Последовательно-параллельный аналогоцифровой преобразователь

О Й И "С А Н И Е и 743193ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советски кСоциапистически кРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) Приоритет на делам изобретений и открытий(088.8) Дата опубликования описания 80,06.80(72) Авторы изобретения С. В. Архангельский, Б. В. Исаев, В И )ачур и С. В. Радаев Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта(54) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АНАЛОГОЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и предназначено для использования в автоматизированных системах обработки информации, например в гибридных вычислительных и управляющих системах, в автоматизиро-, 5 ванных системах для исследования речевых сигналов. Известен аналого-цифровой преобразователь (АБП) параплельного типа, работа ющий по принципу считывания и содержащий нуль-органы (компараторы), количество которых зависит от требуемой точности преобразования, и копирующие логические схемы, входы которых подключены т к выходам нуль-органов 11 . Первые входы всех нуль-органов объединены и подключены к входу всего устройства, а по вторым входам задаются фиксированные, определенные для каждого пуль-органа, пороги срабатывания так, что эти пороги образуют своего рода координатную сетку для входного сигнала, которая схватывает весь диапазон возможных изменений вход 2ного сигнала и шаг которой равен одному кванту.А 11 П обладает наибольшей максимальной допустимой скоростью изменения кодируемого сигнала по сравнению с любыми- другими типами АБП. Это объясняется тем, что динамическая погрешность АЦП обусловлена лищь нестабильностью времени срабатывания нуль-органов, которая, как правило, очень мала.Недостатком АШ 1 является то, что с увеличением точности существенно возрастает его сложность, которая зависит от количества нуль-органов в схеме, т.е. ее порядок определяется величиной 2 где Ь - число разрядов выходного кода. Последнее обстоятельство ограничивжт точность АБП на уровне 4,5 двоичных раз рядов.Известен АЦП последовательно-параллельного типа с переменными порогами, содержащий параллельный АЦП, один из входов которого является входом устройства; схему управления и формирования выходных кодов, входы которой соединеныз 743с выходамн параплельного АБП; формироватедь порогов, входы которого подключенык выходам схемы управпения и формирования выходных кодов, а выходы - к входампараалельного АБП; цифро-анапоговый преобраэоватепь, входы которого соединены свыходами схемы управпения и формирования выходных кодов, а выход - с входомформироватепя порогов 23Одно преобразование в таком АБП происходит за несколько тактов, на каждом10из которых формируется определеннаягруппа разрядов выходного кода, начинаясо старших разрядов.Диапазон значений входного сигнала,охватываемый порогами параллельного15АБП, а также ширина зоны между порогами, т.е. цена деления координатной сетки,к началу каждого последующего тактауменьшаются в несколько раз, образуя бо 20лее точную кодирующую сетку, Каждыйпромежуточный результат кодирования,кроме последнего, запоминается, с помощью, цифроаналогового преобразователя(БАП) декодируется и участвует в формировании порогов параллельного АБП напоследующем такте. Выходной сигнал БАПв начале кажцого такта опредепяет местоположения на оси ординат начала кодирующей сетки, соответствующей данному такту,30Достоинством таких АБП является значительно меньшая сложность по сравнению спараллельными АБП и высокая точность,которая при малой сложности достигается,за счет увеличения чнспа тактов преобра 35зов ания.Недостатком АБП данного типа посравнению с параллельным АБП являетсянизкая максимальная допустимая скоростьизменения входного сигнала, которая должна быть такой, чтобы в начале каждоготакта преобразования входной сигнал всегда оказывапся в пределах диапазона, охватываемого порогами параллепьного АБП.Ограничения на указанную скорость накпааываются вепичиной возникающей динами 45ческой погрешности преобразования, которая, в свою очередь, в данных АБП прямопропорционапьна длительности переходныхпроцессов, связанных с переключениемцифроаналогового преобразователя и формирователя порогов,Известен последов атепьно-параллельныйАБП с переменными порогами, имеющийиа входе буферное устройство - блок вьборки и запоминания входного сигнапа, который выполняет функции дискретизаторанепрерывного сигнала и состоит в основном из стробируемого аналогового ключа 193 аи накопитедьного конденсатора 3 . В данном устройстве в течение времени строба аналоговый ключ открыт, и напряжение на конденсаторе стремится к уровню входного сигнапа По окончании строба ключ закрывается, а зафиксированное наконденсаторе напряжение квантуется с помощью последов атепьно параллельногоАБП с переменными порогами. Время зпоминания на конденсаторе вепичины аналогового сигнвпа, которое равно времениразмыкання ключа, в подобных схемах,как правило,. мало. После раэмыкания кпюча велиЧина сигнала, который эапоминются на конденсаторе, перестает зависетьот изменений входного сигнапа устройства и может оставаться постоянной в течение длительного времени, поэтому поолецовательно-параплельный АБП, подключенный к выходу блока выборки и запоминания и начинающий функционировать пос-,ле раэмыкания аналогового ключа этогобпока, осуществляет квантование постоянного по уровню сигнала Таким образом,динамическая погрешность данного АБПопределяется лишь мапым временем раэмыкания аналогового ключа, поэтому такие АБП имеют достаточно высокую максимальную допустимую скорость изменения входного сигналаНедостаток АБП состоит в низкой точности преобразования,Бель изобретения - повышение статической точности преобразователя при сохранении высокой максимапьной допустимойскорости изменения входного сигнала ималой сложности схемы.Поставленная цепь достигается тем, чтов последоватепьно-параллельный аналогоцифровой преобразователь, содержоций параллельный аналого-цифровой преобразователь, оцин из входов которого являетсявходом всего устройства, схему управлении и формирования выходных кодов, входыкоторой соединены с выходами параллельного аналого-цифрового преобразователя,формирователь порогов, входы которогопоцкпючены к выходам схемы управленияи формирования выходных кодов, а выходык входам параллепьного аналого-цифровогопреобразователя, цифроанапоговый преобра-.зоватепь, входы которого соединены с выходами схемы управления и формированиявыходных колов, а выход - с входом формирователя порогов, введены дифференцирующий усилитель, вход которого подклкчен к входу всего устройства, и параллельный аналого-цифровой преобразователь,вход которого соединен с выходом диф5 743 ренцирукхцего усилителя, а выходы - с входами схемы управления и формирования выходных кодов.На фиг. 1 изображена общая структурная схема предлагаемого АЦП; на фиг. 2 - 5 структурная схема 10-разрядного АЦП предлагаемого типа.АЦП содержит параллельный аналогоцифровой преобразователь 1, формирователь 2 порогов, управляющий автомат Б, цифроо аналоговый преобразователь 4, дифференаирующий усилитель 5, параллельный аналого-цифровой преобразователь 6,Цикл работы атого устройства осушестьвляется эа несколько тактов, в конце каждого из которых формируется определенная группа разрядов выходного кода, Количество и длительность тактов определяются количеством и периоцичностью внешних тактовых импульсов, поступаюших на вход 20 управляющего автомата. В начале каждого такта выходные кодыАЦП 1 и АЦП 6 фиксируются в управляющемавтомате, после чего последний вырабатывает сигнал, по которому цена деления кодирукшей сетки порогов АЦП 1 уменьшается в несколько раэ с помощью формирователя 2 порогов. Управляющий автомат повькодному коду АЦП 6 определяет на ЭОсколько изменится кодируемый сигнал эа время данного такта. Цифровой код, отражающий предстояшее изменение кодируемого сигнала, алгебраически складывается с выходным кодом АЦП 1. Полученная сум ма участвует в формировании выходного кода устройства и одновременно поступает на входы ЦАП 4. Выходной сигнал ЦАП изменяет постоянную составляющую порогов АЦП 1 и тем самым задает на оси 4 О напряжений место положения новой, более точной, кодируюшей сетки порогов АЦП 1, с помощью которой уточняется значение входного сигнала на последующем такте.По окончании цикла преобразования управ ляюший автомат вырабатывает импульс, разреш,аюший выдачу результата преобразования во внешние устройства.10-разрядный АЦП (см, фиг. 2) имеет относительную статическую погрешность, 5 О не превышающую 0,1%, и максимальную допустимую скорость изменения кодируемого сигнала 32 кванта в микросекунду и позволяет кодировать биполярный синусоидапьный тестовый сигнал частоты 55 10 кГц и амплитуды 512 квантов с динамической погрешностью, не превышающей одного кванта. 193 бАЦП содержит фильтр 7 нижних частот с полосой пропускания 0-10 кГц, на вход которого поступмт копируемый аналоговый сигнал; согласующий усилитель 8; основной параллельный АЦП, состояший из нуль-органов 9 - 27, пороги срабатывания которых задаются с помощью формирователя 28 порогов и изменяются при изменении выходных напряжений двухразрядного ЦАП 29 и семиразрядного ЦАП 30. Вхоаные сигналы ЦАП 29 и ЦАП 30 задаются управляющим автоматом 31, который кроме того формирует выходной код (результат аналого-цифрового преобразования) и сигнал окончания преобразования (сигнал, разрешающий считывание выходного кода), АЦП содержит также генератор 32 тактовых сигналовдифференцируюший усилитель 33, вспомогательный. параллельный АЦП, состоящий из нуль-органов 34-40, пороги срабатывания которых постоянны и задаются с помощью формирователя 41 порогов. ЦАП 29 служит для задания цены деления кодируюшей сетки порогов нуль- органов 9-27. При изменении входного кода ЦАП 29 от 1 до 3 указанная цена деления принимает значения, равные соответственно 1/16, 1/128, 1/1024 диапазона допустимых значений кодируемого сигнала, ЦАП 30 управляется семью старшими разрядами выходного кода устройства и задает общую постоянную составляющую порогов нуль-органов 9-27, т,е, определяют место положения на оси напряжений центра кодируюшей сетки, образуемой порогами нуль-органов 9-27.Нуль-органы 11-25 являются основными, а нуль-органы 9,10,26,27 - дополнительными (назначение дополнительных нуль- органов будет пояснено ниже).На фиг. 2 нуль-органы 9-25 расположены сверху вниз в порядке убывания величин их порогов срабатывания. Пороги нуль-органов 9 и 10 всегда соответственно на два и одно деление выше, а нуль-органов 27,25 - на два и одно деление ниже шкалы пороговых уровней основных нуль-органов. Так как предлагаемый АЦП предназначен для преобразования биполярных сигналов, при выходном напряжении ЦАП 30, равном нулю, пороги срабатывания нуль-органов 9-16 положительны, а нуль- органов 19-27 - отрицательны. Порог срабатывания нуль-органа 18 зависит только от выходного напряжения ЦАП 30 и является местом положения на оси напряжений центра кодируюшей сетки пор гов нуль органов 9-27, Выхолное напря7 743жение дифференцирующего усилителя 33 вкаждый момент времени пропорциональноскорости изменения кодируемого сигнала.Дополнительный параллельный АЦП, состоящий из нуль-органов 34-40 и формирователя 41 порогов предназначен для измерения скорости изменения кодируеьегосигнала. Пороги срабатывания нуль-органов 34,35,36 - положительны, нуль-органов 38,39,40 - отрицательны, нудь 1 Ооргана 37 равен нулю. Цена деления шкалы пороговых уровней нуль-органов равна8 квантам в микросекунду, а пределы измерения +32 кванта/мкс.Генератор 32 служит для синхронизации работы устройства. Он работает в15ждущем режиме и после каждого поступления на его вход внешнего запускающего сигнала вырабатывает серию тактовыхимпульсов, состоящую из четырех импульсов, следующих с периодом 1 мкс. Первыйимпульс серии соответствует началу работы устройства, последний - окончанию,Таким образом, цикл работы устройствасостоит из четырех тактов; длительностьтакта равна 1 мкс, время пребывания3 мкс. Порядок формирования выходногокода следующий: в первом такте определяются 4 старших разряда, во втором - следующие три, в третьем - три младших раэ- Зоряда, в четвертом такте происходит выдачарезультата преобразования во внешние цепи.Устройство работает следующим образом.При включении устройства ( а в дальнейшем по четвертому тактовому импульсу)все блоки АЦП переходят в исходное состояние а именно: в младший разряд входного регистра ЦАП 29 и в старший разряд входного регистра ЦАП 30 заносятсяединицы, в остальные разряды этих реги Остров - нули, При этом выходное напряже,ние БАН 30 становится равным нулю, ацена деления кодирующей сетки пороговнуль-органов 9-27 .равной 1/16 диапазона цопустимых значений кодируемого сит45нала. В этом случае внутри диапазонадопустимых значений кодируемого сигнала оказываются пороги только основныхнуль-органов 11-25, поэтому в первомтакте учитьваются состояния только основных нуль-органов. С приходом внешнего запускающего сигнала включается генератор 32 тактовых импульсов, и начинается непосредственно преобразов ание,П е р в ы й т а к т, Состояние нульорганов 11-25 и состояние (знак скорооти изменения кодируемого ситнала) нульоргане 37 фиксируются в управляющем 193 8 автомате 31. Во входной регистр ЦАП 29 записывается код "2. В автомате 31 не 3 позиционный единичный код, считанный с выходов, нуль-органов 11-25, преобразу ется в четырехразрядный двоичный позиционный код. Если скорость изменениякоыиоуемого сигнала неотрицательна, тополученный четырехразрядный код в арифметическом устройстве автомата 31 увеличивается на единицу младшего из четырех разрядов, и сумма записывается встаршие разряды входного регистра ЦАП24, в противном случае указанный кодзаписывается в регистр ЦАП 30 без изменения.В результате перечисленных операпийк началу второго такта цена деления кодирующей сетки порогов нуль-органов 9-27 становится равной 8 квантам. Центрновой шкалы оказывается на уровне, ссорветствующем входному коду ЦАП 30. Таккак диапазон (+72 кванта) изменений кодируемого сигнала, который будет контролироваться нуль-органами 9-27 на второмтакте, вепик по сравнению с максимальновозможным изменением (32 кванта) этогосигнала за время (1 мкс) первого такта,конкретная величина скорости изменениякодируемого сигнала в первом такте врасчет не берется, а учитывается лишьзнак этой скорости.При увеличении зафиксированного кодана единицу учитывается тот факт, чтоатот код дает представление лищь о зоневозможных значений кодируемого сигнала,тогда как сам сигнал в момент считывния кода может находиться на уровне верхней границы атой зоны, увеличиваясь смаксимальной скоростью (32 кванта/такт),Поэтому если не осуществить укаэаннуюкоррекцию считанного кода, копируемыйсигнал к началу второго такта может выйти иэ-под контроля нуль-органов 9-27.В т о р о й т а к т . Состояниянуль-органов 9-27, 34-40 фиксируютсяв автомате 31. Во входной регистр ЦАП29 записывается код "3", в результатечего цена деления последней, самой точной копирующей сетки порогов нуль-органов 9-25 к началу третьего такта окажется равной одному кванту,Непоэиционные единичные коды, считанные с выходов нуль органов преобразуются в позипионные двоичные дополнительные коды. Считанное с выходов нуль органов 9-25, 34-40 число считается отрицательным, если в момент считывания нул орган 12 (31) находился в нулевом состоянии (его выходной сигнал493 10тывание информации выходов основных нуль- органов совпало с моментом изменения состояния какого-либо из этих нуль органов (и поэтому новое состояние этого нуль-органа не было зафиксировано). При этом ускорение изменения кодируемого сигнала было максимальным (2 кванта-мкс приг кодировотптя с точностью 10 двоичных разрядов синусоидапьного сигнала часготы 10 кГц и амплитуды 512 квантов) и постоянным в течение такта.Кроме того, указанная ситуация может возникнуть из-за погрешности скорости изменения копируемого сигнала, скпадьв. вающейся из погрешности дифференцирования копируемого сигнала и погрешности квантования выходного напряжения дифференцируютцего усилителя 33. Гт 7431был тптже порога) и считается положительным, если нупь-орган 18 (37) находился в единичном состоянии (его входной сигнал бып выше порога). При этомв первом случае содержимое цифровых 5разрядов считываемого числа определяется состоянием нудь органов 19-27(38,39,40), во втором - состоянием нуль-органов 9-17, (34, 35, 36).Преобразованный выходной код вспомо Огатепьного параллельного А 11 П складывается с 1" своего младшего рвзряда, азатем с преобразованным выходным кодомосновного параллельного АБП. Полученнаяв результате этих операций сумма сдвит 5гается на три позиции в сторону младшихразрядов, складывается с содержимымвходного регистра ЦАП 29, и результатзаносится во входной регистр ЦАП 29 впрямом коде,Сложение кода, считываемого с нульорганов 24-40, с единицей (т.е. увеличение на 1 положительного числа и уменьшение на 1 абсолютной ве,личины отрицательного) компенсирует погрешность кодирования, связанную с ограниченностью 25разрешшощей способности вспомогательного параплепьного А 11 П, и имеет тот жесмысл, что и коррекция, осуществляемаяна первом такте.Т р е т и й т а к т, Состояния нуль-зворганов 9-27 фиксируются в управпяюшемавтомате 31. Полученный код преобразуется в позиционный двоичнътй дополнительный код, сдвигается на шесть позиций всторону младших разрядов и складывается с дополнительным кодом содержимоговходного регистра Е 1 АП 29 и, таким образом, оказывается фсормированным 10 разрядный выходной код устройстваЧ е т в е р т ы й т а к т. Управля Оющий автомат 31 вырабатывает сигналокончания цикла преобразования, по которому результат преобразования выдаетсяво внешние цепи. Одновременно А 11 П возвращается в исходное состояние.45, Наличие в схеме основного параллельного А 11 П четырех дополнительных нульорганов 3,4,20,21 позволяет обеспечитьтребуемую точность кодирования аналогового сигнала в случае, если в моментысчитывания информации с выходов основных50нуль-органов 11-25 во втором или третьем такте кодируемый сигнал окажетсяболее чем на одно деление за пределамикодирующей сетки порогов основных нулорганов, 55Такая ситуация может возникнуть в результате того, что предыдущее по отношению ко второму или третьему такту) счиФормула изобретения Последовательно-параллельный аналого-цифровой преобразователь, содержащийпараллельный аналого-цифровой преобразователь, один из входов которого являетсявходом всего устройства, схему управления и формирования выходных кодов, входы которого соединены с выходами параллельного аналого-цифрового преобразователя, формирователь порогов, входы которого подключены к выходам схемы управления и формирования выходных колов,а выходы - к входам параллельного аналого-цифрового преобразователя, цифроаналог овый преобразователь, входы которого соединены с выходами схемы управления и формирования выходных кодов, авыход - с входом формироватепя порогов,о т и и ч а ю щ и й с я тем, что, с цепью повышения точности при высокоймаксимальной допустимой скорости изменения входного тсигналв; малой спожнооти устройства, в него введены дифференцирующий усилитель, вход которого подключен к входу устройство, и параллельный аналого-циФровой преобразователь,вход которого соединен с выходом дифференцирующего усилителя, а выходы - свходами схемы управления и формированияв ыходных кодов,И сточники информ оции,принятые во внимание при экспертизе1. Гитис Э. И. Преобразователи информации дпя эпектроттных цифровых вычислитепьньтх устройств. Ч "Энергия", 1975,с. 79.2. Зарубежная радиоэлектроника. М.,Сов. радио," 1975, Мт 1, с, 32-34.