Устройство для аналого-цифрового преобразования

(72 И. (53 (56 мы средства и систес. 1,тво СССР18, 1988,Изобре ислител ьзовано яющих ровой к Цель из твия ан вы по ме ци дей ния уст ний(фи (СУ) мин пен (КУ (КЗ) уст зом то ДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 4401414/24-2401,04.8823.11.90. Бюл, М 43Новосибирский электтутИ.Г.Вагнер, А,Б,Жуко.Соболев681.325 (088.8)Микропроцессорные1985, М 1, с. 75-77, риАвторское свидетельс425828, кл. Н 03 М 1/ ение относится к автоматике и ьной технике и может быть исдля преобразования быстроизся аналоговых сигналов в добретения - повышение быстроалого-цифрового преобразоваНа фиг. 1 приведена структурная схема ойства; на фиг, 2 - диаграммы напряжепоясняющие его работу.Аналого-цифровой преобразова.тель , 1) содержит суммирующий усилитель 1, аналого-цифровой преобразователь ) 2, первое и второе постоянные запоющие устройства (ПЗУ) 3 и 4, три комирующих усилителя (КУ 1) 5, (КУ 2) 6 и7, три аналоговых ключа (К 1) 8, (К 2) 9 и 10, третье постоянное запоминающее ойство 11, регистр 12 памяти (РП).стройство работает следующим обралгоритм работы устройства основан на , что его динамический диапазон вход) УСТРОИСТВО ДЛЯ АНАЛОГО-ЦИФРОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ(57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования быстроиэменяющихся аналоговых сигналов в цифровой код. Изобретение позволяет повысить быстродействие параллельного аналого-цифрового преобразователя путем введения трех компенсирующих усилителей. 2 ил. ных сигналов Ов, по сравнению с динамическим входным диапазоном АЦП 2 параллельного типа увеличен в 4 раза и разбит на . 4 поддиапазона: 1 поддиапазон - изменение Овх от 0 до значения Ео, 2 поддиапазон - изменение Овх от Е 0 до значений 2 Ев, 3 поддиапазон - изменение Овх от 2 Е 0 до значений ЗЕ 0; 4 поддиапазон - изменение Овх от ЗЕ 0 до значений 4 Е.Каждый поддиапазон кодируется двумя разрядами, которые являются старшими по отношению к разрядам параллельного АЦП 2, по следующему закону:Поддиапазоны 1 2 3 4Разряд 0101РазрядПри измерении Овх от 0 до Ео в 1 поддиапазоне старшие два разряда равны нулю, а младшие разряды определяются параллельными АЦП 2, при этом все аналоговые ключи разомкнуты. При О вх = Ео (граница поддиапазона) АЦП 2 формирует на выходе код, содержащий единицы во всех разрядах - признак переполнения. По этому признакувключается первый аналоговый ключ 8 и на вход суммирующего усилителя 1 поступает сигнал от компенсирующего усилителя 5. Поскольку коэффициент усиления по первому входу усилителя 5 равен двум, а к второму входу с коэффициентом (-2) подключен источник опорного напряжения Ео,.то при Оех = Ео выходное напряжение усилителя равно нулю(фиг. 2 д) и при изменении Оех от Ео до 2 Ео напряжение на выходе усилителя 5 будет изменяться от 0 до 2 Ео, что обеспечивает при суммировании в СУ 3 двух сигна,лов изменение напряжения на входе АЦП 2 от -Ео до 0 (фиг. 26). Значение п.младших разрядов определяется АЦП 2, а в и+2 и и+1 разрядах формируется код 01. соответствующий 2 поддиапазону. При Овх=2 Ео АЦП 2 формирует на выходе код, содержащий нули во всех разрядах, по которому включается .второй аналоговый ключ 9 (первый остается замкнутым), добавляющий сигнал от второго компенсирующего усилителя КУ 2 6. Так как коэффициент усиления по первому входу усилителя КУ 2 6 равен двум, а по,второму входу с коэффициентом(-4) подключен источник опорного напряжения Ео, то при Овх = 2 Еовыходное напряжение усилителя равно нулю (фиг, 2 в) и при изменении Овх от 2 Еодо ЗЕо напряжение на выходе усилителя 5 будет изменяться от 0 до 2 Ео, что обеспечивает при суммировании в СУ 1 трех сигна. лов, изменение напряжения на входе АЦП 2 от 0 до -Ео (Фиг. 2,6). В этом третьем поддиапазоне в и+2 и и+1 разрядах устройства устанавливается комбинация 10, а младшие разряды формируют АЦП 2 в зависимости от величины И на его входе.При достижении Оех = ЗЕоАЦП 2 формирует еще раз признак переполнения, по которому включается третий аналоговый ключ 10(первый и второй остаются замкнутыми); добавляющий еще один сигнал компенсйрующего усилителя. Так как коэффициент усиления по первому входу усилителя 7 равен двум, а к второму входу с коэффициентом (-6) подключен источник опорного напряжения Ео, то при Овх = ЗЕо выходное напряжение усилителя также равно нулю (фиг. 2 г) и при изменении Оех от ЗЕо до 4 Ео напряжение на выходе усилителя 7 будет изменяться в диапазоне от 0 до -2 Ео(фиг. 2 г), что обеспечивает при суммировании в СУЗ четырех сигналов изменение напряжения на входе АЦП 2 от -Ео до О (фиг. 26). В этом 4-м поддиапазоне в о+2 и и+1 разрядах устанавливается комбинация 11, а младшие разряды формируются АЦП 2 в зависимости от величины О на его входе.Рассмотрим теперь обратный ход переключений. Если при изменении Оех в 4 поддиапазоне (третьем и втором процессы аналогичны) достигается значение Овх = ЗЕо (2 Ео или Ео), на входе АЦП 2 напряжение О= = Ео (О или Ео) и на его выходе формируется 5 единичный код(нулевой код или единичныйкод) - признак перехода в более низкий подДиапазон, При этом третий аналоговый ключ (второй или первый) 10 отключает одно из трех выходных напряжений компенсиру ющих усилителей. В результате чего устройство переходит из 4-го в 3 (из 3-го во 2-.й или из 2-го в первый) поддиапазон с одновременной сменой кода в и+2 и и+1 разрядах.15 . Выявление нулевой и единичной комбинаций производится с помощью дешифратора двух кодовых комбинаций, построенном на первом постоянном ЗУ 3.Управление включением и отключением 20 аналоговых ключей 8 - 10 и формированиемзначений и+1 и и+2 разрядов производятся логическим управляющим автоматом, построенном на ПЗУ 11 и регистре памяти 12.Необходимо отметить еще следующее: при 25 Овх = Ео (или кратном Ео) до включения первого аналогового ключа (второго или третьего). Этому уровню Овх соответствует кодовая комбинация 00111111, если АЦП 2 имеет 6 разрядов (или 01000000 или 30 10111111), а после включения ключа этомууровню соответствует кодовая комбинация 0111111.(или 10000000 или 1.1111111), т.е.возникает неоднозначность преобразования, что превращает устройство в практиче ски неработоспособное. Для устранениянеоднозначности и перекодировки коров во втором и четвертых поддиапазонах в устройстве содержится преобразователь кодов, построенный.на ПЗУ 4.40 .Учитывая, что при изменении Оех от ОдаЕо на выходе компенсирующего усилителя 5 сигнал изменяется в диапазоне от 2 Ео до .0 (фиг. 2 д), при изменении Овх от 0 до 2 Ео выходное напряжение усилителя 6 изменя ется вдиапазоне от - 4 Еодо О(фиг. 2 в) и приизменении Овх от 0 до ЗЕо выходное напряжение усилителя 7 изменяется от 6 Ео до 0 (фиг. 2 г), После формирования на выходе АЦП 2 признака переполнения (111111) при 50 Овх = Ео и Овх.= ЗЕо или (000000) при Оех ==2 Ео логический автомат подключает соответствующие компенсирующие усилители к входу суммирующего усилителя 3.Если после подключения ключа 8 Оех (1) 55 продолжает возрастать, то этот ключ остается замкнутым и прй помощи АЦП 2 производится обычное аналого-цифровое преобразование, Если после подключения ключа 8 Овх (1) уменьшается, то на выходе АЦП 2 останется признак переполнения(Овыус лпесо тло ороПрю итизпо вчи акоПрнивсенальАЦПрничсчиняешикодиз000сниоткпомниесумс шдневаепамтрапривреадрныхкодпро 1111), Это приводитктому,что ключ 8 не нации, соответствующей двоичному коду лючается и устройство в целом будет не 00001001. Состояние ключей не изменяется. отоспособным, так как его выходной код После подключения компенсирующего усибудет соответствовать входной аналого- лителя выходной код параллельного АЦП 2 величине Обф). Для нормального функ через один такт преобразования отличается нирования устройства введено отединичного кода. Соответственно выходолнительное смещение (не показано) ной код ПЗУ 3 становится равным 00, а адпенсирующих усилителей 5 - 7 так, что- ресный код ПЗУ 11 - 00100100, По этому при Овх.- Ео (2 Ео или ЗЕо) выходное адресу из ПЗУ 11 считывается комбинация, ряжение усилителей 5 - 7 отличалось от 10. соответствующая коду 010100001 в двоичевого (фиг, 2 е, э, к). Достаточно для нор- ной системе счисления. Полученный код заьной работы устройства, чтобы сигнал писывается в регистр 12 памяти. На его ходе АЦП 2 после подключения компен- выходе устанавливается код 010001, а адующего усилителя изменился на один ресных входах ПЗУ 11 - код 01 О 00100, По нт преобразования по уровню, при этом 15 этому адресу считывается комбинация, соодной код АЦП 2 в момент 0, = Е (2 Е ъ, ответствующая коду 01010001, Состояние ) и подключенных компенсирующих уси- ключей не меняется, так как в младшем разелях 5 - 7 примет значения 111110 рядекода присутствует "1".Уровеньлогиче, 111110), Данное смещение можно ской "1" в седьмом разряде выходного кода олнить баллансом нуля операционных 20 ПЗУ 11 участвует в формировании окончаителей, на которых реализованы ком- тельного выходного кодаустройства при посирующие усилители 5 - 7. В исходном мощи ПЗУ 4. ПЗУ 4 введено в схему АЦП для оянии(установка в "0" не показана) ана- устранения неоднозначности аналого-цифвые ключи 8 - 10 закрыты. На вход уст- рового преобразования, так как в результаства поступает сигнал Ох(т) (фиг. 2 а), 25 те преобразования в моменты подключенияпомощи тактовых импульсов, поступа- компенсирующего усилителя на границах хпотактовой шине, задается шагдискре- поддиапазонов возникают кодовые комбиции аналого-цифрового преобразования нации 00111111 и 01111111, а также ПЗУ 4 ремени. Параллельный АЦП 2 обеспе- осуществляет перекодировку кодов: паралет преобразование входного сигнала в 30 лельного АЦП 2 и двух старших выходных в динамическом диапазоне от 0 до -Е. разрядов ПЗУ 11,Овх = Ео входной сигнал достигает граы динамического диапазона АЦП 2 и на В промежутке изменения входного наего выходных шинах формируются сиг- пряжения Ох от Е до 2 Е сигнал на входе уровня логической "1". Выходной код 35 АЦП 2 изменяется в динамическомдиапазо является адресным кодом для ПЗУ 3, не от -Е до О, так как входной сигнал комналичии на адресных шинах ПЗУ 3 еди-, пенсируется напряжением, поступающим ой кодовой комбинации производится от компенсирующего усилителя 5 (фиг. 2 д), ывание комбинации 10, которая изме- При Ох = 2 Е на выходных шинах АЦП 2адресный код ПЗУ 11. На адресных 40 устанавливается нулевая кодовая комбинаах третьего ПЗУ 11 устанавливается цияи на выходеПЗУЗформируется кодовая 00000010 и производится считывание комбинация 01, Тогда на адресных шинах анного ПЗУ кодовой комбинации ПЗУ 11 присутствует кодовая комбинация 0001. Сигнал уровня логической "1", 01000101,чтосоответствуетопределенному аемый с младшего разряда ПЗУ 11, 45 адресу, По этому адресу из ПЗУ 11 считываывает первый аналоговый ключ 8, при ется код 01001011. Сигнал уровня логичещи которого производится подключе- ской "1", снимаемый с второго разряда ПЗУ компенсирующего усилителя 5 к входу 11, открывает второй аналоговый ключ 9, ирующегоусилителя 1.Крометого.код при помощи которого производится подсти младших разрядов ПЗУ 11 по за ключение второго компенсирующего усилиу фронту тактового импульса записы- теля б к входу суммирующего усилителя 1. ся в регистр 12 памяти. Регистр 12 По заднему фронту тактового импульса код ти введен в схему устройства для ус- с шести младших разрядов ПЗУ 11 записыения "гонок", возникающих в ПЗУ 11 вается в регистр 12 памяти. Код, записанменеадресного кода. Код,записанный 55 ный а регистре 12 памяти (001011), истр 12 памяти (000001), поступает на поступает на адресные шины третьего ПЗУ сные шины третьего ПЗУ 11, На адрес, на адресных шинах ПЗУ 11 устанавливашинах ПЗУ 11 устанавливается новая ется кодовая комбинация 00101101. По этовая комбинация 00000110. Из ПЗУ 11 му адресу считывается кодовая комбинация, зводится считывание кодовой комби- соответствующая комбинации 01010011.Так как во вторОм разряде кода уровеньлогической "1", то состояние второго аналогового ключа 9 не изменяется. После подключения компенсирующего усилителя 6выходной код параллельного АЦП 2 через 5один такт преобразования отличается от нулевого. Соответственно выходной код ПЗУ3 станет равным 00, адресный код ПЗУ 11 -01001100, По этому адресу из ПЗУ 11 считывается комбинация, соответствующая коду 1010011011, Полученный код записывается врегистр 12 памяти. На его выходе устанавливается код 011011, а на адресных входахПЗУ 11 - код 01101100. Уровень логической"1" в восьмом разряде выходного кода ПЗУ 1511 участвует в формировании окончательного выходного кода устройства при помощи,ПЗУ 4. В диапазоне изменения входногосигнала от 2 Ео до ЗЕо напряжение на входеАЦП 2 определяется суммой входного сигнала и напряжений, поступающих от компенсирующих усилителей 5 и 6 (фиг. 2 а, б, в,д), В дальнейшем при монотонном увеличении сигнала устройство работает аналогично описанному. Переход через значение 25ЗЕо вызывает срабатывание третьего ключа10, что приводит к приведению входногосигнала в требуемый динамический диапазон (фиг, 2 б), так как на вход суммирующегоусилителя 1 поступает сигнал от третьего 30компенсирующего усилителя 7, и входноенапряжение АЦП 2 определяется суммойвходного сигнала и напряжений от компенсирующих усилителей 5 - 7 (фиг. 2 а, б, в, г,д), одновременно изменяется значение 35старших разрядов кодовых комбинаций устройства. При монотонном уменьшениивходного сигнала алгоритм работы устройства будет аналогичен рассмотренному,только отключение аналоговых ключей 408 - 10 производится в обратном порядке,Например, рассмотрим работу преобразователя при изменении входного сигнала от4 Ео до ЗЕо. В промежутке между значениями 4 Ео и ЗЕо на выходных шинах ПЗУ 3 45присутствует нулевая кодовая комбинация,так как выходной код АЦП 2 отличен и отнулевого, и от единичного, Все ключи замкнуты, так как в трех младших разрядах выходного кода ПЗУ 11 присутствуют сигналы 50уровня логической "1" и в двух старших егоразрядах присутствуют сигналы уровня логической "1", Вследствие этого выходнойкод ПЗУ 11 имеет вид 11011111, В регистр,12 памяти записывается комбинация 55011111, В момент О = ЗЕ 0 на выходе ПЗУ 3сформируется кодовая комбинация 10, в силу того что на выходе АЦП 2 в этот моментвремени присутствует единичная кодоваякомбинация. Тогда на адресных шинах ПЗУ 11 присутствует кодовая комбинация 011111110. По адресу из ПЗУ 11 считывается код, соответствующий комбинации 11100011. Так как в тоетьем младшем разряде сформировался сигнал логического нуля, то ключ 10 отключает от входа суммирующего усилителя 1 компенсирующий усилитель 7. На следующем такте преобразования код на выходе ПЗУ 3 не изменится, так как АЦП 2 имеет задержку в преобразовании на один такт. В регистр 12 памяти записывается код 100011, Тогда адресным кодом ПЗУ 11 является код 10001110. Из ПЗУ 11 производится считывание кода, что соответствует комбинации 111010011, На этом такте преобразования состояния ключей и значения двух старших разрядов не изменились. На следующем такте преобразования выходной код ПЗУ 3 становится нулевым в силу того, что выходной код АЦП 2 отличен от единичного. В регистр 12 памяти записывается код 101011. Тогда адресным кодом ПЗУ 11 будет код 10101100, и на выходе ПЗУ 11 устанавливается код, соответствующий комбинации 10011011, Седьмой разряд комбинации принимает нулевоезначение, а два младших остаются прежними, т.е. состояние аналоговых ключей не изменилось. В дальнейшем при изменении Овх от ЗЕ 0 до 2 Е 0 производится обычное аналого-цифровое преобразование отсчетов входного сигнала при помощи параллельного АЦП 2, так как входной сигнал изменяется в диапазоне. от -Е до О, Таким образом, на базе шести- разрядного АЦП, используя предлагаемое изобретение, можно построить восьмиразрядный АЦП за счет расширения динамического диапазона входного сигнала. В предлагаемом устройстве приведе.ние входного сигнала к динамическому диапазону параллельного АЦП происходит эа счет компенсации входного сигнала, причем коммутация. напряжения производится при его значениях, близких к нулю. Тем самым создаются благоприятные условия для быстрого включения аналоговых ключей. В силу этого на вход суммирующего усилителя воздействует сигнал типа "ступенька" амплитудой, близкой к нулю. Поскольку время установившегося значения зависит от амплитуды воздействия, то быстродействие предлагаемого АЦП выше, чем у известного АЦП, При использбвании изобретения можно получить практически любую разрядность аналого-цифрового преобразователя, Возможность обработки разнополярных сигналов может быть достигнута введениемпо тояли еляФУсоб азуси иттел ,кл чизап м.ти, аво шсое имл шпо инре нсоо вми етро спос осое игис рпре бно аногмла шпомрессоо вдов тустр нного смещения суммирующего усиормула изобретения тройство для аналого-цифрового преования, содержащее. суммирующий ель, аналого-цифровой преобразовапервый, второй и третий аналоговые , первое, второе и третье постоянные инающие устройства и регистр памяктовый вход которого является тактоиной, а информационные входы нены с соответствующими выходами их разрядов третьего постоянного заающего устройства, два младших адых входа которого соединены етственно с первым и вторым выходарвого постоянного запоминающего уства, старшие адресные входы третьего яниого запоминающего устройства нены соответственно с выходами реа памяти, выходы аналого-цифрового раэователя соединены соответствендресными входами первого постоянэапоминающего устройства и с ими адресными входами второго занающего устройства, два старших адых входа . которого соединены етственно с выходами старших разряретьего постоянного запоминающего йства, входы управления первого, второго и третьего аналоговых ключей соединены с соответствующими выходами младшихразрядов третьЕго постоянного запоминающего устройства, причем выходы первого,5 второго и третьего аналоговых ключей подключены к первому, второму и третьему вхо-дам суммирующего усилителя, четвертыйвход которого является входной шиной, выходы второго постоянного запоминающего10 устройства являются выходной шиной, тактовый вход и вход опорного напряженияаналого-цифрового преобразователя подключены соответственно к тактовой шине ишине опорного напряжения, выход сумми 15 рующего усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, о тл и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышениябыстродействия устройства, в него введеныпервый, второй и третий компенсирующие.20 усилители, причем инверсные входы первого и третьего и прямой вход второго компенсирующих усилителей обьединены иявляются входной шиной, инверсный входвторого и прямые входы первого и третьего25 компенсирующих усилителей обьединены иявляются шиной опорного напряжения, выходы первого, второго и третьего компенсирующих усилителей соединены сОответственно синформационными входами первого, второго30 и третьего аналоговых ключей,Тираж 668 ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патенг", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1