Аналого-цифровой преобразователь

СО)ОЭ С 0 ВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 9) (11) 3 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ В 26ционный институ тносится к нычисли Изобретениетельной техник ожет быть использонано информ Цел динамипоказана блок-схема а фиг. 2 - схема ус еменным коэффициент г е ист с трс ройс 7 ниятройстно содержитной ступени, блокициента усиления,нных уранией, устстаршей ед компар 2 пере источн ойстно енног оэ 4 выдеэтало ления пернг иницы, пифроа шифратор 5алогоный пре.гупени ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ПНТ СССР К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРВ 588286, кл, Н 03 М 1/34, 1975.(57) Изобретение относится к вычислительной технике, является усовершенствонанием изобретения по авт11 588628, и при использовании н си1 емах преобразования и передачи информации позволяет расширить динамческий диапазон входного сигнала.Аналого-цифровой преобразователь и контрольно-измерительных,ционных и других системах.изобретения - расширениееского диапазона входного содержит компараторы,первой и второйступеней, шифраторы первой и второйступеней, суммирующее и вычитающееустройства, блок переменного коэффициента усиления, формирователь кода,группу элементов И, триггер, элементЗАПРЕТ, сумматор кодов. Выход блокапеременного коэффициента усиленияподключен к первым входам компараторов первой ступени и к одному из нходон вычитающего устроиства, к первым входам сумматора кодов подключены выходы шифратора первой ступени,а к вторым - выходы группы элементовИ, Благодаря этому квантование малых сигналов производится с меньшимкнантом, чем больших, вследствиечего расширяется величина динамического диапазона входного сигнала,1 з,пф-лы, 2 ил. образонатель (ЦАП) 6, вычитающее устройство 7, суммирующее устройство 8,электронный ключ 9, делитель напряжения 10, компараторы 11 второй ступени, шифратор 12 второй ступени,триггер 13, группу элементон И 14,формиронатель 15 кодов, сумматор 16одов и элемент 17 запрета,Устройство работает следующимобразом.Допустим, что элементы 2, 13-17схемы отсутствуют.С помощью эталонных уровней, поданаемых от источника 3, весь диапазонвыходного сигнала 0 - А, делится наряд поддиапазонов: 0 А/2 "; А/2 "А/2 ; А/2 - А/2 ; , А/2 - А, 1494218где 1 с - количество компараторов впервой ступени. Для примера А = 5,1 с = 7. Тогда весь диапазон входногосигнала 0 - 5 В разобъется на следую 5щие поддиапазоны: 0 - 39,1 мВ - нулевой, 39, 1 - 78, 1 мВ - первый; 78, 1156,2 мВ - второй; 156,2 - 312,5 мВ -третий, 312,5 - 625 мВ - четвертый;625 - 1250 мВ - пятый; 1250 - 2500 мВ 1 Ошестой; 2500-5000 мВ - седьмой,После срабатывания компараторов1 первой стуцени на их выходе формируется так называемый единичный код.В 1-й позиции этого кода стоит " 1",если сработал 1-й компаратор, и"0", если не сработал. В данном примере К = 1-7. Устройство 3 формируетсоответствующие значения эталонныхуровней - 39.1 мВ, 78.1 мВ.202500 мВ, устройство 4 выделения старшей единицы формирует код, имеющий"1" только в одной позиции - соответствующей старшему сработавшему компаратору и "0" в остальных позициях. Этот код поступает на шифратор5 первой ступени, который формируетдвоичный код, несущий информациюо номере поддиапазона, в которомнаходится измеряемое напряжение. Кроме того, код с единицей водной позиции поступает на ЦАП 6, на выходекоторого образуется сигнал, равныйближайшему меньшему, чем Б, эталонному напряжению, подаваемому на компараторы 1 первой ступени. Очевидно,35что величина этой разности в зависимости от конкретного значения 0находится в следующих пределах: 0 -39, 1 мВ - для нулевого и первогопод- фдиапазонов 1 0 - 78 мВ - для второго;0 - 156 мВ - для третьего и т.д.,0 - 2500 мВ -иодля старшего, седьмого.Напряжение с выхода ЦАП 6 поступает на вход устройства 8, где это 45напряжения складывается с выходнымнапряжением ключа 9. Этот ключ открыт, когда не сработал компаратормладшего уровня первой ступени, т.е.когда входное напряжение лежит в нулевом поддиапаэоне. Таким образом,на выходе суммирующего устройства 8имеются следующие напряжения:39,1 мВ - для нулевого и первогоподдиапаэонов, 7891 мв - для второго 55156,2 мВ - для третьего и т.д2500 мВ - для старшего, седьмого.Укаэанные напряжения с помощьюделителя 10 делятся на Р равных частей, где Р - число компараторов второй ступени, Р - 2, с = 2,3, Вданном примере с = 4, Р = 16. Такимобразом, на выходе делителя 10 формируется сетка эталонных уровней, Приэтом величина кванта в второй ступени (разность между соседними эталонными уровнями) равна: 2,44 мВдля нулевого и первого поддиапазонов, 4,88 мВ - для второго и т.д.,156,2 мВ - для старшего,Таким образом, величина квантав известном АЦП при квантовании малых напряжений лежащих в нулевом ипервом поддиапазонах составляетмаисЯ+де 1 цОднако в некоторых случаях такая величина динамического диапазона устройства недостаточна. Допустим, что требуется кодировать малые сигналы с квантом в 16 раз меньшй, т.е о = 2,44/16 = 0,15 мВ, Тогда в известной схеме должны быть сформированы 5 дополнительных поддиапаэонов: 0 2,44 мВ - нулевой дополнительный, 2,44 мВ - 4,87 мВ - первой дополнительный, 4,87 мВ - 9,75 мВ - второй дополнительный, 9,75 мВ - 19,53 мВ третий дополнительный, 19,53 мВ 39,1 мВ - четвертый дополнительный. Однако технически реализовать такую схему затруднительно, поскольку требуется большое число компараторов, способных различить десятые доли мВ.Предложенное устройство работает следующим образом.В начале работы обнуляется триггер 13, при этом с выхода триггера на блок 2 переменного коэффициента усиления подается управляющий сигнал, устанавливающий коэффициент усиления этого устройства в единицу (один из возможных вариантов реализации блока 2 показан на фиг2)Через некоторое время, достаточное для срабатывания компараторов, на элемент запрета подается стробирующий сигнал. На инверсный его вход подается сигнал .с выхода младшего компаратора, входящего в компараторы 1 (т.е. компаратора, на который подается минимальное эталонное напряжение, в данном примере 39,1 мВ). Если входное напряжение лежит в стар1494 ших диапазонах, в данном примере вдиапазонах 39,1-78,1 мВ 1 78,1-156,2 мВи т.д, 2500-500 мВ, то срабатываетмладший компаратор, при этом выход 5нои сигнал младшего компаратора запрещает прохождение стробирующего сигнала на Я-вход триггера, т.е. триггер остается в прежнем состоянии,соответственно, блок 2 имеет как ипрежде коэффициент усиления равныйединице. Далее предлагаемое устройство работает также, как и известное.Рассмотрим "лучай, когда напряжениу Ь меньше младшего эталонногоуровня, подаваемого на компараторы1, т.ев данном примере меньше39,1 мВ. Тогда стробирующий сигналпроходит на 5-вход триггера и уста 20навливает его в единичное состояние,приэтом коэффициент усиления блока2 установится равным Ку 1 в данномслучае К= 16, Напряжения, лежащиев нулевом дополнительном поддиапазоне, перемещаются в нулевой основнойподдиапазон, напряжения, лежащие впервом дополнительном поддиапазоне,перемещаются в первой основной поддиапазон и т,д, В данном примереО, - 2 44 мВ в-- 0 - 39 1 мВ1 1 12 44 - 4 87 мВ- 39 1 мВ1 1 178,1 мВ и т.д.Далее предлагаемая схема работаетаналогично известной,В устройстве производится предварительное сжатие выходной информации. Положим, что входное напряжение Блежит в старших поддиапазонах, т.е, в течение преобразования коэф фициент усиления блока 2 равен единице, В этом случае информация о выходном коде содержится в выходных сигналах трех элементов: шифратора 5 (информация о номере подциапаэона 1 45 в котором находится входное напряжение), шифратора 4 2 (информация о номере интервала, внутри данного поддиапазона)и триггера 13 (информация о том, что массштабировайия не 50 было). Для получения из этих сигналов обычного позиционного двоичного кода (ПДК) необходимо сдвинуть код, снимаемый с шифратора 12 на М единиц влево, где М - десятичный эквивалент кода первой ступени, снимаемого с шифратора 5, Так, если код на выходе шифратора 5 равен 00 1, то необходимо сдвинуть код на выходе шифратора 12 218 6на один разряд влево, если 010 на два разряда и т.д. Полагается, что сдвиг осуществляется устройством обработки, стоящим на выходе АЦП.Допустим, входное напряжение Улежит в младшем поддиапазоне,в данном примере 0-39,1 мВ, Тогда коэффициент усиления блока 2 равен К(К=16), В этом случае необходимо произвести два сдвига кода, снимаемого с шифратора 12 для получения в качестве выходного кода обычного ПДК: первый сдвиг на Т единиц вправо, этот сдвиг учитывает масштабирование, в данном примере Т = 4; второй сдвиг на М единиц влево, этот сдвиг обусловлен причинами, описанными при рассмотрении первой ситуации, В данном устройстве предлагается алгебраически просуммировать эти два сдвига для того, чтобы предварительно сжатьинформацию и облегчить работу стройства обработкиДля этого код сдвига вправо записывается в дополнительном коде в формирователе 15, в качестве которого могут быть использованы линейка перемычек, простейшее ПЗУ и т.п, С сумматора 16 кодов снимается результирующий код, несущий информацию о сдвиге, который следует осуществить с кодом шифратора 12, Как видно из чертежа, алгебраическое суммирование (или по сути вычитание) кодов осуществляется только в том случае, когда производится масштабирование, в противном случае выходной сигнал триггера 13 не пропускает код формирователя 15 на вход сумматора 16 кодов и с выхода этого сумматора имеется тот же код, что и с выхода шифратора 5. Операции по суммированию кодов не влияют на общее быстродействие, так как они производятся во время работы второй ступени.Положительный эффект от использования предлагаемого устройства заключается в том, что в Ку раз снижаеуся величина минимального измеряеМого напряжения н соответственно увеличивается динамический диапазон входного сигнала. В 7-разрядном АЦП величина динамического диапазона,измеряемая как Цшс/0 мцн 11 мцн Ч 1 увеличилась в 16 раз по сравнению с известной. Одновременно производится сжатие информации о выходном сигнале, благодаря чему облегчается последующая обработка сигнала АЦП, 1494218ф о р.м у л а и з о б р е т е н и я л1. Аналого-цифровой преобразователь по авт.св, В 588628, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона входного сигнала, в него введены триггер, элемент ЗАПРЕТ, формирователь кода, группа элементов И, сумматор кодов, блок переменного коэффициента усиления, информационный вход которого является входной шиной, выход соединен с вторыми вхоодами компараторов первой ступени и вторым входом вычитающего устройства, управляющий вход подключен к выходу триггера и объединен с первыми входами группы элементов И, вторые входы которой подключены к соответствующим выходам формирователя кода, а выходы соединены с первыми входами сумматоров кодов соответственно, вторые входы которого подключены к соответствующим выходам шиф ратора первой ступени, а выходы являются выходной шиной, причем В-входтриггера является шиной обнуления,Ь-вход подключен к выходу элемента1ЗАПРЕТ, инверсный вход которогосоединен с управляющим входом электронного ключа, а прямой вход является шиной стробирования,1 2, Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок переменного коэффициента усиления выполнен на операционном усилителе, двух резисторах и ключе, информационный вход которого объединен с первымвыводом первого резистора, подключен к выходу операционного усилителя и является выходом блока, информационным входом которого является неинвертирующий вход операционного усилителя, инвертирующий вход которого объединен с вторым выводом первого резистора, подключен к выходу ключа и через второй резистор соединен с общей шиной, а управляющий вход ключа является управляющим входом блока,1494210 щит 2 Составитель В.МахнановТехред М, Дидык Корректор Т. Мале ц Редактор Л.Пчолинская Заказ 4130/56 Тираа 884 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5