять.ся, например, при подключении к

20 другому источнику сигнала, при перестройке радиоприемного устройства на другую частоту и т.д. В таких системах используется информация не об абсолютных значениях сигнала, а о его

25 форме. Желательно согласовать сигнал в пределах одной реализации со шкалой преобразования так, чтобы наибольшее значение не выходило за пределы этой шкалы, что может быть достигну30то путем нормирования всех значений сигнала в пределах одной реализации относительно наибольшего значения. Такой подход позволяет сократить чи ло разрядов аналого-цифрового преобразователя до минимума, определяе мого лишь достаточной точностью пре ставления значений сигнала числовым эквивалентами. Это позволяет сократить число разрядов арифметического устройства и памяти сопряженного с АЦП специализированного вычислителя что ведет в общем к сокращению объема оборудования, стоимости, веса аппаратуры и существенному повышени быстродействия, т.е. позволяет опти мизировать систему обработки по мно гим параметрам. Известный преобразо ватель, таким образом, не позволяет оптимизировать указанные системы об работки, что является его недостатком. Целью изобретения является, улучшение метрологических характеристик преобразователя. Цель достигается тем, что в анало го-цифровой преобразователь, содержа щий генератор тактовых импульсов, блок управления, компаратор,прямой которого подключен к входной шине,а инверсный - через последовательно соединенные первый и второй цифро-аналоговые преобразователи под ключен к шине опорного напряжения, введены первый и второй элементы И, элемент И-НЕ, реверсивный и двоичный счетчики, элемент запрета, блок ключей и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу компаратора и к первьм входам первого и второго элементов И, а выход подключен к входу обратного счета реверсивного счетчик вход прямогосчета которого соединен с выходом первого элемента И, тактовый вход через элемент запрета к выходу генератора тактовых импульсов и второму входу второго элемента И, вход сброса соединен с первым выходом блока управления с входом сброса двоичного счетчика, а выходы соединены с входами первого цифро-аналогового преобразователя с входом блока ключей, а п-й выход подключен к третьему входу второго элемента И и первому входу элемента И-НЕ,четвертый вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ и вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с вторым вхо дом элемента запрета, и к управляюще му входу блока ключей, при этом выход элемента И-НЕ соединен с вторым входом первого элемента И, а выход второго элемента И соединен с счетны входом двоичного счетчика, выходы которого соединены с входами второго цифро-аналогового преобразователя. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя. Он содержит компаратор 1, инвертор 2,первый элемент И 3,элемент И-НЕ 4, блок управления 5, реверсивный счетчик б, элемент запрета 7,первый цифро-аналоговый преобразователь 8/ ,блок ключей 9, второй элемент И 10, двоичный счетчик 11, второй цифроанало.говый преобразователь 12 и генератор 13 тактовых импульсов. . АЦП работает циклично. Каждый цикл работы состоит из двух последовательных этапов: Нормализация и Преобразование. Последовательность работы АЦП определяется сигналами, вырабатываемыми блоком управления 5. Длительность этапа Нормализация определяется длительностью импульса Строб, которая устанавливается перед работой преобразователя с учетом статистических свойств преобразуемого сигнала так, чтобы на этом этапе наблюдалось не менее одного наибольшего значения сигнала. В начале этапа блок управления 5 формирует импульс Сброс, который переводит преобразователь в исходное состояние. Этот импульс поступает на вход Начальная установка(НУ) реверсивного счетчика 6 и устанавливает его старший разряд в состояние 1, а остальные разряды - в О. Тот же импульс устанавливает все разряды двоичного счетчика 11 в состояние О. При этом напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 12 и компенсирующее напряжение U уменьшаются до нуля. Так как выполняется условие Ugx и, то на выходе компаратора 1 формируется логическая 1, открывающая элемент И 3 по первому входу и элемент И четвертому. Однако элемент И 3 закрыт сигналом О, поступающим с выхода элемента И-НЕ 4, на входах которого установлены единичные сигналы. Реверсивный счетчик б закрыт по входам прямого и обратного счета и не изменяет своего состояния, В течение всего этапа Нормализация импульсы на выходе Пакет блока управления 5 отсутствуют, элемент запрета 7 открыт и тактовые импульсы с генератора 13 беспрепятственно проходят на счетный вход реверсивного элемента 6. Элемент И 10 открыт по первому входу сигналом 1, поступающим с выхода старшего разряда реверсивного счетчика б, и по второму входу импульсом Строб с блока управления 5. Тактовые импульсы с генератора 13 проходят через элемент И 10 на счетный вход двоичного счетчика 11, последовательно увеличивая его содержимое L на единицу. Напряжение при этом ступенчато нарастает на один квант д ЦДЛ 12, величина которого определяется выражением, аналогичным выражению и остается постоянной на всех этапах работы АЦП. В этом выражении m - чис ло разрядов двоичнохо счетчика 11. Масштабный коэффициент ЦАП 8 выбира .ется таким, чтобы выполнялось равен ICTBO к 1 (1) еслк реверсивный счетчик б находитс в исходном состоянии (см. ну). Поэтому , напряжение UK точно повторяет напряжение U, до тех пор, пока реверсивный счетчик 6 не изменит св его состояния, т.е. также нарастает ступенями в один квант л . Как тол ко и vs. (и DO/I , согласно (2) превыси и вх (не более, чем на один квант д на выходе компаратора 1 возникает сигнал О, который закроет элемент И 3 по первому входу, элемент И 10 по четвертому входу, .и через инвертор 2 установит режим обратного сче реверсивного счетчика 6. Следующий тактовый импульс уменьшит его содер жимое на единицу, что-ведет к установке в О старшего разряда реверсивного счетчика 6, закрытию эле мента И 10 по первому входу и откры ванию элемента И 3 через элемент И-НЕ 4 по второму входу. При этом прохождение счетных импульсов на двоичный счетчик 11 прекратится .и в нем будет зафиксирован код, отображающий входное напряжение а на выходе цифро-аналогового преобразователя 12 установится напряже ние, равное с точностью до кванта д входному (точнее, превышающее Ug, менее, чем на один квант д, ) ..1.(4) Так как код реверсивного счетчика б уменьшится на единицу по сравнению с кодом исходного состояния, равенство (2) нарушится, и напряжение и станет равным UK Jol -М Величина UQI определяется выражением (4) и является опорным напряжением цифро-аналогового преобразователя В. Величина кванта Д/j, связана с опорным напряжением выраже нием, аналогичным выражению 4-%. (Ь) где п - число разрядов реверсивного счетчика 6. Однако здесь имеется существенное отличие, заключающееся в том, то величина опорного напряжения зависит от величины входного напряжения в соответствии с выражением (4), а это означает, что величина кванта также зависит от величины .. Если выполняется неравенство . то при уменьшении кода реверсивного счетчика 6 на единицу, напряжение Ui , согласно (4) и (5), станет меньше Uex . и сигнал на выходе компара- тора примет значение открывая элемент И 3, элемент И 10 и устанавливая реверсивный счетчик б в режим прямого счета. Очередной тактовый импульс увеличит код L,j в реверсивном счетчике б на единицу и приведет его в исходное состояние. Так как при этом элемент И 10 был закрыт по первому входу сигналом 1 с выхода реверсивного счетчика 6, код в двокчном счетчике 11 и напряжение Ugij не изменяется, а напряжение , будет определяться равенством (2). При неизменном напряжении Uвх будет выполнено неравенство U v. URX , на -выходе компаратора возникнет сигнал О, который закроет элемент И 3, элемент И 10 и переведет реверсивный счетчик в режим обратного счета.Очередной тактовый импульс опять уменьшит код реверсивного счетчика б на единицу и не изменит код в двоичном счетчике 11. Процесс колебаний кода в реверсивном счетчике б будет продолжаться до тех пор, пока не изменится напряжение (1 , При уменьшении Ugx относительно зафиксированного значения UQI на один квант iij и более элемент И 10 будет закрыт,код двоичного счетчика 11 и напряжение U(5(j будут оставаться постоянными, причем и jij в соответствии с выражением (4) равно наибольшему входному напряжению U yj , которое наблюдалось за время работы преобразователя на первом этапе. При этом элемент И 3 будет постоянно открыт, и работа преобразователя при выполнении условия . .1-) Дв) не будет отличаться от работы известного преобразователя со следящей связью, описанного выше. Если -в дальнейшем на этапе Нормализация напряжение Ugx превысит зафиксированное значение напряжения UQIJ , в старшем разряде реверсивного счетчика б будет записана 1, закроется элемент И 3, откроется элемент И 10, и процесс повышения (1оч до значения Ugx.H согласно выражению (4) повторится. Этап Нормализация заканчивается с окончанием импульса Строб. При этом элемент И 10 закрывается, запрещая работу двоичного счетчика 11 и исключая возможность изме нения напряжения (}QI на этапе Преобразование, а также закрывается элемент И-НЕ 4, открывая тем самь1м элемент И 3. Тем самым исключается возможность ограничения кола сигнал величиной кода исходного состояния 0 тех случаях, когда напряжение Ugx превысит на этапе Преобразова1 4 величину опорного напряжен:. Ujj . установленную автоматически на первом этапе. Такие случае возможны, когда длительность интервала Норма лизация выбрана недостаточно большой, либо когда на этапе Преобразование произойдет изменение масштаб сигнала. При этом могут быть преобразованы Б код сигналы, масштаб которых изменился после нормализации не более, чем в два раза. Работа преобразователя на этапе Преобразование аналогична работе известно го, описанного выше. Отличия заключаются в том, что опорное напряжени ЦЛП 8 не остается постоянным, а изменяется от цикла к циклу, а также в том, что считывание кода с реверсивного счетчика производится в дис кретные моменты времени, определяемы 1оментами поступления импульсов счи вания с выхода Пакет блока управл ния 5 на управляющий вход блока клю чей 9. Для исключения неоднозначнос считывания, возникающей вследствие изменения кода реверсивного счетчик 6 в момент считывания, считывающие импульсы с выхода Пакет блока управления 5 подаются также на элемен запрета 7 и прекращают поступление тактовых импульсов с генератора 13 на реверсивный счетчик б на время считывания кода. Длительность этапа Преобразование определяется длительностью реализации сигнала, ввод мого в устройство обработки. Эта длительность должна быть учтена при анализе статистики медленных измене ний масштаба сигнала с целью выбора достаточной длительности этапа Нор мирование. Таким образом, на первом этапе в двоичном счетчике фиксируется код наибольшего значения сигнала и формируется опорное напряжение для первого цифро-аналогового преобразователя, равное с точностью до кванта il , наибольшему входному напряжению .н . (10) При этом будет установлена величина кванта первого ЦАП равная Код текущего значения сигнала при i-M отсчете на этапе Преобразование можно записать в виде Увеличим масштаб того же сигнала в k раз. При маибольшее значение .н V TM- Текущее значение и увеличивается в одинаковое число, т.е. в k раз. Сравним результаты преобразования сигналов обоих масшта.бов (см. выражения (9) - (12) при условии, что текущие значения сигналов были взяты в одинаковый характерный момент времени (сигналы имеют одинаковую форму). При этом получим (Цн )к Чн 3 (о2н )и kUoan ; (lA) (йгн)и. йа„ ; (is) - (16) Из выражения (16) следует, что код текущего значения сигнала не изменяется при изменении масштаба сигнала, что подтверждает возможность получения положительного эффекта нормализации кода преобразуемых сигналов. При этом информация с масштаба сигнала также фиксируется в виде кода наибольшего значения сигнала, общего для всех преобразуемых текущих значений сигнала в данном цикле, хранящегося в двоичном счетчике согласно выражению (13). Нормализация достигается благодаря изменению опорного напряжения в соответствии с выражением (14) и кванта первого цифроаналогового преобразователя в соответствии с выражением (15) пропорционально изменению масштаба наибольшего значения сигнала. Применение предложенного АЦП в устройствах цифровой обработки, использующих информацию только о форме сигналов, позволяет существенно сократить их разрядность, ограничив ее только требуемой относительной точностью представления числа, и, тем самым, в той же прспорции сократить объем, вес и стоимость аппаратуры, а также повысить ее быстродействие. При необходимости может быть получена полная информация с сигнала с учетом его масштаба. Код текущих значений сигнала с учетом масштаба может быть получен путем вычислений по следующей формуле: 1ч , Чн В выражение (17) входят величины кодов текущих значений сигнала , фиксируемые последовательно на этапе Преобразование в реверсивном счетчике, и код наибольшего значения фиксируемый в двоичном сигнала L