Аналого-цифровой преобразователь

о пфи-С"-л-н Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 05. 10. 79 (21) 2825214/18-21с присоединением заявки Мо(51)М. Кл.з Н 03 К 13/17 Государственный комитет СССР но делам нзобретеннй н открытнй(72) Автор изобретения Н.Н. Протченко 71) Заявитель АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ относится к импульсможет быть использораэования напряженияигнала в двоичный кодровой обработки, какоторых существенноенения масштаба велимых сигналов.алого-цифровой преобдержащий компаратор,10торого подключен креверсивный счетчик,чета которого подключенратора непосредственатного счета - через 5и входов которого поддам реверсивного счетк инверсному входугенератор тактовыхключенный к тактовому 20ного счетчика 13этого преобразователяможность преобраэоваазных масштабов в код25 ч кже преобразовательод, реализующий методравновешивания с раэлением кодов порядкакаждого значения сиг Изобретениеной технике ивано для преобуниполярного св системах цифество работызависит от измчин преобразуеИзвестен анразйватель, сопрямой вход ковходной шине,вход прямого ск выходу компано, а вход обринвертор ЦАП,ключены к выхочика, а выходкомпаратора, иимпульсов, подвходу реверсивНедостаткомявляется невозния сигналов родного масштабИзвестен танапряжения в кпоразрядного удельным опредеи мантиссы для нала. Для этого цепь обратной цифроаналоговой связи разделена на две части-ЦАП порядка и ЦАП мантиссы, к которым подключены дешифратор с регистром порядка и регистром мантиссы соответственно, управляемые сигналами с устройства управления 2.Часто реальные сигналы по разным причинам изменяют масштаб с течением времени, т.е. являются нестационарными процессами. Обычно в таких системах обрабатывают отрезки сигналов ограниченной длительности (реализации), в пределах которых сигнал изменяется в небольшом динамическом диапазоне и может считаться стационарным. Однако от реализации к реализации масштаб сигнала может изменять,ся, например, при подключении к другому источнику сигнала, при перестройке радиоприемного устройства на другую частоту и т.д. В таких системах используется информация не об абсолютных значениях сигнала, а о его форме. Желательно согласовать сигнал в пределах одной реализации со шкалой преобразования так, чтобы наиболь шее значение не выходило эа пределы этой шкалы, что может быть достигнуто путем нормирования всех значенийсигнала в пределах одной реализации относительно наибольшего значения, Такой подход позволяет сократить число разрядов аналого-цифрового преобразователя до минимума, определяемого лишь достаточной точностью представления значений сигнала числовыми эквивалентами, Это позволяет сократить число разрядов арифметического Лустройства и памяти сопряженного с АЦП специализированного вычислителя, что ведет в общем к сокращению объема оборудования, стоимости, веса аппаратуры и существенному повышению быстродействия, т.е. позволяет оптимизировать систему обработки по многим параметрам. Известный преобразо ватель, таким образом, не позволяет оптимизировать указанные системы обработки, что является его недостатком.20Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик преобразователя,Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор .тактовых импульсов, блок управления, компаратор,прямой вУод которого подключен к входной шине,а инверсный - через последовательно соединенные первый и второй цифро-аналоговые преобразователи подключен к шине опорного напряжения, введены первый и второй элементы И, элемент И-НЕ, реверсивный и двоичный счетчики, элемент запрета, блок35 ключей и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу компаратора и к первым входам первого и второго элементов И, а выход подключен к входу обратного счета реверсивного счетчика 40 вход прямогосчета которого соединен с выходом первого элемента И, тактовый вход через элемент запрета к выходу генератора тактовых импульсов и второму входу второго элемента И, 45 вход сброса соединен с первым выходом блока управления с входом сброса двоичного счетчика, а выходы соединены с входами первого цифро-аналогового преобразователя с входом блока ключей, а и-й выход подключен к третьему входу второго элемента И и первому входу элемента И-НЕ,четвертый вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ и вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с вторым входом элемента запрета, и к управляющему входу блока ключей, при этом выход элемента И-НЕ соединен с вторым входом первого элемента И, а выход 0 второго элемента И соединен с счетным входом двоичного счетчика, выходы которого соединены с входами второго цифро-аналогового преобразователя, 65 На чертеже представлена структурная схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя.Он содержит компаратор 1, инвертоо 2,первый элемент И З,элемент И-НЕ 4, блок управления 5, реверсивный счетчик б, элемент запрета 7,первый цифро-аналоговый преобразователь 8 блок ключей 9, второй элемент И 10, двоичный счетчик 11, второй цифроаналоговый преобразователь 12 и генератор 13 тактовых импульсов.АЦП работает циклично. Каждый цикл работы состоит из двух последовательных этапов: Нормализация и Преобразование. Последовательность работы АЦП определяется сигналами, вырабатываемыми блоком управления 5. Длительность этапа "Нормализация" определяется длительностью импульса "Строб", которая устанавливается перед работой преобразователя с учетом статистических свойств преобразуемого сигнала так, чтобы на этом этапе наблюдалось не менее одного наибольшего значения сигнала. В начале этапа блок управления 5 формирует импульс "Сброс", который переводит преобразователь в исходное состояние. Этот импульс поступает на вход "Начальная установками (НУ) реверсивного счетчика б и устанавливает его старший разряд в состояние "1", а остальные разряды - в "О". Тот же импульс устанавливает все разряды двоичного счетчика 11 в состояние "0", При этом напряжение 00 на выходе цифроаналогового преобразователя 12 и компенсирующее напряжение О уменьшаются до нуля. Так как выполняется условие Об.) О, то на выходе компаратора 1 формируется логическая 1, открывающая элемент И 3 по первому входу и элемент И 10-по четвертому. Однако элемент И 3 закрыт сигналом "О", поступающим с выхода элемента И-НЕ 4, на входах которого установлены единичные сигналы. Реверсивный счетчик б закрыт по входам прямого и обратного счета и не изменяет своего состояния. В течение всего этапа "Нормализация" импульсы на выходе "Пакет" блока управления 5 отсутствуют, элемент запрета 7 открыт и тактовые импульсы с генератора 13 беспрепятственно проходят на счетный вход реверсивного элемента б. Элемент И 10 открыт по первому входу сигналом ."1", поступающим с выхода старшего разряда реверсивного счетчика б, и по второму входу импульсом "Строб" с блока управления 5. Тактовые импульсы с генератора 13 проходят через элемент И 10 на счетный вход двоичного счетчика 11, последовательно увеличивая его содержимоена единицу. Напряжение О при этом ступенчато нарастает на один квант д ЦАП 12, величина которогоопределяется выражением, аналогичнымвыражениюОо.Й 1 1) и остается постоянной на всех этапах. работы АЦП. В этом выражении а - число разрядов двоичного счетчика 11. Масштабный коэффициент ЦАП 8 выбирается таким, чтобы выполнялось равен,ствоО= Оо(И если реверсивный счетчик б находится в исходном состоянии (см. НУ), Поэтому напряжение Ох, точно повторяет . напряжение О до тех пор, пока реверсивный счетчик 6 не изменит своего состояния, т.е. также нарастает ступенями в один квант д . Как только О(и О 1, согласно (2) превысит О Ь (не более, чем на один квант д ), на выходе компаратора 1 возникает сигнал "0", который закроет элемент И 3 по первому входу, элемент И 10 по четвертому входу, .и через инвертор 2 установит режим обратного счета реверсивного счетчика б. Следующий тактовый импульс уменьшит его содержимое на единицу, что ведет к установке в "0" старшего разряда реверсивного счетчика б, закрытию элемента И 10 по первому входу и открыванию элемента И 3 через элементИ-НЕ 4 по второму входу. При этом прохождение счетных импульсов на двоичный счетчик 11 прекратится .и в нем будет зафиксирован код, отображающий входное напряжение а на выходе цифро-аналогового преобразователя 12 установится напряжение, равное с точностью до кванта д входному (точнее, превышающее О 8 менее, чем на один квант д )1 ОьОО 1 "дф - д: ОьТак как код реверсивного счетчика буменьшится на единицу по сравнениюодом исходного состояния, равенОство (2) нарушится, и напряжениестанет равнымОу = ОР 1 -д 1Величина О 1 определяется выражением (4) и является опорным напряжением цифро-аналогового преобразоват еля 8. Величина кванта Ь 1 связа- ажена с опорным напряжением ОО 1 выраж - нием, аналогичным выражениюООа (Ь)где и - число разрядов реверсивногосчетчика б. Однако здесь имеется существенное отличие, заключающееся в том,что величина опорного напряжениязависит от величины входного напряжения в соответствии с выражением (4),а это означает, что величина квантатакже зависит от величины О Есливыполняется неравенствод 1 д( )то при уменьшении кода реверсивногосчетчика б на единицу, напряжениеО , согласно (4) и (5), станет меньше Ои сигнал на выходе компаратора примет значение "1", открываяэлемент И 3, элемент И 10 и устанавливая реверсивный счетчик 6 в режим 15 прямого счета, Очередной тактовыйимпульс увеличит код ). в реверсивном счетчике б на единйцу и приведетего в исходное состояние. Так какпри этом элемент И 10 был закрыт по 20 первому входу сигналом "1" с выходареверсивного счетчика б, код в двоичном счетчике 11 и напряжение Оояе изменяется, а напряжение Оц. будетопределяться равенством (2), При неизменном напряжении ОВх будет выпблнено неравенство ООЬх, на выходе компаратора возникнет сигнал "0",который закроет элемент И 3, элемент И 10 и переведет реверсивныйсчетчик в режим обратного счета.Очередной тактовый импульс опять уменьшит код реверсивного счетчика б наединицу и не изменит код в двоичномсчетчике 11. Процесс колебаний кодав реверсивном счетчике б будет продолжаться до тех пор, пока не изменится напряжение О, При уменьшении ОЬ относительно зафиксированного значения О 01 на один квант д 1 иболее элемент И 10 будет закрыт,код 40 двоичного счетчика 11 и напряжениеО 1 будут оставаться постоянными,О 1причем О ) в соответствии с выражением (4) равно наибольшему входномунапряжению О, которое наблюда лось за время работы преобразователя на первом этапе. При этом элемент И 3 будет постоянно открыт, иработа преобразователя при выполнении условия50 О(ОО 1(1- " ), (в)не будет отличаться от работы известного преобразователя со следящейсвязью, описанного выше. Если в дальнейшем на этапе "Нормализация" напряжение О превысит зафиксированноезначение напряжения Оо 1в старшемразряде реверсивного счетчика б будетзаписана "1", закроется элемент И 3,откроется элемент И 10, и процесс по"выщения Оо до значения Осогласно выражению (4) повторится. Этап ."Нормализация" заканчивается с окон"чанием импульса "Строб".При этом элемент И 10 закрывается, запрещая работу двоичного счет(9) чика 11 и исключая возможность изменения напряжения О 01 на этапе "Преобразование", а также закрывается элемент И"НЕ 4, открывая тем самым элемент И 3. Тем самым исключается возможность ограничения кода сигнала величиной кода исходного состояния р тех случаях, когда напряжение Оу превысит на этапе "Преобразоваф. " величину опорного напряжен:;-. О 0, установленную автоматически на первом этапе. Такие случае возможны, когда длительность интервала "Нормализация" выбрана недостаточно большой, либо когда на этапе "Преобразование" произойдет изменение масштаба сигнала. При этом могут быть преоб разованы в код сигналы, масштаб которых изменился после нормализации не более, чем в два раза. Работа преобразователя на этапе ".Преобразование" аналогична работе известно го, описанного выше. Отличия заключаются в том, что опорное напряжение ЦЛП 8 не остается постоянным, а изменяется от цикла к циклу, а также в том, что считывание кода с ревер- д сивного счетчика производится в дискретные моменты времени, определяемые моментами поступления импульсов считывания с выхода "Пакет" блока управления 5 на управляющий вход блока ключей 9. Для исключения неоднозначности считывания, возникающей вследствие изменения кода реверсивного счетчика 6 в момент считывания, считывающие импульсы с выхода "Пакет" блока управления 5 подаются также на элемент З запрета 7 и прекращают поступление тактовых импульсов с генератора 13 на реверсивный счетчик 6 на время считывания кода. Длительность этапа "Преобразование" определяется дли тельностью реализации сигнала, вводимого в устройство обработ али. Эта длительность должна быть учтена при анализе статистики медленных изменений масштаба сигнала с целью выбора достаточной длительности этапа "Нормирование".Таким образом, на первом этапе в двоичном счетчике фиксируется код наибольшего значения сигнала и формируется опорное напряжение для первого цифро-аналогового преобразователя, равное с точностью до квантанаибольшему входному напряжению 00 рОцх,н, (10)При этом будет установлена величинакванта первого ЦАП, равнаяд ОЬнКод текущего значения сигнала при(-м отсчете на этапе ."Преобразова ние" можно записать в виде Увеличим масштаб того же сигнала враз. При этом наибольшее значение Ор-.=и:"Текущее значение О увеличивается в одинаковое число, т,е, в М раз. Сравним результаты преобразования сигналов обоих масштабов (см. выражения (9) - (12) при условии, что текущие значения сигналов были взяты в одинаковый характерный момент времени (сигналы имеют одинаковую форму), При этом получим(Оон )и = Оц, (14) Из выражения (16) следует, что код текущего значения сигнала не изменяется при изменении масштаба сигнала, что подтверждает возможность получения положительного эффекта нормализации кода преобразуемых сигналов. При этом информация с масштаба сигнала также фиксируется в виде кода наибольшего значения сигнала, общего для всех преобразуемых текущих значений сигнала в данном цикле, хранящегося в двоичном счетчике согласно выражению (13). Нормализация достигается благодаря изменению опорного напряжения в соответствии с выражением (14) и кванта первого цифроаналогового преобразователя в соответствии с выражением (15) пропорционально изменению масштаба наибольшего значения сигнала. Применение предложенного АЦП в устройствах цифровой обработки, использующих информацию только о форме сигналов, позволяет существенно сократить их разрядность, ограничив ее только требуемой относительной точностью представления числа, и, тем самым, в той же прспорции сократить объем, вес и стоимость аппаратуры, а также повысить ее быстродействие. При необходимости может быть получена полная информа" ция с сигнала с учетом его масштаба. Код текущих значений сигнала с учетом масштаба может быть получен путем вычислений по следующей формуле: В выражение (17) входят величиныколов текущих значений сигналафиксируемые последовательно на этапе "Преобразованием в реверсивномсчетчике, и код наибольшего значениясигнала (., фиксируемый в двоичном879770 10 Формулаизобретения Составитель Л. БеляеваРедактор О. Юркова Техред С.Мигунова КорректорГ. Назарова Тираж 991 Подписное БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Заказ 9740/28 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 счетчике на этапе "Нормирование",полученные в течение одного циклаработы. При этом может быть полученвыигрыш в объеме памяти, так как коды текущих значений сигнала имеютмалую разрядность, а код наибольшего значения сигнала, имеющий большую разрядность, фиксируется толькоодин раз для всей исследуемой реализации сигнала.Аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор тактовых импульсов, блок управления, компаратор,пря мой вход которого подключен к входной шине, а инверсный - через последовательно соединенные первый и второй цифро-аналоговые преобразователи подключен к шине опорного напряжения, 2 О о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью улучшения метрологических характеристик преобразователя, введены первый и второй элементы И, элемент И-НЕ, реверсивный и двоичный ,счетчики, элемент запрета, блок ключей и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу компаратора и к первым входам первого и второго элементов И, а выход подключен к входу обратного счета реверсивного счетчика, Вход прямого счета которого соединен с выходом первого элемента И,тактовый вход через элемент запретак выходу генератора тактовых импульсов и второму входу второго элементаИ, вход сброса соединен с первымвыходом блока управления с входомсброса двоичного счетчика, а выходысоединены с входами первого цифроаналогового преобразователя с входом блока ключей, а и-й выход подключен к третьему входу второго элемента И и первому входу элементаИ-НЕ, четвертый вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ ивторым выходом блока управления,третий выход которого соединен свторым входом элемента запрета, и куправляющему входу блока ключей, приэтом выход элемента И-НЕ соединенс вторым входом первого элемента И,а выход второго элемента И соединен с счетным входом двоичного счетчика, выходы которого соединены свходами второго цифро-аналоговогопреобразователя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Дж. Рутковски, Интегральныеоперационные усилители. М., "Мир",1978, с. 242,2. Авторское свидетельство СССРР 364091, кл. Н 03 К 13/17, 22.12.70.