Логарифмический аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19) (11) 315 РС 06 О 7 НИЯ КА ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(72) Фам Туан Фан и В.Е.Ямный(71) Белорусский ордена ТрудовогоКрасного Знамени государственныйуниверситет им. В.И.Ленина(56) 1., Авторское свидетельство СССР9 675598, кл. Н 03 К 13/17, 1979.2. Авторское свидетельство СССРР 756628, кл. Н 03 К 13/17, 1980(54)(57) 1. ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ АНАЛОГОЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ; содержа"щий операционный усилитель, источник входного сигнала, через первыйключ подключенный к первому выводупервого масштабного резистора, выходоперационного усилителя соединен спервым выводом второго масштабногорезистора, первый запоминающий конденсатор, первая обкладка которого через второй ключ подключена к первомувыводу первого масштабного резистора,а через третий ключ соединена с шиной нулевого потенциала, вторая обкладка первого запоминающего конден-.сатора через четвертый ключ подключена к шине нулевого потенциала, ачерез пятый ключ соединена с выходом операционного усилителя, второйзапоминающий конденсатор, первая обкладка которого через йестойключ соединена с первым выводом пердвого масштабного резистора, а черезседьмой ключ подключена к рине нулевого потенциала, вторая обкладкавторого запоминающего конденсаторачерез восьмой ключ соединена с шиной нулевого потенциала, а черездевятый ключ подключена к выходу операционного усилителя, третий, четвертый и пятый масштабные резисторы,первые выводы которых соединены с шиной нулевого потенциала, второй вывод каждого иэ которых соединен с первым выводом соответственно десятого, одиннадцатого и двенадцатого ключей, компаратор, выход которого соединен с входом блока управления, первая группа выходов которого является разрядным выходом преобразователя, источник опорного напряжения, вторая группа выходов блока управления соединена с управляющими входами ключей, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования и расширения диапазона преобразуемого сигнала, в него введены первый иФ второй дополнительные запоминающие конденсаторы, первый и второй дополнительные источники опорного напряжения, дополнительные масштаб- С ные резисторы и дополнительные ключи,причем вторые выводы десятого, Я одиннадцатого и двенадцатого ключей .соединены с инвертирующим входомоперационного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен ко второму выводу первого масштабного резистора, выход операционного усилителя соединен с первыми выводами первого, второго и третьего .дополнительных масштабных резисторов, вторые выводы которых соединены со вторыми выводами соответственно тре. тьего, четвертого и пятого масштабных резисторов, инвертирующий вход операционного усилителя через первый дополнительный ключ соединен со вторым выводом второго масштабного резистора, цервая обкладка первого дополнительного запоминающего конденсатора через второй дополнительный ключ подключена к первому выводу первого масштабного резистора, а через третий ",эполнительный ключ соединена с шиной нулевого потенциала, вторая обкладка первого допол нительного запоминающего конденсатора через четвер тый дополнительный ключ подключена к выходу операционного усилителя, а через пятый допол- нительный ключ соединена с шиной нулевого потенциала, первая обклад- ка второго дополнительного заломинающего конденсатора через шестой дополнительный ключ соединена с первым выводом первого масштабного резистора, а через седьмой дополнительный ключ подключена к шине нулевого потенциала, вторая обкладка второго дополнительного .запоминающего конденсатора через восьмой дополнительный конденсатор подключена к выходу операционного усилителя, а через девятый дополнительный ключ соединена с шиной нулевого, потенциала, выходы источника опорного напряжения, первого и второго дополнительных источников опорного напряжения соответственно через десятый, одиннадцатый и двенадцатый дополнительные ключи подключены к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом операционного усилителя, третья группа выходов блока управления подключена к управляющим входам соответствующих дополнительных ключей, гервый вывоц третьего масштабного резистора подключен к шине нулевого потенциала,2. Преобразователь по п,1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления ссдержит генератор тактовых импульсов, выход которого подключен ко входу трехразрядного сдвигового регистра, выходы разрядов которого подключены к соответ - ствующим синхронизирующим входам узл формирования управляющих сиг - валов, а через формирователи имгульсов подключены к первым входам первого, второго и третьего элементов И, узел последовательных приближений, выход старшего разряда которого соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, выходы разрядов узла последовательных приближений подключены к соответствующим тактовым входам узла формирования управляющих сигналов, выходы которого образуют вторую и тре тью группу выходов блока управления, первый, второй и третий Д -триггеры, информационные входы которых соединены и являются входом блока управления, тактовые входы первого и третьего П в триггер подключены к выходам первого и третьего элементов И, а тактовый вход второго 9-триггера соединен с выходом второго формирователя импульсов, второй вход второго элемента И подключен к информационному входу первого 0 в тригге, выход второго элемента И соегинен с первым входом узла последовательных приближений, второй вход которого соединен с входом сброса трехразрядного сдвигового регистра и является входом запуска блока управления, выход третьего разряда трех- разрядного сдвигового регистра подключен к тактовому входу узла последовательных приближений, выходы Д - триггеров подключены к соответствуюшим информационным входам узла фор-. мирования управляющих сигналов, выходы узла последовательных приближений являются первой группой выхоцов блока управления.1Изобретение относится к устройствам преобразования электрического сигнала по логарифмическому закону и может быть использовано в вычислительных машинах.Известен логарифмический аналогоцифровой преобразователь, содержащий запоминающие устройства, ключи, компаратор, блок управления 1 .Однако указанное устройство имеет малое быстродействие и низкую точность работы.Наиболее близким к предложенному является логарифмический аналогоцифровой преобразователь, содержащий операционный усилитель, выход которого через первый масштабный резистор соединен с его инвертирующим входом, который через второймасштабный резистор и первый ключсоединен с шиной нулевого потенциала и через третий масштабный резитор и второй ключ - с выходом источника одного напряжения, источник преобразуемого сигнала, выходкоторого через третий ключ подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и через четвертый и пятый ключи соответственно кгервым обкладКам первого и второгозапоминающих конденсаторов, компаратор, выход которого подключенк входу блока управления и первомувходу сдвигового регистра, второйвход которого подключен к выходублока управлекия, делитель напряжения, дополнительные ключи и блокмасштабных резисторов, включенный между инвертирующим входом операци- онного усилителя и шиной нулевого потенциала, первые и вторые обкладки первого и второго запоминающих конденсаторов через соответтвующие первый, второй, третий и четвертый дополнительные ключи подключены к шине нулевого потенциала, вторые обкладки запоминающих конденсаторов через пятый и шестой дополнительные ключи соединены с первым входом компаратора и через делитель напряжения - с выходом операционного усилителя, второй вход компаратора соединен с шиной нулевого потенциала выходы блока управления соединены с управляющими входами ключей Я И.Недостатком известного преобраэов теля является малая точность преобразования сигналов в большом диапазоне изменения их величин.Цель изобретения - повышение точности преобразования н расширение диапазона преобразуемого сигнала.Для достижения цели в логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий операционный усилитель, источник входного сигнала, через первый ключ подключенный к первому выводу первого масштабного резистора, выход операционного усилителя соединен с первым выводом второго масштабного резистора, первый запоминающий конденсатор, первая обкладка которого через второй ключ подключена к первому выводу первого масштабного резистора, а через третий ключ соединена с ши- ной нулевого потенциала, вторая обкладка первого запоминающего конденсатора через четвертый ключ,подключена к шине нулевого потенциала, а через пятый ключ соединена с выходом операционного усилителя, второй запоминающий конденсатор., первая обкладка которого через шестой ключ . соединена с первым выводом первого масштабного резистора, а через седьмой ключ подключена к шине нулевого потенциала, вторая обкладка второго запоминающего конденсатора через восьмой ключ соединена с шиной нулевого потенциала, а зерез девятый ключ подключена к выходу операцион"1 ного усилителя, третий, четвертый, и пятый масштабные резисторы, первые выводы которых .соединены с шиной нулевого потенциала, второй вывод каждого из которых соединен с первым выводом соответственно деся- того, одиннадцатого и двенадцатого ключей, компаратор, выход которого соединен с входом блока управления, первая группа выходов которого является разрядным выходом преобразователя, источник опорного напряжения,65 тенциала. вторая группа выходов блока управления соединена с управляющими входами ключей, введены первый и второй дополнительные запоминающие конденсаторы, первый и второй дополни 5 тельные источники опорного напряжения, дополнительные масштабные резисторы и дополнительные ключи, причем вторые выводы десятого, одиннадцатого и двенадцатого ключейО соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к второму выводу первого масштабногорезистора, выход операционного уси лителя соединен с первыми выводамипервого, второго и третьего дополнительных масштабных резисторов,вторые выводы которых соединены с а- вторыми выводами соответственно О третьего четвертого и Г 1 я то ГОмасштабных резисторов, инвертирующий вход операционного усилителяФчерез первый дополнительный ключсоединен с вторым выводом второгомасштабного резистора, первая обкладка первого дополнительного запоминающего конденсатора через второйдополнительный ключ подключена к первому выводу первого масштабного резистора, а через третий дополнительный ключ соединена с шиной нулевогопотенциала, вторая обкладка первогодополнительного запоминающего конденсатора через четвертый дополнительный ключ подключена к выходу 35 операционного усилителя, а через пятый дополнительный ключ соединена сшиной нулевого потенциала, перваяобкладка второго дополнительного запоминающего конденсатора через шес той дополнительный ключ соединенас первым выводом первого масштабного резистора, а через седьмой дополнительный ключ подключена к шиненулевого потенщала, вторая обкладка второго дополнительного запоминающего конденсатора через восьмойдополнительйый конденсатор подключена к выходу операционного усилителя, а через девятый дополнительныйключ соединена с шиной нулевогопотенциала, выходы иСточника опорногонапряжения, первого и второго дополнительных источников опорного напряжения соответственно через десятый, одиннадцатый и двенадцатыйдополнительные ключи подключены кпервому входу компаратора, второйвход которого соедини с выходом операционного усилителя, третья .группа выходов блока управ ления прдключена к управляющимвходам соответствующих дополнительных ключей, первый входтретьего масштабного резистораподключен к шине нулевого по 1042036При этом блок управления содержит генератор актовых импульсов, выход которого подключен ко входу трехраэрядного сдвигового регистра, выходы разрядов которого подключены к соответствующим синхронизирующим входам узла формирования управляющих сигналов, а через формирователи импульсов подключены к первым входам первого, второго и третьего элементов И, узел последовательных 10 приближений, выход старшего разряда которого соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, выходы разрядов узла последовательных приближений подключены к соот ветствующим тактовым входам узла формирования сигналов, выходы которого образуют вторую и третьюгруппы выходов блока управления,первый, второй и третий Д в триггеры, информационные входы которых соединены и являются входом блока управления, тактовые входы первого и третьего Э-триггеров подключены к выходам первого и третьего элементов И, а тактовый вход второгоП-триггера соединен с выходом второго формирователя импульсов, второй вход второго элемента И подключен к информационному входу первого0-триггера, выход второго элемента И соединен с первым входом узла последовательых приближений, второй вход которого соединен с входом сброса трехраэрядного сдвигового регистра и является входом запуска блока управления, выход третьего разряда тре- разрядного сдвигового регистра подключен к тактовому входу узла последовательных приближений, выходы .)-триггеров подключены к соответст вуюцим информационным входам узла формирования управляющих сигналов, выходы узла последовательных приближений являются первой группой выходов блока управления. 45На фиг.1 изобракена Функциональная схема предложенного логарифмического аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 - то же, блока управления.Преобразователь включает источ 50 ник 1 входного сигнала, операционный усилитель 2, источник 3 опорного напряжения, компаратор 4, блок 5 уп" давления, первый и второй запомиНающие конденсаторы 6 и 7, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, де-.сятый, одиннадцатый и двенадцатый ключи 8-9, первый, второй, третий;четвертый и пятый масштабные реэис торы 20-24, первый, второй и третий дополнительные масштабные резисторы 25, 26 и 27, первый и второй дополнительные запоминающие конденсаторы 28 и 29, первый, второй, третий, 65 етвертый, пятый, шестой, седьмой,восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый дополнительныеклнчи 30-41, первый и второй дополнительные источники 42 и 43 опорного напряжения, шина 44 нулевого потенциала, разрядный выход 45 преобразователя,Блок 5 управления содержит генератор 46 тактовых импульсов, трехразрядный сдвиговый регистр 47,узел 48 последовательных приближений,первый, второй и третий формирователи 49, 50 и 51 импульса, первый,второй и третий элементы И 52, 53и 54, первый, второй и третий П-триггеры 55, 56 и 57, узел 58 формирования управляющих сигналов, вход 59запуска, вход 60 блока управления.Логарифмический аналого-цифровойпреобразователь работает следующимобразом.В исходном состоянии ключи 10,11, 14, 15, 30 и 40 замкнуты, аостальные разомкнуты. При поступлении сигнала "Вапуск" ключ 8 замыкается, преобразуемый сигнал черезоперационный усилитель 2 с единичным коэффициентом передачи поступает на вход компаратора 4, сигнал свыхода которого через блок 5 управления размыкает ключ 11 и замыкаетключ 12, если преобразуемый сигнал не превышает по абсолютной величине напряжение первого дополнительного источника 42 опорного напряжения, или замыкает ключи 32и 33, если превышает опорное напряжение,Напряжение первого дополиительного источника 52 опорного напряжения выбирается равнымЧп(1)С 1где -р - минимальное напряжение преобразуемого сигнала;- коэффициент абсорбции конденсаторов.Если минимальное напряжение преобразуемого сигнала составляет 100 мкВ,то на первом запоминающем конденсаторе 6 запоминаются напряжения от 0до -100 мВ, а на первом дополнительном запоминающем конденсаторе 28запоминаются напряжения от - 100 мВдо -5 В, На одном иэ этих конденсаторов запоминается напряжение равное6(га) +см(2) где О н ааряже нне преобраэ уемогосигнала;( - напряжение смещения операционного усилителя 2.После запоминания напряжения размыкаются ключи 8, 40 и 30, а ключи39 и 17 замыкаются, Одновременно разго 60 мыкаются ключи 10 и 12 и замыкаютсяключи 9 и 11, если преобразуемый сигнал не превышает напряжение первогодополнительного источника опорногонапряжения, или размыкаются ключи 32и 33 и замыкаются ключи 31 и 34, если преобразуемый сигнал превышаетуказанное опорное напряжение.В обоих случаях конденсатор, накотором запоминалось напряжение, переключается так, что к неинвертируюшему входу операционного усилителя 2через первый масштабный резистор 20подключается напряжение, определяемоевыражением (.2), отрицательного знака. 15Первый дополнительный масштабныйрезистор 25 и третий масштабный резистор 22 выбираются из условия ."22й Р22 25Й +й " 20 2120 2 - сопРотивления соот 22Р 2 ветственно первого,второго, третьегомасштабных резисторов 20, 21 и 22,первого дополнительного масштабного резистора 25;Р - динамический диапа;зон преобразователя.Иа выходе операционного усилитееля 2 устанавливается напряжение 350. Р 1(2 (5)В момент этого установления компаратором 4 сравниваются напряжения(5) и напряжение источника 3 опорного напряжения. 40Если выходное напряжение опера-.ционного усилителя 2 не повышает на-.пряжение источника 2 опорного напряжения, то блок 5 управления размыкает ключ 39 и замыкает ключ 41, 45а напряжение на выходе операционного усилителя 2 остается неизменным.Если выходное напряжение опера-.ционного усилителя 2 больше напряжения источника 3 опорного напряжения, то блок 5 управления размыкает ключи 39, 17 и замыкает ключи41, 30. В результате операционный усилитель 2 работает в режиме повторителя,выходное напряжение которого равно преобразуемому с отрицательным знаком.Для двух рассмотренных случаеви("и в(и2 Х1где п - число разрядов.После установления напряжения всоответствии с (6) блок 5 управления в третий раз в первом такте преобразования проверяет состояние ком паратора 4, сравнивающего выходноенапряжение операционного усилителя 2с напряжением второго дополнительного источника 43 опорного напряжения. Если выходное напряжение операционного усилителя 2 не превышаетэто опорное напряжение, то блок 5управления размыкает ключи 15, 41 изамыкает ключи 16, 39 и начинается .заряд второго запоминающего конденсатора 7, на котором запоминаютсянапряжения от 0 до 100 мВ до напряжениян о( ( (Ц7 Р 91 (г (/В . (7)Если выходное напряжение операционного усилителя 2 больше напряжения. второго дополнительного источника 43 опорного напряжения, тоблок 5 управления размыкает ключ 41,замыкает ключи 36, 37 и 39, и начинается заряд второго дополнительногозапоминающего конденсатора 29,работающего с напряжениями от 100 мВ до 5 В.После окончания переходного прОцесса запоминания начинается второйтакт преобразования с размыкания,ключа 17 и замыкания ключа 30.Одновременно с этим происходитразмыкание ключей 9, 11, 14, 16 изамыкание ключей 10, 12, 13 и 15,если выходное напряжение операционного усилителя 2 не больше напряжения второго дополнительного источника 43 опорного напряжения, илиразмыкание ключей 9, 31, 34, 36, 37и замыкание ключей 10, 32, 33, 35и 38, если выходное напряжение операционного усилителя 2 больше опорного,В обоих случаях конденсатор, накотором запомнилось напряжение, переключается так, что к неинвертирующему входу операционного усилителя 2, работающему в это времяв качестве повторителя, подключает-ся запомненное напряжение с,отрицательным знаком,Сопротивления четвертого масштабного резистора 23 и второго дополнительного масштабного резисто-,ра 26 выбираются из условияФ,(, 26 1)1 йРгз 26=йг, =йг,2 Ъ 26где Ргз, Р 26 - сопротивления четвертого масштабного резистора 23 и второгодополнительного масштабного резистора 26 .После запоминания происходит размыкание ключей 10, 12, 13, 17 и замыкание ключей 9, 11, 14 и 18, есливыходное напряжение операционногоусилителя 2 не превышает напряжение(й) псхП 2 имеем иР щдК (1 У)2О+1п второго дополнительного источника 6 З опорного напряжения, или размыкание ключей 31, 33, 35, 38 и замыкание ключей 32, 34 и 18, если выходное напряжение операционного усилителя 2 больше опорного.Аналогично первому такту, выходное напряжение операционного усилителя 2 равнои-югСравнивая это напряжение с опорным компаратор 4 вырабатывает второй разряд, который запоминается в блоке 5 управления, т.е. на втором дополнительном запоминающем конденсаторе 29 запоминается напряжение,. описываемое выражением (10).В следующих тактах преобразования обеспечивается равенство суммарных сопротивлений, включенных в целях инвертирующего и неивертирующего входов операционного усилителя 2.После п тактов выходное напряжение операционного усилителя 2 равно где И - максимальное значение вы 1 тходЯого кода блока 5 управления).М - текущее значение выходного кода 5 управления.С другой стороны, после каждого такта преобразования выходное напряжение операционного усилителя 2 возрастает и стремится к максимальному значению. После п тактов оно равно где сР - относительная погрешность. Иэ вь;ражений (11),(12), и(13)сле. -дуетОМ= Ео (о д) - (Ч)КооПервый и второй запоминающие конденсаторы б и 7 участвуют только впервом и втором тактах работы припреобразовании входных напряжений,меньших по абсолютной величине максимального запоминаемого на этих конденсаторах, В нерабочем состоянииуказанные конденсаторы замкнуты нашину нулевоюо потенциала. Поэтому остаточное напряжение, возникающее наних вследствие диэлектрической аб 15 сорбции, меньше минимального преобразуемого сигнала,Первый и второй дополнительныезапоминающие конденсаторы 28 и 29работают при больших преобразуемыхнапряжениях. Величина ошибки, вызванная диэлектрической абсорбцией, непревышает дополнительной погрешности.Узел 48 последовательных приближений представляет собой микросхему К 155 ИР 17 (3 3.Узел 58 формирования управляющихсигналов представляет собой логическую схему (фиг.2), на выходах которой формируются следующие сигналы:К 8 = Т 1 А ; К 9 =(Т 2+ТЗ): (А. В 1++ТМ) А , К 18=(Т 2+ТЗс) А2К 19 = (Т 2+ТЗф)АО) КЗО Т 1+ТЗо4 О )К 31=(Т 2+ТЗ)В 1 В 2, К 32=Т 1"В 1 В 2КЗЗ = К 17; К 34 = К 18; К 35=Т 1 АлВ 2,КЗб=ТЗ В 2; К 37 = К 22, К 38 = К 21,н КЗ 9 = Т 2 А+ А; у К 40 = Т 1 Ап45 . 10К 41= Тз А .Указанные сигналы подаются науправляющие входы соответствующихпо номеру ключей.По сравнению с устройством-прототипом предложенный преобразователь обладает повышенной точностьюпреобразования и более широкимдиапазоном преобразуемого сигнала.