Аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК д) 4 Н 03 М 1/46 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Вх ФО вСЮ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт проблем управления(56) Авторское свидетельство СССРУ 839045, кл. Н 03 М 1/46, 1978.Авторское свидетельство СССРУ 1349004, кл. Н 03 М 1/46, 1985.(57) Изобретение может использоватьсяв устройствах автоматики. Каждыйтакт поразрядного уравновешиванияначинается с кратковременного сброса.фильтра 6 посредством ключа 22 с по 801410271 А 1 мощью одновибРатоРа 21, после чег, на конденсаторе 7 накапливается по" лезный сигнал рассогласования до тех пор, пока не сработает один из компараторов 3 или 4, образующих "окно", ширина которого задается во времени формирователем порогового напряжения 11 (функциональным генератором). Если сигнал рассогласования меньше разрешающей способности АЦП, то реле времени 18 и триггер 19 формируют выходной сигнал "Конец преобразова" ния", в противном случае элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5,17, ИЛИ 20 инициируют такт уравновешивания. За счет асинхронного режима работы АЦП увеличивается его быстродействие. 3 з.п, Ф ф лы 1 илайС-ЬЙ ( Бф(е) (аБрЪ+ЪЙгде а и Ь - коэффициенты,время от момента окончания выходного импульсаодновибратора 21.Коэффициент Ь зависит от спектральной плотности шума и указаннойвероятности. Слагаемые вида аПхарактеризуют линейное интегрирование сигнала Н(с учетом усилениятока (УТ) 8 ),а слагаемые +Ъ Е - диапазон изменения Нщ. Равенствоперешло в неравенство потому, чтоБш(с) является величиной случайной,и для нее можно лишь указать среднеезначение в размах колебаний (аналогично дисперсии) с некоторой вероятностью.Одновременно с изменением Цфначинает увеличиваться выходное напряжение Б формирователя пороговогоинапряжения 11. На выходах парафазного усилителя 16 оно превращаетсяв два напряжения: (+Ил) и (-Бд), поступающие соответственно на вторые 1 1410Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в устройствах ввода аналоговой информациив цифровые вычислительные устройства.Цель изобретения - повышение 5быстродействия.На чертеже приведена функциональная структурная схема АБП.Устройство содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 1, блоксравнения 2, выполненный на компараторах 3, 4 и элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕИЛИ 5, фильтр 6, выполненный на конденсаторе 7 и усилителе тока (УТ) 8,регистр последовательного приближе 15ния (ВПП) 9, резистор 10, формирователь порогового напряжения 11, выполненный на ЦАП 12, запоминающем устройстве 13, счетчике 14, генераторетактовых импульсов 15, парафазномусилителе 16, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕИЛИ 17, реле времени 18, триггер 19,элемент ИЛИ 20, Формирователь импульсов (одновибратор) 21, ключ 22.Устройство работает следующим25образом,Для запуска устройства на вход"Сброс" устройства должен быть поданкороткий импульс. При этом регистрпоследовательных приближений 9 устанавливается в исходное состояние. "обнуляются все разряды РПП 9, кроместаршего, Начинается процесс установления выходного тока ЦАП 1. Тот жеимпульс сбрасывает триггер 19, и;сигнал "Конец преобразования" на соответствующей выходной шине устрой,ства исчезает. Проходя через элементИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, тот же входнойимпульс сброса устройства вызывает 40кратковременное инвертирование логического уровня на выходе элемента 17,и отрицательный перепад сигнала навыходе элемента 17 запускает одновибратор 21. Одновибратор 21 вырабатывает положительный импульс, сбрасывающий в начальные состояния формирователь порогового напряжения 11 (вчастности, счетчик 14) и Фильтр 6(например, путем шунтирования конден Осатора 7 замкнутым ключом 22), Крометого, выходной импульс одновибратора 21 перезапускает реле времени 18.Длительность выходного импульсаодновибратора 21 установлена такой,чтобы к моменту его окончания нетолько успели полностью сброситьсяфильтр б и формирователь пороговогонапряжения 11, но и успело устано 271 2виться значение выходного тока ЦАП 1 с погрешностью, определяемой требуемым разрешением всего устройства,С момента окончания выходного импульса одновибратора 21 начинается собственно процесс определения знака рассогласования между входным аналоговым сигналом и кодовым эквивалентом, имеющимся в РПП 9 (обозначим напряжение рассогласования, приведенное к аналоговому входу устройства, через Бр). Прежде всего расшунтируется конденсатор 7 фильтра 6 и напряжение Б на выходе фильтра 6 начинафет нарастать по абсолютной величине от нулевого значения в положительную или отрицательную сторону в зависимости от знака Бф. Напряжение 0 ф на выходе фильтра 6 содержит две компоненты: полезную Б , связанную с величиной Бр, и шумовую БшПф(") = Нс(") + НшНа характер зависимостей П (С) и цш(г) влияют импульсная характеристика фильтра б, а также закон распределения и частотный спектр шума, приведенного к аналоговому входу АЦП. Для белого гауссового шума оптимальным (с точки зрения максимального положительного эффектв в АЦП) является интегратор, и выполняется с некоторой наперед заданной вероятностью неравенство1410271 3входы компараторов 3 и 4. Таким образом, формируется "окно" шириной 2 У, . По программе, заложенной в запоминающее устройство 13, на выходе дополнительного ЦАП 12 формируется напряжение Б (его ступенчатый ха,рактер слабо выражен из-за сравнительно высокой частоты генератора тактовых импульсов 15), Заложенная в запоминающее устройство 13 программа изменения П(й) соответствует зависимости амплитуды П,(1) от времени, Для рассматриваемого случая (гауссовый белый шум)Пп Ь. + По"Окно" расширяется с течением .времени в соответствии с ростом ожидаемой амплитуды шума. Добавка У еще несколько увеличивает "окно" с тем, чтобы учесть возможную зону нечувствительности компараторов 3 и 4Поскольку с течением времени с составляющая Б с ( Т ) растет быстрее ( пропорционал ьно Г ) , чем амплитуда Уц ( С ) ( пр опорционально Я ) , то в конце концов в момент времени один из к омпарат ор ов 3 или 4 переключается ,Для " кБо УЬ- (г. (ю (4)а(Б ) к аУР рфЫаксимальное время задержки срабатывания блока сравнения 2 быстро увеличивается с уменьшением рассогласования входного сигнала и кодового эквивалента в РПП 9. Это свойство устройства используется для остановки процесса преобразования на любом 40 такте, если только У в этом такте окажется меньше желаемой разрешающей способности устройства Д Б. В этом случае реле времени 18, задержка срабатывания которого установлена 45 несколько больше максимального Спри У Р = В Б, сработает раньше, чем переключится один из компараторов 3 или 4. Выходной положительный импульс реле времени 18 устанавливает триг- О гер 19 и на выходной шине "Конец преобразования" появляется высокий логический уровень, который, поступая на третий вход элемента ИЛИ 20, запрещает прохождение каких-либо отрицательных перепадов на вход синхронизации РПП 9. Таким образом, процесс преобразования остановлен, и устройство ожидает нового запускающего им 4пульса по входу "Сброс", после поступления которого описанные процессыповторятся.Если в рассматриваемом такте поразрядного уравновешивания Б былодостаточно велико, то один из компараторов 3 или 4 в зависимости от знака 01 сработает раньше, чем сработает реле времени 18, сигнализируя овыходе П за пределы "окна", Приэтом логический уровень на выходеэлемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 обращается в нуль, соответствующий отрицательный перепад происходит черезэлемент ИЛИ 20, попадает на входсинхронизации РПП 9 и вызывает считывание выходного сигнала компаратора3 (в этом смысле компараторы 3 и 4равноправны) в РПП 9 через информационный вход последнего. Тот же отрицательный перепад проходит черезэлемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, запускает одновибратор 21, выходной сигналкоторого, воздействуя на второй входэлемента ИЛИ 20, переводит его выходной сигнал в состояние высокого уровня, далее процесс идет так же, как и при запуске АЦП внешним сигналом "Сброс", но уже следующего такта поразрядного уравновешивания (непроисходит лишь сброса триггера 19 -он и так стоит в нулевом состоянии) .В дальнейшем ход процесса преобразования вновь зависит от того, что сработает раньше- один из компараторов 3 или 4 или реле времени 18.Один из рассмотренных процессовповторяется и так далее.В АЦП время преобразования зависит от преобразуемой величины. Например, процесс преобразования можетзакончиться даже на первом такте поразрядного уравновешивания, если преобразуемый сигнал близок к весу старшего разряда АЦП. Напротив, про-, цесс преобразования может продолжаться вплоть до последнего, самого младшего разряда устройства. Самым неблагоприятным с точки зрения быстродействия является случай, когда знаки чередуются от такта к такту. В наиболее неблагоприятных случаях значения (ряд значений) БР определяются соотношением-2.Р 3 где и - номер такта уравновешивания (пу О), 5 1Б - напряжение кванта (младшего.разряда) АЦП, Обычно" Ф "ив 2Из соотношения следует, что только в двух тактах (П) оказываетсяминимальным (по 0,5 Бк ), в остальных - больше. Учитывая, что максимальные значения Ь обратно пропорциональны квадрату Пр, можно сделатьвывод, что основной вклад во времяпреобразования устройства вноситуравновешивание только в двух тактах,а не во всех, как у прототипа.Таким образом, выигрыш по быстродействию у предлагаемого АЦП по сравнению с прототипом численно равен, по крайней мере, половине числа разрядов АЦП, Кроме того, устройство имеет при этом еще и большую разрешающую способность за счет оптимальной фильтрации сигнала при преобразовании, Положительный эффект несколькоснижается за счет задержек ключа 22, компараторов 3 и 4, элементов 5, 17,20, триггера 19. Однако при современном уровне технологии эти задержки 1 могут быть сделаны весьма малыми. Предлагаемый АЦП может иметь время преобразования до 300-500 нс при16 разрядах (практически " несколько большее), в то время как лучшие образцы АЦП поразрядного уравновешивания и параллельно последовательных АЦБ имеют время преобразования в2-3 мкс при той же разрешающей способности.Формула изобретения1Аналого-цифровой преобразователь, содержащий цифроаналоговыйпреобразователь, выход которого черезтокоограничивающий элемент, выполненный на резисторе, соединен с входной шиной, блок сравнения, первый .вход которого соединен с выходом ключа, информационный вход которого 1соединен с общей шиной, а управляющий вход - с выходом формирователя импульсов, первый выход блока сравнения соединен с информационным входом регистра последовательного приближения, выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены фильтр, формирователь порогового на 410271 6 50 5 10 5 20 25 30 35 40 и второго компараторов являются соответственно вторым и третьим входами блока,4, Преобразователь по п. 1 о тл и ч а ю щ и й с я тем, что формирователь порогового напряжения выполнен на последовательно соединенныхгенераторе тактовых импульсов, счетчике, запоминающем устройстве, цифроаналоговом преобразователе и парафазном усилителе, первый и второй выходы1410271 которого являются первыми и вторым .входом которого является вход сбросавыходами формирователя соответственно, счетчика. Тираж 928 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5