Аналого-цифровой преобразователь считывания

1,677 О 97 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Сооетскнх Социалистических Республик(23) ПриоритетОпубликовано 30,07,79, Бюллетень28Дата опубликования описания 30.07.79 51) М. Кл.зН ОЗК сударстеенный комнтет СССР делам изобретен н открытийИзобретение относится к цифровой измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых измерительных установках и системах для цифрового измерения (кодирования) сигналов напряжения в широком диапазоне их уровня и спектра,Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) параллельного считывания с поразрядным распространением сигнала 1. Он содержит ряд каскадов сравнения - компараторов кодируемого и опорного напряжений, каждый из которых формирует весовой ток для соседних каскадов более младших разрядов, пропорциональный разности сравниваемых сигналов. Весовые токи преобразуются специальными элементами в опорные напряжения,Недостатком этого устройства является пониженное быстродействие при расширении диапазона уровней измеряемой величины, так как при этом требуется дополнительное время на анализ и выбор предела измерения.Наиболее близок к изобретению по технической сущности АЦП, содержащий ряд кодирующих каскадов, каждый из которых включает в себя группу параллельно соединенных измерительных компараторов и работает по методу считывания, а сами каскады.соединены между собой последовательно 2.К недостатку данного устройства такжеотносится снижение его быстродействия с 5 расширением диапазона уровней измеряемой величины, Кроме того, с увеличением числа уровней квантования существенно возрастает, в соответствии с разрядностью выходного кода предыдущего каскада, ко личество преобразователей кода в напряжение в каждом данном каскаде, формирующих опорное напряжение для отдельных компараторов в этом каскаде.Цель изобретения - повышение быстро 1 д действия устройства в широком диапазонеуровней измеряемой величины.Поставленная цель достигается тем, чтов аналого-цифровой преобразователь считывания, содержащий группу декад измерительных компараторов, измерительные входы которых соединены параллельно и подключены к входному зажиму устройства, преобразователи единичного кода в напряжение, соединенные последовательно, 2 д генератор тактовых импульсов, кодовый регистр и блок накопления и отображения данных, соединенный с генератором тактовых импульсов и кодовым регистром, введены масштабный делитель, включенный 30 между входным зажимом и общей шиной,обра 3масштабные компараторы, каждый из которых измерительным входом подсоединен к соответствующей ступени масштабного делителя, источник образцового сигнала, ключевой элемент, соединенный соответствующими входами с генератором тактовых импульсов и источником образцового сигнала, а выходом - с опорным входом каждого масштабного компаратора, цифроаналоговый источник опорного напряжения, к каждому из входов которого подключен своим выходом соответствующий масштабный компаратор, декадный делитель, включенный между выходом цифроаналогового источника опорного напряжения, к которому также подключен первый из последовательно соединенных преобразователей единичного кода в напряжение, и общей шиной, шунтирующие ключевые элементы и десятичные делители. Каждый из десятичных делителей включен между выходом соответствующего преобразователя единичного кода в напряжение и общей шиной, к ступеням декадного делителя и к части ступеней каждого из десятичных делителей подключены декады измерительных компараторов, а к остальным ступеням десятичных делителей - шунтирующие ключевые элементы. Входы шунтирующих ключевых элементов соответствующих ступеней десятичных делителей соединены параллельно между собой, а также с входами соответствующих преобразователей единичного кода в напряжение и выходами измерительных компараторов соответствующих декад. Выходы одной из декад измерительных компараторов подключены к кодовому регистру, соединенному также с кодовыми выходами преобразователей единичного кода в напряжение и цифроаналогового источника опорного напряжения.Функциональная схема устройства приведена на чертеже,Она содержит входной зажим 1 устройства, ступени 2 масштабного делителя, масштабные компараторы 3, ключевой элемент 4, источник 5 образцового сигнала; генератор 6 тактовых импульсов; цифроаналоговый источник 7 опорного напряжения; ступени 8 декадного делителядекаду 9 компараторов (старшую декаду), преобразователь 10 единичного кода в напряжение (ПЕКН старшей декады) с входом 11 опорного напряжения, шунтирующие ключевые элементы 12, ступени 13, 14 (Р и 10 -Р) десятичного делителя, декаду 15 компараторов (вторую декаду), преобразователь 16 единичного кода в напряжение, ступени 17 - 19 Я, 10 -Р и 10 -Л) десятичного делителя, декаду 20 компараторов (третью декаду), преобразователь 21 единичного кода в напряжение, ступени 22 - 25 Я 10 - 1 Я 0 - (л - 2) Я 0 - (д - й) Я) десятич ного делителя, декаду 26 компараторов (младшую декаду), кодовый регистр 27 с 5 10 20 25 30 35 40 45 Я) 60 65 4входами 28 сигналов кода (п - 1) старшихдекад и предела измеряемой величины,блок 29 накопления и отображения данныхс входом 30 сигналов считывания кода, общую шину 31. Позицией 32 на чертеже обозначен кодовый выход цифроаналоговогоисточника 7, а позицией 33 - кодовый выход ПЕКН,Устройство работает следующимзом.Измеряемая (кодируемая) величина О,поступающая на входной зажим 1, передается непосредственно на компараторы всехдекад 9, 15, 20 26, а через ступени 2масштабного делителя одновременно и намасштабные компараторы 3. Число ступеней масштабного делителя выбирают исходя из требуемого количества пределов измерений, а соотношение величин ступеней - в соответствии со значением младшего предела.По сигналу генератора 6 тактовых импульсов через стробируемый ключевой элемент 4 на опорный вход всех масштабныхкомпараторов 3 подается напряжение источника 5 образцового сигнала, равноемладшему пределу измерений, Измеряемаявеличина распределяется по масштабнымкомпараторам 3 в соответствии со ступенями 2 делителя, уменьшаясь в направлениимасштабного компаратора наибольшего изпределов, подключенного к последней ступени масштабного делителя. Так как вустройстве операции выполняются с десятичным Позиционным (параллельным единичным) кодом, то ступени масштабногоделителя целесообразно выбирать равнымиР, 10 Р, 10 Р, , 10 Р, где й - число пределов измерения, представляющее собойнатуральный ряд.При сравнении измеряемого напряжения11, с образцовым напряжением источника5 часть масштабных компараторов 3, в соответствии с пределом измеряемой величины, срабатывает и переключает цифроаналоговый источник 7 опорного напряжениятаким образом, что на его выходе появитсянапряжение Ур, равное пределу измеряемой величины. Напряжение У,р, распределяется ступенями 8 декадного делителя,равными Р, по компараторам декады 9 исравнивается с измеряемым. Уровень напряжения каждой ступени декадного делителя отличается от соседней на квант 0,1У,р. При сравнении напряжения У, в компараторах декады 9 с напряжением Упрчасть компараторов срабатывает, их количество равно значению К, старшего десятичного разряда измеряемой величины, гдеК,=1, 29.Параллельный единичный код старшейдекады, равный А передается на преобразователь 10 единичного кода в напряжениестаршей декады, опорным напряжением которого является У,р - выходное напряже, =; 0,1 + (0 Ж) = - . Ур- 10 - (й, + 1)10 -Угде (0,1 У,р) - начаЛьный выходной уровень напряжения ПЕКН 10. Таким образом, напряжение Поп, равно величине измеряемого напряжения, округленной до ближайшего целого значения старшего разряда (й,+1) 10 -Ур.Все преобразователи 10, 16, 21 являются однодекадными, при этом ступени декады каждого ПЕКН более младшего разряда уменьшаются на порядок по сравнению со ступенями ПЕКН предшествующего старшего разряда. Выходное напряжение ПЕКН каждой предыдущей декады опорное для ПЕКН последующей более младшей декады,К выходу ПЕКН каждой декады подключен десятичный делитель, к ряду ступеней которого (декаде ступеней) своим опорным входом подсоединены декады измерительных компараторов. Таких групп декад 15, 20, 26 компараторов вместе с группой 9 компараторов, в АЦП содержится всего а по числу десятичных разрядов младшего предела измерений. Первая группа 9 компараторов, как указывалось, формирует сигналы кода старшей декады и подключена к десятичному делителю со ступенями Я (8). Вторая группа 15 компараторов формирует сигналы кода второй старшей декады и подключена к десятичному делителю со ступенями, на порядок меньшими и равными 10 -Р (14). Компараторы и-й группы, формирующие сигналы кода младшей декады, соединены со ступенями 10-" -Р (25) соответствующего десятичного делителя.Каждая из декад ступеней от 10 -Я до 10-" - 1 Р с подключенными измерительны- ми компараторами является, в свою очередь, дискретизованной ступенью (с указанным шагом дискретности) соответствующего соседнего более старшего номинала данного десятичного делителя. При этом первый из и - 1 десятичных делителей содержит 9 последовательных ступеней 13 по Р, к каждой из которых параллельно подключен шунтирующий ключевой элемент 12, и декадную дискретизованную ступень 14 с шагом 10 -Р. Второй десятичный делитель содержит 9 ступеней 17 по Р и 9 ступеней 18 по 10 -Р, зашунтированных ключевыми элементами 12, и дискретизованную ступень 19 с шагом 10- Р, а последний десятичный делитель, на выходе ПЕКН 21 предпоследней младшей декады кода, имеет последовательные цепочки по 9 последовательно соединенных ступеней;0 35 40 45 50 55 60 65 6Д (22), 10- Я (23) 10-дР (24) также шунтированных ключевыми элементами 12, и декадную дискретизованную ступень с шагом 10 - (" - 1 Р (25).В исходном состоянии все шунтирующие ключевые элементы 12 замкнуты, Ключевые элементы 12, подключенные к ступеням одного номинала десятичных делителей, своими входами управления подсоединены параллельно к выходам соответствующих измерительных компараторов в цепях дискретизованных ступеней того же номинала, т, е. ключевые элементы 12 ступеней Р - 13, 17, 22 всех десятичных делителей параллельно подключены к компараторам (9) в цепях соответствующих ступеней Я (8) декадного делителя, ключевые элементы 12 ступеней 10 -Р (23) всех десятичных делителей - к компараторам (15) соответствующих ступеней десятичного делителя на выходе ПЕКН 10, вплоть до ключевых элементов ступеней 10 - " - 21 Я.На выходе каждого г-го ПЕКН, где г= =1,2, , (и - 1), в процессе измерения последовательно устанавливаются напряже- ния У - У - 10 - (й +1)Р( 10 у р (гоп - 1) каждое из которых равно измеряемому, увеличенному на уровне -го разряда до его ближайшего большего целого значения, равного (К;+1) 10 -(УрК; - код десятичного разряда К-й декады может принимать значения от 1 до 9). Указанное увеличение в декаде обеспечивается предваритсльной установкой соответствующего начального вь 1 ходного уровня каждого ПЕКН.Напряжение на выходе г-го ПЕКН устанавливается сигналами измерительных компараторов соответствующей группы. Этими же сигналами отпираются связанные с данными компараторами ключевые элементы 12 и тем самым деблокируются соответствующие ступени десятичных делителей. Число открытых ступеней каждого номинала от Я до 10-ИР в десятичном делитсле, подключенном к выходу ПЕКН г-й дскады, оказывается равным соответственно й Ь, , /гь ,го, и, благодаря чему напряжшше па выходе -го ПЕКН распределяется по ступеням подключенного к нему дссятичного делителя всегда с постоянным приращением на каждой ступени (относительно соседней), равным Ур 10 -на ступени Р, У,р 10 -на ступени 10 -Р Упр 10 - г на ступени 10 --Я, а на дискретизованной ступени делителя с шагом 10 - Р приращение на дискретной ступени составляет Ур 10 - +0 В. На дискретной ступени 25 с номиналом 10 - о 1 - 1 Р приращение равно кванту У,р 10-" В, т, е, единице младшей декады кода,7Таким образом, благодаря поразрядной подстройке (адаптации) десятичных делителей под значение измеряемой величины обеспечивается постоянство опорного уровня на входе каждого измерительного компаратора, пропорционального кванту и равного весу единицы кода соответствующей декады, Это позволяет производить (разряд за разрядом) параллельное сравнение в каждом разряде набора сигналов из декады постоянных опорных уровней с уровнем, соответствующим значению данного десятичного разряда (декады) измеряемой величины. Формирование набора опорных уровней для каждого декадного делителя с измерительными компараторами происходит последовательно во времени с интервалом, равным времени переключения ПЕКН предыдущей декады,На выходе ПЕКН 21 устанавливается напряжение, равное измеряемому с точностью до предпоследней младшей декады, при этом компараторы (26) формируют число сигналов - код, соответствующий значению младшей декады измеряемой величины. Этот код, совместно с сигналами кода ,вход 28 регистра 27), соответствующими пределу измеряемой величины (кодовый выход источника 7) и значениям и - 1 ее старших разрядов (ко,"овые выходы ПЕКН 10, 16, 21) по команде генератора 6 из регистра 27 передается в блок 29.В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом увеличено быстродействие в широком диапазоне изменения уровней измеряемой величины и спектра.Формула изобретенияАналого-цифровой преобразователь считывания, содержащий группу декад измерительных комп араторов, измерительные входы которых соединены параллельно и подключены к входному зажиму устройства, преобразователи единичного кода в напряжение, соединенные последовательно, генератор тактовых импульсов, кодовый регистр и блок накопления и отображения данных, соединенный с генератором тактовых импульсов и кодовым регистром, о тличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия в широком диапазоне уровней измеряемой величины, в него ввс 5 1 О 5 20 25 зо 35 4 О -15 50 дены масштабный делитель, включенный между входным зажимом и общей шиной, масштабные компараторы, каждый из которых измерительным входом подсоединен к соответствующей ступени масштабного делителя, источник образцового сигнала, ключевой элемент, соединенный соответствующими входами с генератором тактовых импульсов и источником образцового сигнала, а выход ключевого элемента соединен с опорным входом каждого масштабного компаратора, цифроаналоговый источник опорного напряжения, к каждому из входов которого подключен своим выходом соответствующий масштабный компаратор, декадный делитель, включенный между выходом цифроаналогового источника опорного напряжения, к которому также подключен первый из последовательно соединенных преобразователей единичного кода в напряжение, и общей шиной, шунтирующие ключевые элементы и десятичные делители, каждый из которых включен между выходом соответствующего преобразователя единичного кода в напряжение и общей шиной, к ступеням декадного делителя и к части ступеней каждого из десятичных делителей подключены декады измерительных компараторов, к остальным ступеням десятичных делителей подсоединены шунтирующие ключевые элементы, входы шунтирующих ключевых элементов соответствующих ступеней десятичных делителей соединены параллельно между собой, а также с входами соответствующих преобразователей единичного кода в напряжение и выходами измерительных компараторов соответствующих декад, а выходы одной из декад измерительных компараторов подключены к кодовому регистру, соединенному также с кодовыми выходами преобразователей единичного кода в напряжение и цифроаналогового источника опорного напряжения,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Мо 226975, кл, Н ОЗК 13/03, 1968.2. Гитис Э. И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. М., Энергия, 1975, с. 316 - 320, рис. 7 - 11 б, в.