Аналого-цифровой преобразователь

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ Сюз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл.З с присоединением заявки Йо Н 03 К 13/175 Государстееииый комитет СССР ио делам изобретений и открытийДата опубликования описания 15.09,81 ру флГд, "и",фй:лф гВабкин, В.П. СафроиовВЙЗ."ДТО 3 ИВИйЖеДЯВВШИГВЫ3 политехнический институт Р 2) Авторы изобретения А.И. Диянов, В.А. Блохин, Ю.В. Поли В.М. Шлянднн Пензенс Р 1) Заявите) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЭОВАТЕЛ и кромеределяетни.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому изобретениюявляется аналого-цифровой преобразователь, состоящий из каскадов, каждыйиз которых содержит источник тока,выход которого соединен со входомкаскада, компаратор, входы которогоприсоединены к выводам реэйстора В,.два преобразователя тока, входы которых соединены с одним иэ выводом резистора В, второй, вывод которого 5 соединен со входом каскада, а выходыпреобразователей тока соединены совходамн последующих каскадов 21.Недостатками являются наличие 2И1 каскадов, где и число определяемых 20 разрядов, поэтому при и4 аппаратурные затраты неоправданно велики иреализовать такой АЦП затруднительно,кроме того низкое быстродействие посравнению с предлагаемым устройством, 25 так как каждый разряд определяетсяпоследовательно во времени.Цель изобретения - повышение быстродействия.Поставленная цель достигается тем, 30 что в аналого-.цифровой преобразоваИзобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использована для преобразования высокочастотных сигналов в цифровой код.Известен аналого-цифровой преобразователь, состоящий из последовательно соединенных каскадов с Ч-образной функцией преобразования, каждый из которых содержит дифференциальный усилитель с опорным источником напряжения к базе одного из транзисторов, источников тока, диодного моста,резисторов нагрузки. Втаком каскаде входное напряжение преобразуется в дифференциальном усилителе в ток (Ч -Ф, далее 156 ализуется Ч-образная функция преобразования, затем ток преобразуется в напряжение (1"еЧ), Кройе того, для согласования каскадов между собой (как в статике,так и в динамике) необходим эмиттерный повторитель 11.Устройство упростится; если в качестве носителя информации испольэовать только ток, беэ промежуточных преобразований напряжения в ток и на" оборот. Данный АЦП имеет низкое быстродействие за счет того, что носителем информации является напряжение того, код каждого разряда опся последовательно во времетель, содержащий в каждом каскаде источник тока, выход которого соединенсо входом каскада, преобразовательтока и компаратор, введены на группукаскадов дешифратор, преобразовательтока группы каскадов, в каждый каскад - три диода, дополнительный источник тока, а в каждый четный каскад - дополнительный компаратор, причем анод первого диода каждого каскада соединен со входом преобразователя тока, первым входом компаратора ивходом каскада, катод второго диодакаждого каскада соединен с шинойпитания и первым входом дополнительного компаратора в каждом четном каскаде, анод третьего диода подключенк общему выходу группы каскадов,ко-торый соединен со входом преобразователя тока последующей группы каскадов, катод первого и третьего и анодвторого диодов объединены и присоединены к выходу дополнительного источника тока, выходу преобразователятока, второму входу компаратора ико второму входу дополнительного компаратора в каждом четном каскаде,при этом выходы всех компараторовсоединены с соответствующими входами дешифратора, а входы каждого каска,да соединены с соответствующими выходами преобразователя тока группы каскадов.На фиг. 1 представлена структурнаясхема аналого-цифрового преобразователя; на фиг, 20 - функции преобразования1 вцх (Т х) 1 вы (ТА1 зь0) Вых 4 У (Т)каждого иэ четырех каскадов, входящих в состав группы каскадов, определяющих старшие разряды, где 1 Вь - выла Твыхз, Твых 4 - выходные токикаждого каскада, а 1- входной ток,функция преобразования группыкаскадов 1 , = (1), где 1 ь- выходной ток группы каскадов, определяший старшие разряды, Ь - функция преобразования группы каскадов 1 вьа= (1 х)где 1 вых- выходной токгруйпы каскадов, определяющих младшие разряды; на фиг. 3 - перепадынапряжений на диодах Д 1 каждого каскада и на диодах Д 2 четных каскадов, в зависимости от значений входного тока 1, Характеристики диодовпринимались за идеальные, нафиг. 4 а, о - простейшие схемы преобразователя тока и преобразователятока группы каскадов соответственно,.в которых выходные токи с точностью, обусловленной идентичностью параметров транзисторов Т, Т Т, пов 2торяют входной тока 1. В каждом каскаде схема преобразователя содержит источник тока 1, преобразователь тока 2, компаратор 3, 5 0 15 дешифратор 4, преобразователь тока5 группы каскадов, дополнительный компаратор б в каждом четном каскаде, дополнительный источник тока 7 и диодом Д 1, Д 2, Д 3 в каждом каскаде.Выход источника тока 1 соединен со входом каскада. Со входом каскада также соединены вход преобразователя тока 2, анод диода Д , один из входов компаратора 3 и соответствующий выход преобразователя 5 тока группы каскадов. Выход преобразователя тока 2 соединен с выходом дополнительного источника тока 7, катодаД и Д, втор ходом компаратора 3, одним входом дополнительного компаратора б в каждом четном каскаде и анодом диода Д .Катод дио 3 да,Д каждого каскада и второй вход дополнительного компаратора б в каж. дом четном каскаде присоединен к шине ;щ питания. Аноды диодов Д 3 объединены иприсоединены к. общему выходу группы каскадов, который соединен со входом последующего преобразователя тока группыкаскадов. Выходы компараторов 3 вкаждом каскаде и компараторов б вкаждом четном каскаде соединены совходами дешифратора 4, Входная величина подается на вход преобразователя,тока 5 группы каскадов.Функция преобразования каждого ЗО каскада реализуется следующим образом. Входной ток 1 Х поступает навход преобразователя тока 5 группыкаскадов и в соответствии с изложен-ным выходные токи его равны входному 35 1 и параллельно подаются на входыкаскадов. На фиг. 1 представленагруппа каскадов, определяющая тристарших разряда. Значения тока источника тока 1 каждого каскада выбирают О ся равными 1, 31 о, 5 ТО, 71 о гдеЕо =1,С,2 =1/81,С, (при двоичном выходном коде). Значение тока дополнительных источников тока 7 каждогокаскада выбирается равным 1 о При 45 входном токе 1 - О, весь ок, выбираемый источником тока 1, через преобразователь тока 2 компенсируется дополнительным источником тока 7, и ток, через все диоды,равен нулю. По мере роста входноготока 1, ток, поступающий в дополнительный источник тока 7, через преобразователь тока 2, уменьшается, таккак через преобразователь тока 2 протекает ток, равный разности 1 -1(для первого каскада). Недостающуючасть тока до значения 1 о, дополнительный источник тока 7 потребляетчерез диод ДЗ, и значение этоготока 1 как легко заметить, равно Щ 1, т.е. имеет место линейно возрастающая функция. Как только 1 =1,токчерез преобразователь тока 2 отсутствует, так как 1 -1= О и весь ток,потребляемый дополнительным источник ком тока 7, протекает через диод Дз,1 эым = о =1 х При 11 направление разности трков 1 -1 такоо х во, что открывается диод Д 1 и через него протекает ток, равный значению этой разности. При дальнейшем увеличении тока 1 х ток, протекающий через диод Д 1, увеличивается, а через диод Д - уменьшается, так как сумма токов, протекающих через эти диоды одновременно, всегда равна 1 .Как только 1= 21 о, через диод Д 1 начинает протекать ток, равный разности входного тока и тока, вырабатываемого источником 1, т.е. 1 о, и этот ток, весь компенсируется дополнительным источником тока 7. Таким образом, выходной ток 1 в,х.становится равным О. При дальнейшем увеличении входного тока 1(1 21 о) открывается диод Д первого каскада, и тока через диод ДЗ не будет. Функция преобразования остальных каскадов формируется аналогичным образом, с той лишь разни цей что вершина ее соответствует значению источника тока 1 в каждом каскаде, т.е. 3 1 о .51 о, 71 а максимальная амплитуда выходного тока каждого каскада определяется значением тока дополнительного источника тока 7 (значением 1 о). В результате функция преобразования группы каскадов 11 (1) имеет вид, изображенный йа Фиг. 2 Д; т.е. максимальное значение выходного тока группы каскадов равно младшей ступени квантования 1 О (81 .Если выход группы каскадов соедйййть со входом следующего преобразователя тока 5 группы каскадов, определяющих младшие разряды, источники тока 1 которых вырабатывают токи равные 1 и31 где 1 о =441 вькмах="Южмах то функция преобразования будет иметь вид изображенный на Фиг. 28.Преобразователь работает следующим образом.Пусть 1 1 о В этом случае (фиг. 2 ) течет ток через диод ,ДЗ первого каскада и через диоды Д 2 ос" тальных каскадов, через диоды Д 1 всех каскадов ток отсутствует.Ток, протекающий через диоды Д четных каскадов, создает на них падение напряжения Цд, и Оддс и дополнитель-, ные компараторы б установятся в единичное состояние. На Фиг. 3 представлены перепады напряжений на диодах Д 1 всех каскадов и диодах Д 2 четных каскадов, которые строго соответствуют .изменениям состояний на выходах всех компараторов. При 11 х 21 О протекает ток через диод Д 1 первого. каскада, и компаратор 3 этого каскада выдает единицу. Состояния остальных диодов (а соответственно и компараторов) не изменяется. Как только 21 о 1 31 о,диод Д 2 второго каскада закрывается, и дополнительный компаратор б в этом каскаде выдает ноль,остальные элементы хранят предыдущеесостояние. При 31 о1 х410 открывается диод Д 1 второго каскада, и компаратор 3 этого каскада устанавливается в единичное состояние. Далее5,преобразователь работает аналогично,Как видно иэ Фиг. 4, перепады напряжений диодов (а значит и состояниякомпаратороа,так как они присоединены к этим диодам) изменяются череззначения входного тока, равные младшей ступени квантования, т,е. 1 о.Следовательно, происходит кодирование входной величины с точностью,равНой младшей ступени квантования. Группа каскадов определяющая младшиеразряды, работает аналогично, толькодиапазон изменения входного тока дляэтих каскадов равен значению 10,Таким образом, три разряда определяются четырьмя каскадами, четыре26 восемью каскадами, т.е. число каскадов определяется Формулой 2" ", Сцелью уменьшения количества каскадовможно применить параллельно-последовательный способ Преобразованият.е.выход группы каскадов, определяющихстаршие разряды, подать на входследующего преобразователя тока группы каскадов 5, определяющих младшиеразряды. Число каскадов в этом случае Зо определится формулой 2 + 2, гдеи,( и я - число старших и младшихразрядов. у известного устройствачисло каскадов определяется формулой2 - 4, В устройстве сигнал параллельно подается на входы всех каскадов.Эадержка в преобразователе тока группы каскадов пренебрежимо мала, посравнению с задержкой целого каскада,При органиэации параллельно-последонательного способа преобразования40 выигрыш в быстродействии устройствапо сравнению с известным ощутим, например, при 2-х группах каскадовсигнал проходит последовательно всегодва каскада: каскад в старшей группе 45 и параллельно подается на каскады,определяющие младшие разряды. Т,е.предлагаемое устройство в любом случаеимеет большее быстродействие, чемизвестное.Преобразователь тока, 2 (преобразователь тока 5 группы каскадов)электронное полупроводниковое устройство, выходной ток (токи) которогоимеет (имеют) то же направление,чтои входной ток относительно .общего вы-вода,причем по абсолютной величиневыходной ток (токи) равен (равны)входному или соответствуют ему по ряду параметров. Выходной ток (токи)на фиг. 4 ао равен (равны) входному Щ с точностью, обусловленной идентичностью параметров транзисторов Т 1,Т 2, Т.Формула изобретенияАналого-цифровой преобразователь 45 содержащий в каждом каскаде источник тока, выход которого соединен совходом каскада, преобразователь токаи компаратор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения быстродействия, введены на группу каскадов дешифратор, преобразовательтока группы каскадов, в каждый каскад - три диода, дополнительный ис.точник тока,а в каждый четный каскад - дополнительный компаратор, причем анод первого диода каждого каскада соединен со входом преобразователя тока, первым входом компаратораи входом каскада, катод второго диода каждого каскада соединен с шинойпитания и первым входом дополнительного компаратора в каждом четном каскаде, анод третьего диода подключенк общему выходу группы каскадов, который соединен со входом преобразователя тока последующей группы каскадов,катод первого и третьего и анод второго диодов объединены и присоединены к выходу дополнительного источникатока, выходу преобразователя тока,второму входу компаратора и ко второму входу дополнительного компара,тора в каждом четном каскаде,приэтом выходы всех компараторов соединены с соответствующими входамидешифратора, а входы каждого каскада соединены с соответствующими выходами преобразователя тока группы О каскадов. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США Р 4005410,15 кл. 340"347, АД, 19792, НегЬегй Козс 1 е 1 п 1 с 1 с, цпд О 1 ейег 5 е 1 йкег,Е 1 пе пеце 5 йгцМсцг Ецг зоЬпе 11 е. Апа 1 о 9/01 дСа 1" Оедескег ц, йасйг 1 сПсепФесЬЮ. 729,20 1976, Н,7,с.535-537.