Устройство двухступенчатого аналого-цифрового преобразования

(511 ГОСУДПО ДЕЛ САНИЕ ИЭОБРЕТ институтВ. Зарубин 809543,ТУП ЕНЧ АТО- ПРЕОБРАЗОимпульснои строго преических сигЕНКЫЙ КОМИТЕТ СССРЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(57) Изобретение относитсятехнике и предназначено дляобразования аналоговых элект 80126600 налов в цифровой двоичный код в измерительных приборах, системах связи, цифровом телевидении. Изобретение позволяет повысить быстродействие устройства, содержащего аналого-цифровой преобразователь 6, сумматор 7, цифроаналоговый преобразователь 11, первый блок 3 аналогового вычитания, коммутатор 8, за счет введения в него первого 1 и второго 2 блоков выборки и запоминания, второго блока 4 аналогового вычитания, аналогового переключателя 5, регистра 9 памяти, счетчика 10, элемента ИЛИ - НЕ 12, элемента ИЛИ 15, сдвоенного компаратора 13, источника 14 опорного напряжения, распределителя 16 импульсов, генератора7 опорной частоты.3 ил.Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для быстрого преобразования аналоговых электрических сигналов в цифровой двоичный код в измерительных приборах, системах связи и цифровом телевидении.Пель изобретецияповыцение быстро. действия устроггства.На фиг.представлена структурная схема устройства двухступеццатого аналогоцифрогзого преобразования; на фиг. 2 - эпюры наггряжейгй в аналоговой части устройства; на фиг. 3 - диаграммы состояний цифровых элементов.Устройство содержит первый 1 и второй 2 блоки выборки и запоминания, первый 3 и второй 4 блоки аналогового вычитания, аналоговый переклюцатель 5, аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП), сумматор 7, коммутатор 8, регистр 9 памяти, счетчик 1 О, цифроаналоговый преобразователь 1 ЦАП) элемент ИЛИ - НЕ 12, сдвоенный компара. тор 13, источник 14 опорного напряжения, элемент ИЛИ 15, распределитель 16 импульсов и генератор 17 опорной частоты,Устройство работает следующим образом.В начале текуцего цикла преобразования на четвертом выходе распределителя 6 импульсов появляется илпульс записи и напряжение входного сигцала фиксируется первым блокомвьборки и запоминания фиг. 2 а), с выхода которого оно подается ца второй и первый входы соответственно первого 3 и второго 4 блоков аналогового вьнгтания. Одновременно на второй входвторого блока 4 аг,алогового вь- читания поступает с выхода второго блока 2 выборки и заггомииания напряжение предыдущей выборки (фиг. 2 с), которое передано во второй блок 2 выборки и запомицания из первого блока 1 выборки и запоминания по сигналу с первого выхода распределителя 16 импульсов в предыдущем цикле иреоб азовгция. На первый вход первого блока 3 аналогового выцитания подается ступенчатое пилообразное напряжение, формируемое счетчиком О, на вход которого с частотой взятия отсчетов поступают импульсы с цетвертого выхода распределителя 6 импульсов, и 1 АП (фиг. 2 в), Величина каждой ступени этого напряжения равна 2 Ео, а длительность соответствует количеству циклов преобразования, е теценне которых ие изменяется состояние старших разрядов сцетчцка 10, подключенных к входу ЦАП 1. При числе младших разрядов с ет икаО, равном т, частота изменения состояния его старших разрядов, а значит, и частота цифроаналогового преобразования, меные частоты гЗятиг Отсче.тов в и=2" раз. На выходе первого блока 3 аналогового вычитания образуется разность между напряжениями текунгей выборки и ступенчатым пилообразным ,фиг. 2 г), а на г 5 2 О 25 .О 35 4 О 45 50 55 выходе второго блока 4 аналогового вычи танияразность между напряжениямтекущей и предыдуцей выборок. Эти разностные напряжения поступают на входы. аналогового переклсчателя 5, уйравление которым осуигествляется с помощью сдвоенного компгратора 3, элемента ИЛИ - НЕ 12 и элемента ИЛИ 15. На второй и третий входы сдвоенного компаратора 13 с источника 14 опорного напряжения подаются пороговые напряжения - Ео и .+Ео.Первый блок 3 аналогового вычитания, счетчик 10, ЦАП 11, сдвоенный компаратор 13 и источник 14 опорного напряжения образуют первую ступень устройства, двух. ступенчатого аналого-цифрового преобразования. С помощью первой ступени производится анализ уровня текущей выборки с крупным шагом 2 Ео, равным полной шкале АЦП 6, стоящего во второй ступени и обеспечивающего квантование с мелким шагом.Если разность между напряжением текущей выборки и ступенчатым пилообразным, поступающая на первый вход сдвоенного компаратора 13 с выхода первого блока 3 аналогового вьчитания, не превышает Ео по абсолютной величине фиг. 2 г, циклы 1 и 2), то сдвоенный компаратор 13 формирует логический О, который подается на второй вход элемента ИЛИ 15 (фиг. За, циклы 1 и 2). Б противном случае на второй вход элемента ИЛИ 15 поступает логическая 1, На первьй вход элементг ИЛИ 15 с выхода элемента ИЛИ - НЕ 12 подается логическая 1 в тех циклах преобразова. ния (фиг. 36), когда на выходах всех младших разрядов счетчика 10 появляются логические О, цто соответствует моменту переключения ЦАП 11 (на фиг, 2 в участки ступенчатого пилообразного напряжения заштрихованы). Если в данном цикле выходное напряжение ЦАП 11 не изменяется, то на первый вход элемента ИЛИ 15 подается логический О,Таким образом, логический уровень на выходе элемента ИЛИ 15 зависит от результата анализа первой ступенью устройства напряжения текущей выборки и от того, происходит ли переключение ЦАП 11 в данном цикле преобразования. Этот логический уровень определяет режим работы второй ступени устройства, в которую входят аналоговый переключатель 5 и АЦП 6, Вторая ступень устройства выполняет точное аналого-цифровое преобразование с мелким шагом который для 1-разпядного АЦП 6 равен 2 Ео/2При наличии логической 1 па выходе элемента ИЛИ 15 (фиг. 2 д, 3 в. циклы 1,3,4,5) с входом АЦП 6 через аналоговый переключатель 5 соединяется выход вто.рого блока 4 аналогового вычитания, а коммутатор 8 находится в таком состоянии, когда выходы регистра 9 памяти подключены к вторым входам суМматора 7, На50 55 вход параллельного АЦП 6 с выхода второго блока 4 аналогового вычитания поступает разность напряжений текущей и предыдущей выборок (фиг, 2 е, циклы 1,3,4,5). Устройство работает в таком режиме, когда происходит переключение ЦАП 11, или когда напряжение текущей выборки отличается от ступенчатого пилообразного на величину, по абсолютному значению большую, чем Ео, АЦП 6 является биполярным, с рабочим диапазоном входных напряжений от - Ео до +Ео. Г 1 олученное после преобразования цифровое значение разности между текущей и предыдущей выборками с выхода АЦГ 6 подается на первые входы сумматора 7 (фиг. Зг). На вторые входы сумматора 7 через коммутатор 8 поступает с выхода регистра 9 памяти цифровое значение предыдущей выборки (фиг. Зе, циклы 1,3,4,5). В результате на выходе сумматора 7 образуется двоичный код текущей выборки, который в конце цикла преобразования записывается в регистр 9 памяти (фиг. Зж, цикль 1 1,3,4,5). Управление работой АЦП 6 и регистра 9 памяти осуществляется импульсами, поступающими с второго и третьего выходов распределителя 16 импульсов соответственно. На этом заканчивается цикл преобразования текущей выборки.Если в данном цикле преобразования не происходит переключения ЦАП 11 и напряжение текущей выборки отличается от ступенчатого пилообразного не более, чем на Ео, то на выходе элемента ИЛИ 5 появляется логический О (фиг. 2 д, Зв, цикл 2), и вторая ступень устройства переходит в режим квантования разности между напряжениями текущей выборки и ступенчатым пилообразным. При этом с входом АЦП 6 через аналоговый яереключатель 5 соединя ется выход первого блока 3 аналогового вычитания, а коммутатор 8 находится в та-ком состоянии, когда к вторым входам сумматора 7 подключены выходы старших разрядов счетчика 10, на которых сформировано цифровое значение ступенчатого пилообразного напряжения (фиг. Зд). Разность напряжения текущей выборки и ступенчатого пилообразного напряжения поступает с выхода первого блока 3 аналогового вычитания на вход АЦП 6 (фиг. 2 е, цикл 2), на выходах которого после преобразования образуется цифровое значение этой разности, поступающее на первые входы сумматора 7 (фиг. Зг, цикл 2). На вторые входы сумматора 7 через коммутатор 8 подается с выходов старших разрядов счетчика 10 цифровое значение ступенчатого пилообразного напряжения (фиг. Зе, цикл 2). Полученный после сложения двоичный код текушей выборки вводится в регистр 9 памяти (фиг. Зж, цикл 2).Данный режим работы устройства эквивалентен квантованию абсолютного значения текущей выборки, так как известно точно цифровое значение ступенчато о иилообразного напряжения. Очевидно, что в этом ре.жиме устройство работает не реже одного раза за период ступенчатого пилообразного напряжения, а в остальных циклах аиа.лого-цифровому преобразованию иодвергаеся разность между двумя соседнимн выборками, т. е. производится относительное кван.тование с иоследу 1 оцим восстановлением абсолютного значения выборки в цифровой 10 форме. Периодически повторяемое абсолютное квантование устраняет свойственное от.носительному квантованию накопление ошибок. Кроме того, в тех циклах преобразования, когда переключается ЦАГ1, устройство работает только в режиме относительного квантования, благодаря чему исключается влияние переходных процессов ЦАП 11 на точность аналого-цифрового преобразования.Частота цифроаналогового преобразования в предлагаемом устройстве в и=2" раз меньше частоты взятия выборок (и выбирается равным 4 - 8, соответственно т=2 - 3), и быстродействие цифроаналогового преобразователя не влияет на быстродействие всего устройства, Исключается и влияние переход ных процессов в цифроаналоговом преобразователе, так как с момента их возникновения до момента их окончания устройство работает в режиме относительного квантования, и выходное напряжение цифроаналогового преобразователя не участ.вует в формировании цифровых значений отсчетов сигнала. Благодаря тому, что для реальных источников сигнала соседние выборки достаточно сильно коррелированы, раз.ность между ними в среднем значительно меньше их абсолютных значений. Так как в режиме относительного квантования требуемая разрядность АЦП 6 определяется разностью между двумя соседними выборками, он может иметь малое число разрядов беэ снижения точности аналого-цифрового 4 О преобразования. В режиме абсолютного квантования требование к разрядности АЦП 6 не повышается, потому что в этом случае на вход АЦП 6 поступает напряжение, не превышающее по абсолютной величине ио.рогового напряжения Ео, которое может быть 45 выбрано достаточно малым. Сокращение разрядности аналого-цифрового иреобразовате.ля 6 позволяет повысить его быстродействие.Формула изобретения Устройство двухступенчатого аналогоцифрового преобразования, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выходы которого соединены с первыми информационными входами сумматора, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом первого блока аналогового вычитания, коммутатор, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродевтвия. внего введены первый н второй блоки выбор.ки н запоминания, второй блок аналогового вычитания, аналоговый переключатель, регистр памяти, счетчик, элемент ИЛИ - НЕ, элемент ИЛИ, сдвоенный компаратор, источник опорного напряжения, распределитель импульсов, генератор опорной частоты, выход первого блока выборки и запоминания подклочен к втброму и первому входам соответственно первого и второго блоков аналогового вычитания, а через второй блок О выборки и запоминания - к второму входу второго блока аналогового вычитания, вы.ходы первого и второго блоков аналогового вычитания соединены с первым и вторым информационными входами аналогового переключателя, выход которого подключен к аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя, при этом вторые информационные входы сумматора подключены к вы.ходам ком мутатора, а выходы соединены через регистр памяти с выходными шина, ми и первыми входами коммутатора, вторые входы которого обьединены с входами цифроаналогового преобразователя и соедлнены с выходами старших разрядов счетчи. ка, вьходы младших разрядов которого подключены к входам элемента ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соеди. нен с выходом сдвоенного компаратора, первый вход которого подключен к выходу первого блока аналогового вычитания, аБто. рой и третий входы - к выходам источника опорного напряжения, выход элемента ИЛИ соединен с управляюшими входами аналогового переклкчателя и коммутатора, а управляюшие входы второго, блока выборки и запоминания аналого-цифрового преобразователя и регистра памяти соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходамн распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом гене. ратора опорной частоты, а четвертый выход соединен с входом счетчика и управляюшим входом первого блока выборки и за. поминания, информационный вход которого является входной шиной.Составитель И Техред И, Вере Тираж 816 ВНИИПИГосударственного по делам изобретений 13035, Москва, Ж - 35, Рау иал ППП Патент г. Убогоеда ктор О. Головача к аз 5682/58 РомановаКорректорПодписноекомитета СССРи открытийшская наб., д. 4/5род, ул. Проектная