Аналого-цифровой преобразователь

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 16, 04 . 79 (21) 2751680/21с присоединением заявки Йо(51)М, Кд,3 Н 03 К 13/17 Государственный комитет СССР ло яелаи изобретений н открытийДата опубликования описания 28. 02. 81(72) Авторы изобретения О.Г. Сморыго и В.Я. Стенин Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-Физический институт(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к устройствам импульсной техники и предназначено для использования в цифровых измерительных приборах, устройст-вах автоматического управления, в системах сбора и обработки данных.Известны аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания, содержащие устройство . Ы сравнения, на один из входов которого уодается входной сигнал, а выход подключен к устройству управления, выходы устройства управления соединены с л входами (и - число двоичных разрядов преобразователя) цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом устройства сравнения (13.Недостатком этих преобразователей является большое число логических 20 элементов (до 8-10 двухвхедовых элементов на один разряд), необходимых для построения схемы управлйния, которые занимают большую площадь и потребляют значительную мощность.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является аналогоцифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала, устрой ство сравнения, выход которого соединен с входом устройства управления выход которого подсоединен к первому входу устройства коммутации, первый выход последнего через устройство аналогового хранения соединен с первым входом устройства сравнения, источник эталонного сигнала,подключенный к первому входу формирователязарядов 23Недостатком этого преобразователя является низкое быстродействие, обусловленное большим временем выравнивания поверхностных потенциалов под двумя идентичными электродами (затворами), с помощью которых осуществляется дрление пополам эталонных зарядов в формирователе зарядов.Цель изобретения - повышение быстродействия преобразователя.Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала, устройство сравнения, выход которого соединен с входом устройства управления, выход которого подключен к первому входу устройства коммутации, первый выход последнего через .устройство аналогового хранения соединен спервым входом устройства срав 809556нения, источник эталонного сигнала, подключенный к первому входу формихрователя зарядов, введена линия задержки с весовыми отводами, вход которой соединен с выходом формирователя зарядов, выход - со вторым входом устройства коммутации, второй выход которого подключен ко второму входу устройства сравнения, а дополнительный выход устройства управления подключен к первому дополнительному входу формирователя зарядов, к второму дополнительному входу которого подключен источник входного сигнала, причем линия задержки с весовыми отводами выполнена в виде сдвиговой линии на приборах с зарядовой связью с весовыми отводами на основе разрезанных электродов или в виде сдвиговой .линии на приборах с зарядовой связью с боковыми отводами и резистивной матрицы типа й, разрядные выводы котброй подключены к боковым отводам сдвиговой Линии на приборах с зарядовой связью.На. Фиг. 1 изображена структурная схема аналого-цифрового преобразователя поразрядного уравновешивания, использующего линию задержки на приборах с зарядовой связью с весовыми отводами на основе разделенных (разрезанных) электродов:на фиг. 2 временные диаграммы: а,д - двухфазо" вых (ф и ф 2) тактовых импульсов питания линии задержки, Ь - заряда, вводимого в линию задержки, г - выходного сигнала (заряда) линии задержки, д-выходного сигнала (заряда) устройства аналогового хранения; е в .напряжения на выходе схемы сравненияПреобразователь содержит источник 1 входного сигнала, устройство 2 сравнения с выходами 3 и 4, устройство 5 управления, устройство б коммутации, устройство 7 аналогового .хранения, иствчники 8 эталонного сигнала, формирователь 9 зарядов, линию 10 задержки, имеющую вход 11, выход 12, выводы 13-15, разделенные весовые электроды 16-19, электроды 20-32 для переноса заряда и сток 33.Аналого-циФровой преобразователь работает следующим образом.На вывод 13 подается напряжение тактовых импульсов питания фазы ф, ,(фиг. 2 а), а на вывод 14 - фазы Щ (фиг.2 б).Для осуществления направленного переноса заряда в двухфазовых приборах с зарядовой связью необходимо иметь неоднородную структуру элементарной ячейки прибора с зарядовой связью (разную толщину окисла под электродом или неравномерное легирование поверхностного слоя подложки в направлении переноса заряда),На выход 4 устройства 2 сравнения подается стробирующий импульс, разрешающий сравнение входных сигналов иопределяющий длительность времени.сравнения. Каждый из электродов 16-18осуществляющих неразрушающее считывание сигналов из линии 10 задержкии весовые функции, разделен на двечасти так, что отношение площадичастей электродов, подключенных квыходу 12,образуют ряд вида 2 ф )1 где= 1,2,3; и - порядковый номер разделенного весового затворапри отсчете их от входа 11 линии 10задержки. Последний весовой электрод19 при =п не делится на части(фиг.1). Для приведенного соотношения площадей частей весовых электродов сигналы на выходе 12, обусловленные одной порцией заряда, передаваемой в линии 10 задержки последовательно под весовыми разделеннымиэлектродами 16-18, будут образовы вать ряд вида 1,2,4,8 и т.д.В начальный момент времени при=0 под всеми электродами 16-32линии 10 задержки заряды отсутствуют,С помощью формирователя 9 зарядовпод первый весовой разделенный электрод 16 инжектируется заряд ьк,пропорциональный величине сигнала отисточника 1 входного сигналач 16 ОЬх (с=О) =КьхЬк (с=0),где КЬхкоэффицйент пропорциональности(фиг.2 в), Следующая выборка входного сигнала осуществляется после завершения полного цикла преобразованияданной выборки в код. Разделенныйвесовой электрод 16 осуществляетнеразрушающее считывание заряда сс весовым коэффициентом Как 2(,1 ц Ьхгде =1. Сигнал с выхода 12 линии10 задержки, соответствующий взвешенному заряду -Ьи равный ц (=0)= 40 =Кьык с Ьх 2 и, "где Кьик коэффициент пропорциональности, вводитсячерез устройство 6 коммутации вустройство 7 аналогового хранения,где и запоминается (Фиг.2 д). В 45 момент времени й=Т (Т - период тактовых импульсов фаз СР 1 и СО) подэлектрод 16 с выхода формирователя9 заРЯДа инжектиРУетсЯ заРЯД Цзт,пропорциональный сигналу источййка 8 50 эталонного сигнала=Ч Т=КЬх ЕугЭталонный сигнал Е, равей половинемаксимального входйого сигналаЕз =ОЬкщ/2. Во время считывания взвешйваемого заряда ц, с помощью врсового электрода 16 (при й=Т) зарядц находится под электродом 22 и не4 исчитывается. Сигнал с выхода 12,соответствующий взвешенному эталонному заряду ц и равный ц (с=Т)==Кбцк Чзт 2 " " через устройство 60 б коммутации поступает непосредственно на второй вход стробируемого,устройства 2 сравнения и сравнивается во время прихода сигналас 4 (=Т) с сигналом, хранимым уст ройством 7 выборки и хранения .Ч 7 ( =Т) =Ч( =0) =КьыкЧ Ьх 2 Ес-(и) лй Ч 2 (=0 с с 11 (с=Т.), что соответствует О хО ьхщ/2, то на выходе 3 устройства 2 сравнения появится сигнал логического "0", а при ц (.=О) ) ц 1 (с=Т) (что соответствует О) О ьх,/2) - логической "1". Выработанный логический сигнал а ("О" или "1") на выходе 3 устройства 2 сравнения в виде сигнала ОЗ (фиг.2 е) являетсязначением стар,шего разряда двоичного кода преобраэуемой выборки, Логический сигнал а, с выхода 3 устройства 2 сравнения (см.фиг.2 е) поступает на вход устройства 5 управления, выходной сигнал которого управляет работой форми рователя 9 зарядов.Работа преобразователя основана на том, что в линии 10 задержки формируются два набора сигналов. Один набор сигналов образует зарядЬх, 20 вводимый при с=О, и зарядыта; (где а =0 или 1), вводимые в линию 10 задержки в момент времени с 2 Т, 4 Т и т.д., т.е, =2 Т , где1,2,3 п. Второй набор образуют заряд и , вводимый при 1=Т, и заряды цата (где а=1 или О, так что а+а,=11, вводимые в линию 10 задержки в моменты времени йЗТ,5 Т и т.д., т.е. с = Т+2 Т. , где 1=1,2,3,п. На выходе 12 линии 10 задержки сигнал образуется как .сумма взвешенных с помощью разделенных электродов зарядов, находящихся в данный момент времени в наборе, находящемся под всеми разделенными электродами. Сигналы от двух наборов зарядов, находящихся в линии 10 задержки, поступают на выход 12 поочередно через интервалы времени Т, равные тактовому периоду 4 О фазового питания линии 10 задержки. Если в результате первого сравнения и выработки значения старшего разряда кода а оказывается Оь Ощ/2,45 то в момент времени С 2 Т с выхода Формирователя 9 зарядов на вход 11 линии 10 задержки поступает заряд 9 а- = К к Е зт, если Оъ О х щ/2, то вСфмомент й=2 Т заряд на вход линии 5 р 10 задержки не поступает, в этом случае заряд ц поступает на вход 11 линии 10 задержки в момент времени с=ЗТ. Для конкретного примера (Фиг. 24 ОЬх О Ьх /2 (т е Ч Ч з, а 1=1, а=О) и,следовательно, очеред ной заряд ц ", вводится в линию 10 задержки под весовой электрод 16 в момент времени е=ЗТ и его вес добавляется к введенному при с=Т ряду ЧЗТ, который в момент време ни =ЗТ находится под электродом 17 и имеет в наборе вес, увеличенный в два раза по сравнению со временем с=Т, Добавление очередного эталонного заряда осуществляется в тот набор 45 зарядов, которому соответствует припоследовательном сравнении меньшийсигнал на выходе 12 линии 10 задержки. При переносе зарядов 9 и 0Ьхв направлении от отвода с малым весовым коэффициентом к отводам с большими значениями весовых коэффициентов разность сигналов на выходе 12от двух наборов при сдвиге их На одинразряд увеличивается вдвое за счет;изменения весовых коэффициентов,что позволяет осуществлять уравнове"шивание преобразуемого аналоговогосигнала введением в линию 10 задержки фиксированных по амплитудесигналовт . Последовательностьзначений зарядов в наборе, содержащем входной сигнал (заряд), образуетобратный двоичный код преобразуемойвыборки а(Второй набор, исключаяпервый заряд в наборе, соответствуетдвоичному коду преобразуемой выборки а.При с=2 Т в устройстве 7 аналогово- .го хранения запоминается сигнал,поступающий через устройство б коммутации с выхода 12 линии 10 задержкиЯ 12(ф=2 Т)= Каых 1 сЧ зт 2 +Ч Ьхйгде а =О - значение старшего разрядаобратного кода преобразуемой выборкивходного сигналаЭтот сигнал сравнивается схемой 2 сравнения в мо"мент времени с=ЗТ с сигналом на выходе 12 линии 10 задержки, поступающим через устройство б коммутацииС 2 И=ЗТ)=К, х 9 ЭТ Сф 12+2 12где а 1=1 - значение старшего разрядакода йреобразуемой выборки. В данномпримере в результате сравненияц(с=ЗТ)=ц, (с=2 Т) ) 9 (й=ЗТ) на выходе 3 устройства 2 сравнения вырабатывается значение второго разрядакода а=О, в виде напряжения О(см.фиг.2 е), что соответствуетО.бх ( (Охщ/2) (2 +2" ),В момент времени сТ с выходаформирователя 9 заряда на вход 11линии 10 задержки поступает эталон-ный заряд, который поступает в наборзарядов, содержащий входной сигнал(заряд) ОСигнал на выходе 12, соответствующий моменту времени йщ 4 Т, будет определяться соотношениемЧ 42 Ьыхйбх флэт(02 +02" ) 2Сигнал ц (й 4 Т) запоминается устройством 27 аналогового хранения.В момент времени 5 Т на выходе12 будет сигналсигнал а=0 в виде О (см.фиг.2 е, что соответствует О,Е з,(2 +2 ) . На Фиг.2 показаны временные диаграммы для уравновешивания входного заряда ц только в трех разрядах преобразователя, соответствующий двоичный .код будет 100.формирование младшего разряда кода происходит на последнем этапе,. начиная с момента времени=2(п)Т. В этот момент времени под весовым электродом 19 находится заряд ць, а под остальными весовыми разделенными электродами в направлении от весового электрода 19 к весовому элек(троду 16 - заряды величиной а ц Выходной сигнал с выхода 12 через устройство б коммутации вводится и запоминается в устройстве 7 аналогового хранения. Через такт фазового питания в момент времени =(2 п)Т= с +Т на другой вход устройства 2 20 сравнения поступает сигнали Ч 1 Ф+)- Ч, ТЬ+ Щ 24=1Эти два сигнала сравниваются устройством 2 сравнения, на выходе 3 которого вырабатывается логический сигнал а, соответствующий значению младшего разряда кода. Логический сигнал а 1 вводится в линию 10 задерж Ц ки в виде заряда величиной альДвоичный код преобразуемого аналогового сигнала Формируется в процессе преобразования последовательно5 на выходе 3 устройства 2 сравнения .в вцде импульсного сигнала О.Кроме этого, после завершения преобразования он содержится в виде за) РЯдов а;сат в линии 10 задеРжки и может быть выведен оттуда в виде последовательного кода через сток 33 и вывод 15, Значения двоичного кода а 1 чередуются в разрядах линии 10 задержки со значениями обратного двоичного кода а преобразованной выборки входного;аналогового сигнала. Формула изобретения 1, Аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник входногосигнала, устройство сравнения, выходкоторого соединен с входом устройства управления, выход которого подключен к первому входу устройства коммутации, первый выход последнегочЕрез устройство аналогового хранения соединен с первым входом устройства сравнения, источник эталонного сигнала, подключенный к первомувходу формирователя зарядов, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения быстродействия преобразователя, в него введена Ътиниязадержки с весовыми отводами, входкоторой соединен с выходом Формирователя зарядов, выход - со вторым входом устройства коммутации,. второйвыход которого подключен ко второмувходу устройства сравнения, а дополнительный выход устройства управления подключен к первому дополнительному входу Формирователя зарядов,к второму дополнительному входу которого подключен источник входногосигнала,2. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что линиязадержки с весовыми отводами выполнена в виде сдвиговой линии на приборах с зарядовой связью с весовыми отводами на основе разрезанныхэлектродов.3. Преобразователь по п.1, о ти ч а ю щ и й с я тем, что линия.задержки с весовыми отводами выполнена в виде сдвиговой линии на приборах с зарядовой связью с боковыми отводами и резистивной матрицытипа Кй, разрядные выводы которойподключены к боковым отводам сдвиговой линии на приборах с зарядовойсвязью.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетел;ство СССРР 167373, кл. Н 03 К 13/02, 1966.2. Патент франции Ф 2343369,кл, Н 03 К 13/02, 1977 (прототип),(Ри. НИИПИ Заказ 457/77 Тираж 999 Подписн илиал ППП "Патент",г.Ужгород,ул.Проектная,4