Аналого-цифровой преобразователь

,И,ЬМБс 1. К ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(56) Антоневич А,И Буцкий В,ВСаржевский А.М. Десятиразрядньп аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения на интег"ральных схемах.-ПТЭ. 1982, У 1,с. 115,Жуков А.В., Махов В.Н.,Ржендинская С,Н, Быстродействующийспектрометрический аналого-цифровойпреобразователь. - ПТЭ, 1984, У 2,с, 87-90.(57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для построения быстродействующихи прецизионных трактов амплитудногоанализа в многоканальных спектрометрах. В устройство, содержащее аналоговое запоминающее устройство 1,основной ЦАП 6 и ЦАП 7 разравнивания,регистр 4 последовательного приближения, тактовый генератор 3, источ.ник 5 опорного напряжения, два вспомогательных регистра 10 и 11, двоичный счетчик 9 разравнивания, сумматор 12, компаратор, 8 и устройствоуправления 2, с целью повьппениябыстродействия введены дополнитель-.ный ЦАП 18, ш/2 13-триггеров 19-20,третий вспомогательный регистр 16,второй сумматор 15. 1 з.п. ф-лы,2 ил 1 табл.1 1358094 гИзобретение относится к им 1 ульс- гера устанавливаются в единичное сосной технике и может быть использова- тояиие и добавляется единица к содерно например для построения быстро- жимому двоичного счетчика 9 разравнидействующих и прецизионных трактов вания. Высокий потенциал старшего5амплитудного .анализа в многоканальных разрядного выхода РПП 4 включает1- 1 спектрометрах, старший разрядный ток с весом 2Цель изобретения - повышение быст- ЦАП 6, а высокие потенциалы 0-тригродействия и точности преобразования. геров включают соответственно пьедиНа фиг.1 представлена блок-схема 10 стальные разрядные токи с весами 2 -опреобразоВателя; на фиг, 2 - блок ЦАП 18, и формируется исходный схема компаратора. пьедестал, равный 2 + , + 2 едиАналого-цифровой преобразователь ничным квантам. На выходе ЦАП 7 раэ- (АЦП) содержит аналоговое запоминаю- равнивания устанавливается ток разщее устройство (АЗУ) 1, блок 2 управ- б равнивания (). Поокончании имления, тактовый генератор 3, регистр пульса на четвертом выходе устройстпоследоваТельного приближения РПП), ва 2 управления происходит перевод который построен на основе ИС типа АЗУ по его управляющему входу в реК 155 ИР 17 с инверсией разрядных выхо- жим хранения, одновременно запускаетдов при помощи логическн 1 схем НЕ, 20 ся генератор 3, управляющий работой источник 5 опорного напряжения, и- РПП 4, и бликируются первые входы разрядный первый основной ЦАП 6, ш- блока 2 управления. разрядный второй ЦАП 7 разравнивания, Компаратор 8 анализирует алгебкомпаратор 8, двоичный счетчик 9 раз- раическую сумму токов от АЗУ 1, осравнивания, первый 10 и второй 11 2 Б новного ЦАП 6, ЦАП 7 разравнивания вспомогательные регистры, первый и третьего ЦАП 18, Величины выходносумматор 12, резистор 13 преобраэо- го тока (1 , ) АЗУ 1 пропорциональвания выходного напряжения АЗУ 1 в на амплитуде измеряемого напряжения.его выходной ток (1,), токовый вы- Результаты сравнения по тактам заход 14 основного ЦАП 6, второй сумма- З 0 писываются в РПП 4, который в своютор 15, третий вспомогательный ре- очередь управляет выходными токамигистр 16, токовый выход 17 третьего основного ЦАП 6. Осуществляется обыч. ЦАП 18 с первого 19 по й 20 Р- ное аналого-цифровое преобразованиеУ2по методу поразрядного преобразоватриггеры, выход 21 завершения преоб- З ния. В ЦАП 18 разряд 2 используетразования РПП 4, ся для увеличения выходного тока ЦАПКомпаратор 8 выполнен на опера на величину максимального тока ционном усилителе 22, третьем резис- разравнивания.торе 23 компаратора 24 напряжения, Алгебраическая сумма выходногопервом резисторе 25, первом конден- ао тока (1 вы ) АЗУ 1 и тока разравни-.саторе 26, четвертом резисторе 27, вания (1, ) измеряется алгебрапервом и втором диодах 28 и 29, вто- ической суммой токов основного (1ром конденсаторе 30 и втором резис- и дополнительного 11 э, ) ЦАП 6 и , торе 31, ЦАП 18,причем дополнительный токПреобразователь работает следую б образуется токами пьедесталов и дубщим образом. лирующими токами,Измеряемое напряжение поступает Остальные разряды ЦАП 18 испольна информационный вход АЗУ 1, С при- зуются для повышения быстродействияходом входного логического сигнала основного ЦАП 6, причем разряды с"Запуск" на первый вход блока 2 управ- бо весом 2 , 2 .2 ЦАП 18ления на его четвертом выходе появ- используются для задания пьедесталяется отрицательный импульс (дли- лов, которые в процессе преобразовательностью 500 нс), который устанав- ния последовательно выключаются вливает по Б-входу в исходное состоя- порядке убывания их весов, при этомние РПП 4 (т,е. его старший й,+1 бб в том же порядке производится сравраэрядный выход и выход СС конца пре- нение дублирующих разрядов 2г -Эобразования устанавливаются в единич, ,2 ЦАП 18 с алгебраическойное состояние, а все остальные раз- суммой токов, присутствующих в даирядные выходы -в нулевое), Р-триг- ный момент на входе компаратора 8.з 13 Разряды 2, 2 , 2,2 ЦАП 18 учитываются при формировании оконча- . тельного выходного кода АЦП.В первом такте РПП 4 преобразование начинается вычитанием тока старшего (2 ) разряда ЦАП 6 из результирующего тока, который представляет собой в данный момент сумму 1+ + 1 р за вычетом дополнительного тока (1), формируемого ЦАП 18 при помощи предварительного включения разрядных токов, имеющих весаР-Я т- о2, 2, ,2, т.е. всех пьедестальных токов. Если ток старшего разряда (2 ) ЦАП 6 меньше результирующего тока, то на выходе компаратора 8 формируется низкий потенциал, и ток старшего разряда ЦАП 6 остается включенным. Если ток старшего разряда (2 ) ЦАП 6 больше результирующего, то потенциал на выходе компаратора 8 изменяется, и ток старшего разряда ЦАП 6 выключается, а следовательно, старший разрядный выход (Я+ ) РПП 4 сбрасывается в нулевое состояние. Сравнение токов в первом такте преобразования осуществляется грубо в прецелах установленного пьедестала, т.е. до 2 + + 2" 4 + +2 р кванта (канала), а в следующих тактах преобразования оно будет скорректировано до нужной точности. В начале второго такта РПП 4 его следующий (Цр) выход устанавливается в единичное состояние, которым включается следующий по величине ток, имеющий вес 2 ЦАП 6. В результате сравнения с результирующим током (причем результирующий ток. может быть уменьшен включенными старшими разрядами ЦАП 6 по результатам предыдущих сравнений) этот ток остается включенным или выключенным ана 580944 В начале такта (и-ш+3) РПП 4 устанавливается высокий потенциал наего выходе (й,), по переднемуфронту которого сбрасывается в нулевое состояние старший Р-триггер 20,который выключает разрядный ток свесом 2ЦАП 18, и сравнивается срезультирующим током дублирующий ток 10 с весом 2 ф ЦАП 18, т.е, второй разидет сравнение с током, имеющим одиарнаковый вес (2 ) только при разныхзначениях пьедестала; первое сравнение в такте (и-ш+2) также при пьеде сталИ (22ф +2 ), а второе "в такте (и-ш+3) при пьедестале (2 +2" ). Установка разряда 2ЦАП 18 и последующих разрядов 2и 2ЦАП 6 - такты (г,-п 1+4) и (и-ш+ 20 +5) - требует, чтобы точность сравнения была намного лучше (2 +..++ 2),квантов, Это легко достигает"ася, так как младшие разряды требуютменьшего времени установления, чемстаршие разряды, где переключаютсябольшие токи.Последующие каждые три такта преобразования аналогичны предыдущимтрем тактам, только измерения проис ходят при включенном разрядном пьедестале, являющемся старшим в предыдущем сравнении, В предпоследнем так те РПП 4 по переднему фронту перебрасывается младший Э-триггер 19 в З 5 нулевое состояние, которое выключаетв ЦАП 18 последний пьедестал, имеюОщий вес 2 , и сравнение дублирующегоразряда ЦАП 18 повторяется при нулевом пьедестале, Установка данногоО40 разряда и разряда 2 ЦАП 6 в последнем такте РПП 4 требует, чтобы точность сравнения была намного лучшеодного кванта, Указанная последовательность из логично предыдущему такту,ф)-3 1 тПоследующие разряды 2 .2 ЦАП 6 обрабатываются аналогичным спо собом, начиная с третьего такта, и заканчиваются (и-ш)-м тактом регистра 4, В следующем такте (и-ш+1) РПП 4 аналогичным способом обрабатывается дублирующий разряд (2 ) ЦАП 18, а затем таким же образом в такте (и-ш+ +2) обрабатывается разряд 2ЦАП 6. В тактах РПП 4 с первого по (и-п 1+2) включительно, сравнение осуществляется с точностью до 2 + + 22 канала (кванта).цательного перепада, который поступает на второй вход блока 2 управления и по которому на его пятом выхо 45 50 55 мерений пбзволяет установиться старшим разрядам ЦАП 6 и ЦАП 18 с требуемой точностью, пока не сняты все пьедесталы.На этом взвешивание выходного то" ка (Х) АЗУ 1 заканчивается. В РПП 4 по окончании преобразования устанавливается код, эквивалентный+ 1 р-Преобразование заканчивается с появлением на выходе СС РПП 4 отри5 135де Формируется стробирующий импульс.По этому импульсу переписываютсякоды .в первый 10, второй 11 и третий16 вспомогательные регистры соответственно. Кроме того, АЗУ 1 переходит в режим выборки по его управляющему входу, появляется импульс Кодготов" и разблокируются первые входыблока 2.В сумматоре 15. суммируются управляющие коды ЦАП 6 и ЦАП 18, которыет-поступают с выходов 2 , , 2первого регистра 10 и выходов 22 третьего регистра 16, и на выходесумматора 15 формируется код 22".Полученный в сумматоре 15 код икод младшего разряда регистра 10,имеющего вес 2 , поступаЬт на первыевходы первого сумматора 12 на вторые выходы которого с инверсных выходов второго регистра 11 постутаеткод разравнивания. В сумматоре 12происходит вычитание кодов, поступивших на его входы (т,е. из суммарногопреобразованного кода вычитается кодразравнивания). Результат, соответствующий измеряемому напряжению, посигналу "Код готов" с выхода сумматора 12 переписывается во внешнююпамять.После этого преобразователь готовк следующему преобразованию.Переходной процесс установлениявыходного тока ЦАП б (1 ) имеетэкспоненциальный характер, причемвремя установления тока старшего разряда с точностью половины младшегоразряда составляет Т= 9, где, - постоянная экспоненты (так например для ИС Х 1108 ПА 1= 300/9= 33 нс, Т. = 300 нс),Для точного 12-разрядного ЦАПдолжны соблюдаться точностные соотношения установления разрядных токов в соответствии с таблицей. График и таблица динамической погрешности от нормализованного времени Т /т приведены в литературеи с достаточной точностью подтвердились при экспериментальной проверкена предлагаемом АЦП,Из алгоритма преобразования таблицы и исходя из правильного опреде"ления двух младших разрядов АЦП (вэтот момент все пьедесталы выключены)определяется сначала разряд 2 ЦАП,8094618, а затем младший разряд 2 ЦАП 6))откуда следует, что минимальный период генератора 3 должен быть более 2.5Однако при определении старшегоразряда 2 ЦАП 6 включены все пьедесталы (2 + 2 +2 +2 при ш=8), чтодает возможность определять его нес точностью 0,01257, а с точностью8 Е и затратить время, согласно таблицы, не 9, а 37Таким образом, период генератора3 должен быть не менее 3., а общее 15 время преобразования АЦП составлятьв такте (и+р+1) 3=51,=6 Т. прип=12, ш=8 у р=4.Из таблицы видно, что старшиешесть разрядов успевают установитъся .,(после их включения при грубом сравнении) с требуемой точностью до снятия пьедесталов 2 и 2 , а младшиеразряды устанавливаются за время,меньшее, чем З,ОГ25 Предлагаемое решение позволило, увеличить. быстродействие АЦП в двараза.Быстродействие компаратора определяется напряжением его перевозбужЗ 0 дения, соответствующим необходимойточности преобразования, которое всвою очередь определяется половинойтока младшего разряда используемогоосновного ЦАП (в данном случае ЦАП 6), 35С увеличением точности преобразования уменьшается напряжение перевозбуждения компаратора, а следовательно, уменьшается его быстродействие.При диапазонах входных сигналов 40 0-5 В и 4096 уровнях квантования величина половины младшего разрядасоставляет +0,75 мВ, а ток половинымпадшего разряда ЦАП 6 - менее 1 мкА.Зти условия определяют выбор компа ратора по входным, параметрам. Предлагаемое решение позволяетисключить зависимость быстродействиякомпаратора 8 от заданной точностипреобразования, так как усилитель 22. работает в режиме пропорциональногопреобразования на 25 результирующеготока во входное напряжение компаратора 24 в моменты равенства выходных токов АЗУ 1 и ЦАП 618 и 7.55При .этом момент срабатывания компаратора 24 определяется скоростью нарастания выходного сигнала усилителя 22.7 1В случае нарушения равенства токоусилитель 22 благодаря наличию цепинелинейной обратной связи (диоды28 и 29 - резистор 27) будет рабо.тать в нелинейном режиме, ограничивая напряжение на входе компаратора24. В момент сравнения с данной точностью выходных токов АЗУ 1 и ЦАП 6,18 и 7 на прямом входе компаратора24 устанавливается напряжение перевозбуждения, соответствующее егомаксимальному быстродействию.Конденсатор 30 и резистор 31 образуют цепь положительной обратнойсвязи компаратора 24, необходимуюдля устранения его самовоэбуждения,Конденсатор 26 обеспечивает устойчивость усилителя, сглаживание егопереходной характеристики, сужениеполосы пропускания и подавление избыточных резонансных шумов.Н 4 токовом выходе 14 ЦАП 6 посто-.янно поддерживается потенциал "виртуальной" земли, выходное сопротивление ЦАП 6 ( т,евходное сопротивление усилителя 22) составляет единицы ом, что уменьшает постояннуювремени входной цепи усилителя 22 довеличины менее 0,2 нс,Усилитель 22 должен быть широкополосным со скоростью нарастания выходного сигнала не менее 50 В/мкс(например, К 574 УД 1, 154 УД 4 или гибридный микроузел КГ 02-УИЗ и др,),Таким образом, звено: усилитель22 - компаратор 24 напряжения увеличивает быстродействие и точность преобразования.При использовании в предложенном оустройстве усилителя КГ 02-УИЗ, ком.-,паратора КР 597 СА 2 и ЦАП К 1108 ПА 1получены: время преобразования устройства 1,8 мкс, дифференциальнаянелинейность 1 Х в динамическом диана"зоне 200, при этом термостабильностькоэффициента преобразования составляет 0,025 Х/10 С, а нуля характеристики - 0,3 канала/10 С. 1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий аналоговое запоминающее устройство, и-разрядный первый цифроаналоговый преобразователь и и-разрядный второй цифроаналоговый преобразователь, (и+р+1)-разрядный регистр последовательного приблиформула изобретения 358094 8в жения, где р = ш/2, источник опорного напряжения, тактовый генератор,два регистра, двоичный счетчик импульсов, первый сумматор, компаратор5и блок управления, первый вход которого является шиной управления, первый выход - шиной "Код готов", авторой выход соединен с управляющимвходом аналогового запоминающегоустройства, информационный вход которого является входной шиной а выходподключен к первому выводу токоограничивающего элемента, выполненногона угезисторе, второй вывод которогообъединенс выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователейи подключен к входу компаратора, входы эталонного напряжения первого ивторого цифроаналоговых преобразова 0телей объединены .и подключены к выходу источника опорного напряжения,третий выход блока управления соединен с управляющим входом тактового 25 генератора, выход которого подключенк С-входу регистра последовательного еприближения, Р-вход которого соединенс выходом компаратора, а Я-вход объединен со счетным входом двоичного З 0, счетчика импульсов и подключен к четвертому выходу блока управления, второй вход которого соединен с выходом,которого является шиной нулевого потенциала, информационные входы первого и и-го разрядов первого цифроаналогового преобразователя и первогорегистра соответственно объединеныи подключены соответственно к первому и (и+р+1)-му разрядам регистрапоследовательного приближения, стробирующие входы первого и второгорегистров объединены и подключены к 4 пятому выходу блока управления, информационные входы второго цифроаналогового преобразователя и второго, регистра соответственно объединеныи подключены к соответствующим выхо-,- дам двоичного счетчика импульсов,выход первого разряда первого регистра соединен с входом первого разрядапервых входов первого сумматора, выходы которого являются соответствующими выходными шинами, а вторые входы подключены я инверсным выходамсоответствующих разрядов второго регистра, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения быстро1358094 иены с соответствующими разрядами,начиная с второго, первых входов первого сумматора, информационные входы 5всех Р-триггеров соединены с общейшиной, вход эталонного напряжениятретьего цифроаналогового преобразователя соединен с выходом источникаопорного напряжения, а выход третьего цифроаналогового преобразователясоединен. с выходами первого и второго цифроаналоговыхпреобразователей,2, Преобразователь по п.1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения быстродействия и точности преобразования, компаратор вы-.полнен на операционном, усилителе,компараторе напряжения, двух ограничительных диодах, четырех токозадающих элементах, выполненных на резисторах, и двух накапливающих элементах, выполненных на конденсаторах,неинвертирующий вход операционногоусилителя соединен с шиной нулевого 25 потенциала, а инвертирующий входобъединен с первым выводом первогоконденсатора, первым выводом первогорезистора, входами "+" и 11-1 соответственно первого и второго диодов ЗО и является, входом компаратора, выходом которого является прямой выходкомпаратора напряжения, инверсныйвыход которого подключен к первомувыводу второго конденсатора, второй 35вывод которого объединен с первымвыводом второго резистора и подключен к инверсному входу компараторанапряжения, прямой вход которого соединен с первым выводом третьего ре- ,зистора, второй вывод которого объединен с вторыми выводами первых конденсатора и резистора, первым выводом четвертого резистора и подключенк выходу операционного усилителя, 45 второй вывод четвертого резистораобъединен с выводами - и + соответственно первого и второго диодов,а второй вывод второго резистора является шиной нулевого потенциала,11 Т 1Номер разряда 1 2 3 4 5 Точность установки Х 25,4 12,8 6,4 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 О,1 0,05 0,025 0,125 1,5 2 3 3,3 4 действия, в него введены третий(и)-разрядный сумматор, первые входы которого соединены с соответствующими выходами разрядов, кроме первого, первого регистра, а вторые входыподключены к соответствующим выходамтретьего регистра, стробирующий входкоторого соединен с пятым выходомблока управления, а входы разрядовтретьего регистра, кроме старшего,объединены с входами соответствующихчетных разрядов, кроме ставшего,третьего цифроаналогового преобразователя, с входами синхронизации соответствующих Э-триггеров и подключенык каждым третьим информационным выходам, начиная с второго, регистрапоследовательного приближения, входыустановки в "1" Р-триггеров объединены и подключены к четвертому выходублока управления, выходы Р-триггеровподключены соответственно к входамн ече тных р азрядо в, кроме старшего,третьего цифроаналогового преобразователя, информационные входы с второго по ш-й первого цифроаналоговогопреобразователя и первого регистрасоответственно объединены и соединены с соответствующими информационными, начиная с третьего до (ш+р+1)-го,кроме каждого третьего, выходами регистра последовательного, приближения,старшие разряды третьего цифроанало-.гового преобразователя и третьегорегистра объединены и подключены к(ш+р+1)-му информационному выходу регистра последовательного приближения, информационные входы с (ш+1)-хпа (и)-е первого цифроаналоговогопреобразователя и первого регистрасоответственно объединены и подключены к соответствующим с (ш+р+2)-гопо (и+р)-й информационным выходамрегистра последовательного приближения, выходы второго сумматора соеди" 6 7 8 9 10 11 12 5 6 6 э 5 7 8 85 9+ ставитель Ю хред М.Дидцк Редактор Л.Гратилл Тираж 900 ПодписноИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий3035, Москва, Ж, Раушская наб, д,4 аказ 6008 Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Прректная