Аналого-цифровой преобразователь

Союз Советскнк Соцналнстнческнх Республнк(22) Заявлено 201278 (21) 2699736/18-21с присоединением заявки Ио(23) ПриоритетОпубликовано 300981. Бюллетеиь М 36Дата опубликования описания 300981 Р 1)э Н 03 К 13/12 Государствеиный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторизобретения Э. И, Макаров 3Уральский ордена Трудового Красного Знамениполитехнический институт им. С.М, Кирова(54 ) АНАЛОГО-ЦИФРОВОИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к вычислительной и цифровой измерительной технике.Известен аналого-цифровой преобразователь АЦП , содержащий в каждом разряде схему сравнения, цифровое управляемое сопротивление и перекидные транзисторные ключи, триггер с раздельными импульсными входами, схе ьы И, входы которых соединены с выходами схем сравнения и триггера, а выходы соединены со входами схем ИЛИ в последующих младших разрядах, генератор тактовых импульсов и схемы И для считывания кода в кодовые шины 15 числа 111.Недостатки данного АЦП - низкая помехоустойчивость к импульсным помехам, большая погрешность считывания, малое быстродействие . 20Цель изобретения - повышение надежности, быстродействия, точности считывания и технологичности в интегральном исполнении.Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий в каждом разряде элемент сравнения, триггер, первые элементы ИЛИ, содержащий также за исключением старшегю разряда, первые 30 элементы И, первый и второй входыкаждого из которых соединены с выходами схемы сравнения и триггера, авыходы соединены со входами первыхэлементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами триггеров, третьи входы которых соединены с шиной "Установка в ноль", вторые элементы И, первые входы которыхсоединены с выходами триггеров, цифровые управляемые сопротивления иключи, управляющие входы которых соединены с выходами триггеров предыдущих разрядов, а выходы - с шинойопорного напряжения, общей шиной ицифровыми управляемыми сопротивлениями, введены в старший разряд третьиэлементы И, в младший разряд - элемент ИЛИ-НЕ, во все разряды, кроместаршего, - четвертые элементы И ивторые элементы ИЛИ, дополнительныйтриггер, пятый элемент И, третий элемент ИЛИ, при этом входы третьих элементов И соединены с выходами триггера и элемента сравнения старшего разряда, а выходы соединены с входамиэлемента ИЛИ старшего разряда, вхОдычетвертых элементов И каждого разряда соединены с выходами триггера иэлемента сравнения, а выходы соеди 86902160 иены с входами вторых элементов Ю 1 И, выходы которых соединены со входами пятого элемента И, ныход которого соединен с первым входом дополнительного триггера, первый выход которого соединен с третьими входами, первых элементов И, а второй выход - со входом пятого элемента И, выходы первых и третьих элементов И соединены со входами третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом дополнительного триггера, выходы первых элементов И младших разрядов соединены с входами элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен со вторыми входами вторых элементов И.На чертеже представлена функцио нальная схема предлагаемого АЦП на пять двоичных разрядов.Аналого-цифровой преобразонатель содержит триггеры 1 с раздельными по-тенциальными входами (регистр выходно-Щ го кода), дополнительный триггер 2, шину 3 "Установка н 0" триггеров, цифровые управляемые сопротивления 4, прямой 5 и инверсный б. выходы триггеров, перекидные транзисторные ключи 7, шину 8 "Земля", элемент 9 сравнения, прямой 10 и инверсный 11 выходы схем сраннения, элементы ИЛИ 12 и 13, входы триггеров 14 и 15, элементы И 16 и 17, элемент ИЛИ 18 на восемь входов, шину 19 опорного напряжения (О ), элементы И 20 и 21 на два входа, элемент ИЛИ 22, элемент И 23, шины 24 выходного кода, элементы И 25 и 26, элемент ИЛИ-НЕ 27.Устройство работает следующим об- З 5 разом.В исходном состоянии (ОО) триггеры 1 и 2 установлены в состояние "О" сигналом по шине 3, Уровень эталонного напряжения (О э ) на выхо де цифровых управляемых сопротивле- ний (ЦУС) 4 в каждом разряде соответствует весу разряда и формируется под действием управляющих сигналов с по-, тенциальных выходов 5 и б триггеров 1 предшествующих разрядов, подключающих с помощью соответствующих ключей 7 сопротивления к шине "Земля 8.Уровнями квантования сигнала Оех (с) в процессе преобразования для данного АЦП являются четные О ВхЬ, йа и нечетные Онх Ь(2 а+1), где а = 0,1,215, И, - шаг квантования по уровню.При Ое= Ь(2 а+) факт равен- ство уровня эталонного напряжения 55 О зи О ех фиксируется элементом 9 сравнения в младшем разряде.С увеличением О Ех со скоростью, не превышающей шага квантования Ь в одном такте преобразования ьп, сигнал "1" с выхода 10 элемента 9 сравнения, соответствующий ОехО 9 т после завершения переходных процессов в элементе 9 сравнения (в) поступает на вход элемента И 17, подготовленного по.двум другим входамсигналами "1" с выходов 6 триггера 1младшего разряда и триггера 2. С выхода элемента И 17 (т ) сигнал проходит элемент ИЛИ 12 (Г 1) и переключает триггер 1 младшего разряда всостояние "1" по входу 15 (о.,). Навыходе б триггера 1 устанавливаетсясигнал "0", который поступает навход элемента И 17. На выходе элемента И 17 также устанавливается сигнал "0" и триггер 1 младшего разрядапереходит в режим хранения информации(на входах 14 и 15 сигнал "0") .При убывании Озх сигнал "1" с выхода 11 элемента 9 сраннения, соответствующий Оэс Опоступает на входэлемента И 16, подготовленный подвум входам сигналами "1 ф с выхода5 триггера 1 и выхода 6 триггера 2.С выхода элемента И 16 сигнал проходит элемент ИЛИ 13 и переключаеттриггер 1 младшего разряда в состояние "1", а затем и на выходе элемента И 16 устанавливается сигнал "0" итриггер 1 переходит в режим храненияинформации.Суммарная продолжительность процесса преобразования на нечетных уровнях квантования определяется соотношением ф 6 - +фГ + +/лР з2+где ь, фь ,в =ТаПри Ор = Ь 2 а факт равенства уровня эталонного напряжения О и Оьфиксируется схемой 9 сравнения в(-ом разряде ),С увеличением Ох с аналогичнойскоростью изменения при достижениизначения Ох = О ; в-ом разрядесигнал "1" с выхода 10 элемента 9сравнения после окончания переходныхпроцессов 9) подается на вход элемента И 17, подготовленного по двумдругим входам.С выхода элемента И 17 (т ) сигнал "1" параллельно проходит элементИЛИ 12в (-ом разряде, элементИЛИ 13 в последующих младших разрядахпо цепи сквозного распространения сигнала возбуждения и элемент ИЛИ 18г рПосле окончания переходных процессов в триггерах 1 (фь) устанавливается код результата преобразования вовсех разрядах практически одновременно: н -ом разряде "1", а н последующих младших - "0". Триггер 2 устанавливается в состояние "1" и сигнал"0" с его выхода 6 поступает на входыэлементов И 16 и 17, Триггеры 1 и 2переходят в режим хранения информациидо устанонления кода на выходах 10и 11 элементов 9 сравнения н младших,по отношению к-му разрядах, совпадающего в одноименных разрядах с кодом на соответствующих выходах 5 и бтриггера 1,Под действием сигналов с выходов5 и .б триггера 1 1-го разряда соответствующие ключи 7 подключают резисторы в ЦУС 4 в младших по значимостиразрядах к шине О 0 19 7 ). Одйовременно ключи 7, управляемые с выходов5 и б триггеров 1 каждого последующего после-го разряда, подключают резисторы в ЦУС 4 младших по значимостиразрядов к шине "Земля" 8, уровень1 эталонного напряжения на ныходе ЦУСизменяется за время 67.Элементы 9 сравнения в младших поотношению к 1-му разрядах фиксируютпревышение уровня эталонного напряжения входного сигнала (ООз ). Однако элементы И 16 в этих разрядах по 15двум входам не подготовлены сигналом "0" с выхода 5 триггера 1 и свыхода б триггера 2, и сигнал "1" свыходон 11 элементов 9 сравнения неизменяет состояние триггеров 1 по 2 Оцепям сквозного распространения сигнала возбуждения.После окончания переходных процессов в элементах 9 сравнения соответствие сигнала "1" на выходе 10 элемента 9 сравнения и на выходе 5 триггера 1 в-ом разряде выявляется элементом И 20, а в последующих мпадших разрядах соответствие сигнала "1"на выходе 11 элемента 9 сраннения ина выходе 6 триггера 1 - элементамиИ 21, Сигнал "1" с выхода элементовИ 20 и 21 проходит через элемент ИЛИ22 в каждом разряде и поступает навходы элемента И 23, подготовленного по одному входу сигналом "1" с вы- Зхода 5 триггера 2. Сигнал "1" с выхода элемента И 23 переключает триггер 2 по входу 14 н состояние "0".При убывании Оз и при достиженииОс О 7; в 1-ом разряде сигнал "1 ф 40с выхода 11 элемента сравнения 9 подается на вход элемента И 16, подготовленного по двум другим входам сигналом ф 1" с выходов 6 триггеров 1и 2, Сигнал "1" с выхода элемента И16 Жь ".7 ) поступает параллельно наэлемент ИЛИ 13 в 1-ом разряде, элемент ИЛИ 12.в последующих младших разрядах и элемент ИЛИ 18, Под действиемсигнала "1" с выхода этих элементовн триггерах 1 регистра устанавливается код, эквивалентный значению входного сигнала Ов 1-ом разряде фО",а н последующих мпадших разрядах"1". Триггер 2 устанавлинается и состояние ф 1". Сигнал "0" с выхода б 35триггера 2 поступает на входы элемен-та И 16 и 17, триггеры 1 и 2 переходят в режим хранения информации доокончания переходных процессов в элементах 9 сравнения младших по отноше- у)/нию к 1-му разрядах,Под действием сигналов с выходов5 и б триггера-го разряда соответствующие ключи 7 подключают резисторы ЦУС 4 в младших по значимости раз- д рядах к шине "Земля" 8, Одновременно ключи 7, управляете сигналами с выходов 5 и 6 триггеров 1 каждого последукщего разряда, подключают резисторы ЦУС 4 в младших по значимости разрядах к шине 19 О . Элементы 9 сравнения в младших по отношению к ,-му разрядах фиксируют .превышение входным сигналом уровня эталонного напряжения (О)О ); Сигнал "1" с выхода 10 элемента 9 сравнения в соответствующем разряде поступает нанход элемента 17, на дна других входа которого поступают сигналы "0" с выходов б триггеров 1 и 2, На выходах элемента И 17 сигнал "О" не изменяется, и триггеры 1 сохраняют свое состояние.После окончания переходных процессов в элементах 9 сравнения соответствие сигналов "1" на выходе 15 элементов 9 сравнения и на выходе б триггера 1 н-ом разряде выявляются эле" ментом И 21, а в последующих мпадших разрядах соответствие сигнала "1" на выходе 10 элемента 9 сравнения и на выходе 5 триггера 1 - элементами И 20, Сигналы "1 ф с выходов элементов И 20 и 21 проходят через элемент ИЛИ 22 в каждом разряде и подаются на вход элемента И 23, подготовленного по одному входу сигналом "1" с выхода 5 триггера 2.Сигнал ф 1 ф с выхода элемента И 23 переключает триггер 2 по входу 14 в состояние ф 0",Суммарная продолжительность процесса преобразования на четных уровнях квантования не зависит от числа разрядов АЦП и определяется соотношениемф:(ф ,д +щ )+7гДе "1 = " Ч 7= "а= "М Ъ чГ "Ь= "23Для считывания кода в кодовые шины 24 н каждом разряде сигнал с выхода 5 подается иа один из выходов элемента И 25, а с ныхода б на один иэ входон элеьента И 26. На другие входы элементов И 25 и 26 подается сигнал "1" с выхода элемента ИЛИ-НЕ 27. На входы элемента ИЛИ-НЕ 27 подаются сигналы с выходов элементов И 16 и 17 младшего разряда. Считывание кода производится только в те моменты вре-.ни, когда триггер 1 находится в режиме хранения информации, т.е. на выкодах элементов И 16 и 17 сигнал "Оф.итынание кода с выходов 5 и 6 тригеров 1 регистра, находящихся в режиме хранения информации, полностью исключает ошибки из-за наложения сигнала считывания на переходные процессы в триггерах 1Запаздывание выходного кода в шинах 24 по отношению к началу процесса преобразования определяет динамическую погрешность АЦП искладывается из времени цикла и времени считывания( + 7 Ч ), Отнесение кода в шинах 24 при регистрации к моменту начала процесса преобразования ввиду постоянства Гц+1 ц на различных уровнях квантования позволяет исключить составляющую динамической погрешности из общей погрешности преобразования.Введение в схему АЦП триггеров с потенциальными входами, дополнительных логических элементов и новых связей позволяет повысить помехоустойчивость к импульсным помехам, быстро действие, надежность схемы и ее технологичность в интегральном исполнении.Формула изобретенияАналого-цифровой преобразователь, содержащий в каждом разряде элемент сравнения, триггер, первые элементы Щ ИЛИ, содержащие так-же за исключением старшего разряда, первые элементы И, первый и второй входы каждого из которых соединены с выходами схем сравнения и триггера, а выходы соединены со входами первых элементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами триггеров, третьи входы которых соединены с шиной "установка в ноль", вторые элементы И, первые входы которых соединены с выходами триггера, цифровые управляеьые сопротивления и ключи, управляющие входы которых соединены с выходами триггеров предыдущих разрядов, а выходы - с шиной опорного напряжения, З 5 общей шиной и цифровыми управляемыми сопротивлениями, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью повышения надежности, быстродействия, точности считывания и технологичности винтегральном исполнении в старшийразряд введены третьи элементы И, вмладший разряд - элемент ИЛИ-НЕ, вовсе разряды, кроме старшего - четвертые элементы И и вторые элементы ИЛИ,дополнительный триггер, пятый элемент И, третий элемент ИЛИ, при этомвходы третьих элементов И соединеныс выходами триггера и элемента сравнения старшего разряда, а выходы соединены с входами элемента ИЛИ старшегоразряда, входы четвертых элементов Икаждого разряда соединен с выходамитриггера и элемента сравнения, а выходы соединены с входами вторых элементов ИЛИ, выходы которых соединены,со входами пятого элемента И, выходкоторого соединен с первым входом до-.полнительного триггера, первый выход которого соединен с третьими входами первых элементов И, а второйвыход - со входом пятого элемента И,выходы первых и третьих элементов Исоединены со входами третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен совторым входом дополнительного триггера, выходы первых элементов Имладших разрядов соединены с входамиэлемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен со вторыми входами вторых элементов И.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Кирпичников В,Н Макаров Э.ПЧапцов Р,П. Метод улучшения динамических характеристик аналого-цифрового преобразователя поразрядного сравнения, - "Горный журнал", 1971, Р 9,с,. 147-151 (прототип).869021 Сост авиуель А. Кузнецчелинская Техред С.Мигунова ектор Н. Швыдкая едакто Заказ 8 арс омитета СС иэо открытий Ж кая наб., одписное илиал ППП "Патент ", г. Ужгород, ул. Проектная,355/84 ВНИИПИ Госуд по делам 113035, Москва