Двухканальный аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1983 года по МПК H03K13/17 

или значительное увеличение задержк его срабатывания. Цель изобретения - повышение быс родействия АЦП при преобразовании им напряжений. о « Поставленная цель достигается те что в двухканальный аналого-цифрово преобразователь, содержащий два бло сравнения амплитуд, первые входы ко торых соединены с входной шиной, BT рые входы соответственно - с выхода ми двух преобразователей кода в наЬряжение, входы которых через ключи соединены соответственно с прямыми выходами триггеров первого и второг регистров, первые входы которых соед нены с первыми входами -триггеров уп равления и с шиной сигнала начальной установки, вторые входы триггеров старших разрядов первого и второго регистров соединены с шиной запуска и с вторым входом триггера управления старшего разряда, а третьи входы триггеров первого и второго регистров - с выходами элементов совпадения, первые входы которых соединены соответственно с выходами триггеров управления, а вторые входы через пер вый и второй элементы запрета соединены соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения, вве дены управляемый генератор импульсов блок управления, а в каждый разряд, кроме старшего,- дополнительный триг гер управления, девять элементов И, дополнительный элемент запрета, четыре элемента ИЛИ, выходы первого и второго из которых соединены соответственно с третьими входами триггеров соответствующих разрядов первого и второго регистров, а входы с выходами первого, второго, третьего четвертого, пятого и шестого элементов И, при этом первые входы первого и четвертого элементов И соединены с первым выходом блока управления, первые выходы второго и пя того элементов И - с вторым выходом блока управления, первые входы треть его и шестого элементов И - с третьим выходом блока управления, а вторые входы первого и пятого элементов И соединены с выходом седьмого элемента И и первым входом третьего эле мента ИЛИ, вторые входы второго и четвертого элементов И - с первым входом седьмого элемента И, прямым выходом дополнительного триггера управления и первым входом дополнитель ного элемента запрета, вторые входы третьего и шестого элементов И - с выходом триггера управления смежного разряда, первым входом восьмого элемента И и первым входом дополнительного триггера управления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, . третий вход - с четвертым выходом блока управления, а инверсный выход - с первым входом девятого элемента И, первый вход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И, а выход - с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с шиной запуска, третий вход - с шиной сигнала начальной установки, четвертый и пятый входы соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения амплитуд, а пятый выход - с входом управляемого генератора импульсов, шестой выход с третьим входом триггера управления старшего разряда и вторыми входами триггеров управления остальных раз|рядов, седьмой выход -с вторым входом восьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом триггера управления соответствующего разряда, гричек второй вход элемента запрета соединен с вторыми входами элементов совпадения и первым входом четвертого элемента ИЛИ, а выход - с вторым входом четвертого элемента ИЛИ. На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого АЦП; на фиг. 2 - 4 - диаграммы его работы при различных соотношениях измеряемого и компенсационных напряжений. Двухканальный АЦП (фиг. 1) содержит блок 1 управления (БУ), управляемый генерато.р 2 импульсов (ГИ) , п триггеров (Тг) 3 первого и второго. регистров, п триггеров 5 управления, ключей б и 7, преобразователей 8 и 9 кода в напряжение (ПКН), блоки 10 и 11 сравнения амплитуд (СА) измеряемого и компенсационного напряжений, п элементов 12 и 13 совпадения на нулевых входах триггеров соответствующих регистров. Элементы 14 и 15 запрета, а также в каждом разряде АЦП, кроме старшего, п-1 дополнительный триггер 16 управления, п-1 дополнительный элемент 17 запрета, п четыре элемента ИЛИ 18-21 и п девять элементов И 22-30, входную шину 31, шину 32 запуска преобразования, шину 33 сигнала начальной установки, где п - число разрядов АЦП. Переходный процесс установления компенсационных напряжений U на входазс СА 10 и 11 имеет экспоненциальный характер (фиг. 2в, За и 4в). Порядок работы предлагаемого АЦП зависит от соотношения амплитуд измеряемого и компенсационного напряжений, при этом все возможные варианты последовательности его действий можно свести к трем основным, которые иллюстрируются на фиг. 2-4. АЦП при отношении измеряемого напряжения к компенсационному в первом такте и; 1/2 (фиг, 2в) работает следующим образом. В исходном состоянии, устанавливаемом импульсом (фиг. 2а), поступающим на шину 33, триггеры 3,4,5 и 16 во всех разрядах устанавливаются в нулевое состояние, компенсационное напряжение на входе Са 10 равно нулю а на входе СА 11 - максимальному ком пенсационному Up. Во время преобразования компенсационные напряжения изменяются противофазно. Преобразуемое напряжение поступает на входную шину 31. С поступлением импульса на шину 32 (фиг. 26) запуска триггеры 3 и 4 ст.аршего разряда первого и второго регистров устанавливаются в положение , при котором на выходе ПКН 9 образуется отрицательный, а на выходе ПКН 8 - положительный перепад напряжения, по амплитуде равный Ugf,/2 (фиг. 2в, в); триггер 5 управления старшего разряда Устанав ливается в состояние, при котором появляются разрешающие сигналы на входах элементов 12 данного разряда 24,27,30смежного разряда и на D-BXO де дополнительного триггера 16 управ ления смежного разряда (фиг. 1), Этот же импульс запуска поступает на вход БУ 1 и через определенную задержку ff- включает управляемый ге нератор 2 импульсов при условии,.что к этому моменту времени ни одно из устройств 10 или 11 сравнения не сработало.. Если же к этому моменту времени одно из СА 10 или 11 вырабо тало сигнал сравнения, то пуск ГИ 2 блокируется этим сигналом, поступаюищим на вход БУ 1 либо от СА 10, л бо от СА 11 (фиг. 2г,д.) о Задержка ТГр включения ГИ 2 выбирается равной задержке появления си нала сравнения на выходе СА 10 или 11 при соотношении сравниваемых сиг налов на их входах: /Од i--) i . ,., где Од -- преобразуемое напряжение; , компенсационное напряжение на входе СА к моменту на чала i-ro такта преобразования, или nS Wгде tjjc время нарастания компенса . ционного напряжения в такте, преобразования; время отклика СА, т.е. время с момента, когда входной пере пад напряжения пересекает уровень входного порогового напряжения, -до момента, когда выходной сигнал пе-. ресекает уровень напряжения, соотв.етствующий логическому О или 1 . В первом такте уравновешивания при входном измеряемом напряжении U примерно равном Upn/ / пуска ГИ 2. н роизойдет (фиг. 2д) и после срабатывания СА 10 (фиг. 2г) на выходе элемента 14 запрета появляется сигнал, который через элемент 12 старшего разряда устанавливает Тг 3 старего разряда первого регистра в нулевое состояние, что вызывает отключение компенсационного напряжения на входе СА 10. Тг 4 при этом остается в единичном состоянии и компенсационное напряжение на входе СА 11 остается равным U(,p/2. По выключении компенсационного напряжения на входе СА 10 через интервал времени, равный Тр, опять может произойти пуск ГИ 2 сигналом из БУ 1, если к этому моменту времени CAlO не вернулось в исходное состояние,. Фиг. 2д иллюстрирует случай, когда пуск ГИ 2 в первом такте преобразования не происходит и после выключения компенсационного напряжения на входе СА 10. Поэтому Тг 16 во всех разрядах не изменяет своего нулевого состояния и признак того, что ТГ 16 всех разрядов находится в нулевом состоянии, поступает БУ 1 с выхода элементов И 23. По этому признаку ВУ 1 вырабатывает (.фиг.. 2и) после выключения Са 10 сигналы установки в единичное состояние Тг 3 и 4 первого и второго регистров разряда, смежного со старшим, по разрешающему сигналу Тг .5 старшего разряда на входах элементов И 24 и 27. После чего сигналом из БУ 1. (фиг, 2м) производится установка Тг 5 старшего разряда в нулевое состояние, а чуть раньше - установка в единичное состояние смежного разряда по разрешающим сигналам через элемент ИЛИ 20, элемент И 30 от триг- гера 5 старшего разряда и от соответствующего выхода БУ 1 . В заключение такта БУ 1 (фиг. 2н) выр&батывает сигнал установки Тг 16 всех разрядов в нулевое состояние. Для случая, иллюстрируемого фиг. 2, когда измеряемое напряжение Ux равно Uof,/4 с точностью до значения младгиего значащего разряда, следующий второй такт является последним. При включении компенсационных напряжений на входахСА 10 и 11, равных Uon/4, их срабатывания не происходит. Поэтому через интервал времени tp БУ 1 вырабатывает сигнал включения ГИ 2 (фиг. 2д,е), после чего начинается последовательное занесение в Тг 16 всех разрядов, за исключением одного -.старшего. Происходит это следующим образом. Первый импульс с выхода ГИ 2 устанавливает в единичное состояние Тг 16 разряда, смежного со старшим, по разрешающему сигналу Тг 5 разряда смежного со старшим, поступгиощему на вход элемента ИЛИ 21., Во всех следующих разрядах Тг 5 находится в

нулевом состоянии, поэтому запрет н прохождение сигнала с единичного выхода Тг 16 предыдущего разряда к В входу последующего на входах элементов 17 запрета отсутствует, и состояние Тг 16 предыдущего.разряда заносится в следующий разряд через элемент 17 запрета и элемент ИЛИ 21 по импульсам, поступающим с выхода ГИ 2 на синхровходы Тг 16 всех разрядов. После занесения в ТГ 16 последнего младшего разряда преобразование заканчивается.

АЦП работает следующим образом. Если измеряемое напряжение U блико по амплитуде, но, например, несколько меньше 110,/2. Как и в предыдущем случае, исходное состояние устройства устанавливается импульсом (фиг. За), поступающим на шину 33 сигнала начальной установки и производящим те же операции. Компенсационные напряжения.также изменяются противофазно (фиг. Зв, в ). Аналогично и запуск преобразования происходит при поступлении импульса на шину 32 импульса запуска (фиг. 36). Но, в отличие от предыдущего случая, срабатывание СА 10 в первом также присходит с задержкой, большей чем Т г (фиг. Зг), поэтому БУ 1 по импульсу запуска с задержкой, равной т, вырабатывает сигнал пуска ГИ 2 (фиг.Зд е). Первый импульс ГИ 2 по разреша|ющему сигналу Тг 5 старшего разряда, поступающему на D-вход Тг 16.соседнего разряда, заносит в него , второй - устанавливает в единичное состояние Тг 16 следующего разряда, так как на его D-вход поступает разрешающий сигнал с выхода элемента . ИЛИ 21 от предыдущего разряда, кото &1й, в свою очередь, поступает с выхода элемента 17 запрета, на входе которого отсутствует запрет от Тг 5 соответствующего разряда и, следовательно, прохрдит разрешающий сигнал с выхода Тг 16 этого же разряда, уже установленного в единичное состояние первым импульсом ГИ 2. Затем таким же образом следующий импульс ГИ 2 заносит 1 в Тг 16 следующего разряда и т.д.

Останов работы ГИ 2 происходит по срабатыванию СА 10 (фиг. Зг,д) , по которому БУ 1 снимает, сигнал разрешения работы ГИ 2. Обычным образом через элемент 14 запрета и элемент 12 совпадения по разрааающему сигналу Тг 5 старшего разряда происходит установка Тг 3 старшего разряда в нулевое состояние и отключение компенсационного напряжения на входе СА 10, Поскольку возвращение СА 10 в исходное состояние после отключения компенсационного напряжения происходит

с задержкой, меньшей Гр, пуск ГИ 2 в этом случае не происходит.

По возвращении СА 10 в исходное состояние ЗУ 1 вырабатывает серию управляющих сигналов (фиг. Зк, м, н) в результате действия которых в тех разрядах, в которых Тг 16 были установлены в единичное состояние, происходит установка в единичное состояние Тг 3 через элементы И 23 и ИЛИ 18, а через схему выделения крайней (младшей) единицы, организованную на элементах И .28 всех разрядов, .происходит устансЕка в единичное состояние Тг 4 того разряда, где находится крайний младший Тг 16, t axGдящийся в единичном состоянии. С;-:г нал установки (фиг. Зк) поступает на единичный вход соответствующего .разряда Тг 4 через элемент И 26 и элемент ИЛИ 19. После чего сигиалом чз БУ 1 (фиг. 3м) производится устакопка Тг 5 старшего разряда в нулевое состояние, а чуть раньше - установка в единичное состояние соответствующего разряда Тг 5 через ту же схему В1 1деления крайней единицы, на элементах И 28, разрешающий сигнал с выхода которой через элемент ИЛИ 20 поступает на D-вход Тг 5 соответстнующего разряда. В следующем такте на вход СА 10 поступает компенсационное напряжение, сформированное группой разрядов Тг 3, а на вход СА 11 комбинацией старшего разряда и соответствующего младшего разряда, Та,ким образом происходит объединение нескольких тактов уравновешивания в один, в результате чего суммарное время преобразования сокращается. Что касается выбора частоты, с которой работает генератор импульсов ГИ то нетрудно показать, что оптимальным является период следования импульсов ,7Rf,Cp. При .отклонении этого периода в ту или иную сторону количество тактов преобразования может увеличиться, т.е. режим работы АЦП станет не оптимальным.

Работа АЦП в случае, когда измеряемое напряжение U много меньше компенсационного напряжения Иц, подаваемого на вход СА 10 и равного в первом такте Ujjf,/2 , осуществляется следующим образом. Установка в исходное состояние и запуск АЦП происхо-, дит аналогично рассмотренным выше случаям. Срабатывание СА 10 в первом такте при появлении на его входе компенсационного напряжения Uor,/2 происходит с задержкой меньшей fг-(ФиГс4 г), поэтому пуск ГИ 2 блокируется. Дальнейшая последовательность действий АЦП после срабатывания -СА 10 совпадает с последовательностью действий, имевшей место в случае, проиллюстрированном фиг. 2, ВПЛОТЬ до установки Тг 3 старшего разряда в нулевое состояние и отключения компенсационного напряжения , /2 на входе СА 10. Однако возвращение СА 10 в исходное состояние после отключения на его входе компенсационного напряжения происходит с задержкой, превьпиющей Тг, и, следовательно, БУ 1 вырабатывает сигнал пуска ГИ 2 (фиг. 4г, д, е). -После чего дальнейшая последовательность действий совпадает с последовательностью действий, описанной в предыдущем случае (фиг. 3) от момента пуска и до момента останова ГИ 2,при срабатывании-СА 10(фиг.

Затем Бу 1 вырабатывает серию управляющих сигналов (фиг. 4л, м, н), в результате действия которых в тех разрядах, где Тг 1б были установлены импульсами ГИ 2 в единичное состояние, происходит установка в. единичное состояние Тг 4 (а не Тг 3, как в предыдущем случае) через элементы и 25 и ИЛИ 19, а через схему выделения крайней (младшей) единицы, построенную на элементах И 28 всех разрядов, происходитустановка в единичное состояние Тг 3 самого младшего разряда из тех, где Тг 16 были установлены в единичное сос.тояние. Сигнал установки (фиг. 4л) поступает на единичный вход соответствующего разряда Тг 3 через элемент И 22 и элемент ИЛИ 18. После чего сигналом из Бу 1 (фиг. 4м) происходит установка в единичное состояние соответствующего разряда Тг 5, разрешающий сигнал формируется той же схемой выделения крайней единицы и поступает на D-вход Тг 5 через элемент ИЛИ 20. Затем обычным образом происходит установка в нулевое состояние старшего разряда Тг 5 и (фиг. 4н) всех разрядов Тг 16 сигналом, вырабатываемым БУ 1..

Ь следующем такте на вход СА10 поступает компенсационное напряжение сформированное соответствующим младшим разрядом Тг 3, а на вход СА 11 напряжение, сформированное группой разрядов Тг 4. Следовательно, ив этом случае происходит объединение тактов преобразования и суммарное время преобразования сокращается. Таким образом, при определенном сортрешении амплитуд преобразуемого и текущего, компенсационного напряжений на входах устройства сравнения происходит автоматическое объединение нескольких тактов уравновешивания в один, в ргзультат чего суммарное время аналого-цифрового преобразования сокращается.

Формула изобретения

Двухканальный аналого-цифровой прербразователь, содержащий два блока сравнения амплитуд, первые входы которых соединены с входной шиной, вторые входы - соответственно с выходами двух преобразователей кода в напряжение, входы -которых через ключи соединены соответственно с выходами триггеров первого и второго регистров , первые входы которых соединены с шиной сигнала начальной установки и с первыми входами триггеров управления, вторые входа триггеров старших разрядов первого и второго регистров соединень с шиной запуска и с вторьам входом триггера управления старшего разряда,vа третьи входы триггеров первого и второго регист5ров - с выходами элементов совпадения, первые входы которых соединены соответственно с выходами триггеров управления, а вторые входы через первый и второй элементы запрета сое0динены соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены управляемый генератор

5 импульсов, блок управления, а в каждый разряд, юроме старшего, - дополнительный триггер управления, девять элементов И, дополнительнь«й элемент запрета, четыре элемента ИЛИ, вы0ходы первого и второго из которых соединены соответственно с третьими входами триггеров соответствующих разрядов первого и второго регистров, а входа - с выходами первого,

5 второго, третьего, четвертого, пятого и шестого элементов И, при этом первые входы первого и четвертого элементов И соединены с первым выходом блока управления, первые вхо0ды второго и пятого элементов И - с. вторым входом блока управления, первые входы третьего и шестого элементов И - с третьим выходом блока управления, а вторые входы первого и

5 пятого элементов И соединены с выходом седьмого элемента И и первым входом третьего элемента ИЛИ, вторые входы второго и четвертого элементов И - с первым входом седьмого элемента И, прямым выходом дополни0тельного триггера управления и .первым входом дополнительного элемента запрета, вторые входы третьего и щестого элементов И - с выходом-триггера управления смежного разряда, первым

5 входом восьмого элемента К и первым входом дополнительнргр триггера управления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, третий вход - с чет0вертым выходом блока управления, а инверсный выход - с первым входом девятого элемента И, второй вход которого соединен с вторым входом Седьмого элемента И, а выход - с пер5вым входом блрка упрайления, второй

вход которого соединен с шиной запуска, третий вход - с шиной сигнала начальной установки, четвертый и пятый входы - соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения амплитуд, пятый выход - с входом управляемого генератора импульсов, шестой выход - с третьим входом триггера управления старшего разряда/ и вторыми входами триггеров управления остальных разрядов, седьмой выход - с вторым входом восьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом триггера управления соответствующего разряда, причем второй вход

элемента запрета соединён с вторыми входами элементов совпадения и первым входом четвертого элемента ИЛИ, а выход - с вторым входом четвертого элемента ИЛИ i

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств М., Энергия, 1975, Со 299-302, рис. 7.7; Шляндин ВоМ. Цифровые измерительные преобразователи и приборы, М., Высшая школа, 1973, с. 216, рис. 4.8,

2. Авторское свидетельство СССР № 517997, кл. Н 03 К 13/17, 1973 (прототип) .

. t I

«1

-®

«I

л

м

f

М

f

tL

ФиъЛ