Устройство следящего аналого-цифрового преобразования

(54) УСТРОЙСТВО СЛЕДЯЩЕГО АНАЛО ГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, позволяет расширить динамический диапазон устройства и повысить быстродействие. Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее накапливающий сумматор 3, цифроаналоговый преобразователь 4, аналоговый сумматор 5, аналого-цифровой преобразователь 6, блок 2 памяти, блок 1 управления, введены сумматор 7, два блока регистров 8 и 9, селектор нуля 1 О, выходной регистр 12 и счетчик 11. Изобретение предназначено для измерения формы широкополосных электрических сигналов с большим динамическим диапазоном.5 ил. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕпО изОБРетениям и ОтнРцтПРИ ГКНТ СССР 21) 4615788/24-24(71) Белорусский государственный унивситет им, В. И. Ленина3Изобретегггге относится к измерительгн)й техцикс и предназначено гля измереггггя формы широкополосных электрических сигналов с большим динамическим диапазоном.Целью изобретения является увеличение динамического диапазона и повьппение быстродействия.На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; ця фиг. 2 - схема накапливающего сумматора; ца фиг. 3 схема блока регистров; ца фиг. 4 и 5 - времеггнвге диаграммы работы устройства.Устройство содержит блок 1 управления блок 2 памятинакапливающий сумматор 3, аналоговый сумматор 4, аналого-цифровой преобразователь (ЛЦГ 1) 5, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, сумматор 7, первый 8 и второй 9 блоки регистров, селектор 10 нуля, счетчик 11, выходцой регистр2, Выходную шину 13 аналогоггого сигналя, входную шину 14 запуска и Выходную шину 15.Накапливаюгдий сумматор 3 (фиг, 2) реализован ня сумматоре 16 и регистре 7.На фиг. 4 обозначены:(с соответствующей индексацией) - моменты дискретизации входного сигналя; а и бсигналы с первого и второго выходов блока управления; . У (1)сигнал ца шине 13 устройства; (.Е (1) =-Ц.1- сигнал на входе АЦП 5; lсоставляющая сгггггалй (l Я, определецная входным кодом ЦАП 6; Л -- напряжение, соответствующее шагу квантования ЦАП 6; п начальцое значение кода ца выходе накапливающего сумматора 3; 1 г,(СТ;, 5;, ХМ;) - код коррекции на выходе блока 2 памяти; СТь 5;, ХМ;составлягогггке адреса блока 2 пямити от счетчикаг, второго блока 9 ре: ист 1 гов и ггяк":пливягогцеГО сумматора соответственно; .) 1 г) - коды га выходе ЛЦП 5; Вф+г -- ОгКОРРЕКтИРОВЯНЦЫЕ ЗЦЯЧЕЦИЯ г(ОДОР 4 Ц 11 (составлигОгдая ВыхОднОГО КОка)На фиг. 5 обозначения а и б состветстВуют сгц калам ня первом и втором выходах блока 1: обоз га геггис а - части 2 (фиг. 3) Выхода первого блока 8 рог.стров, т.е. Информации, передаваемой кз блока 2 памяти; Обоэцачсцие ег - части 3 фиг, 3) выхода первого блока 8 регистров, т.е. информа цци, передаваемой из цика:гливающего суммятора 3 ца див Грамме, соотВетствующей обозггачен.гю в, представлено изменение ин. формации ца ЕС выходах АЦП 5; на диаграм ме, соответствующей обозгкгчению г, представлено изменение информации ца Й стар.цгих разрядах АЦП 5.В предлагаемом устройстве разрядность К АЦ 11 5 равна 8, рггз)ядггость Ю ЦАП 6 равна 10, причем младший значащий разряд (первый) ЦАП 6 соответствует цеце цгестогхг рязрядя АЦП 5, а второй разряд - седьмому разряду ЛЦП 5. Если старший разряд Л 11 Г 5 (восьмой) является знакг)вым разрядом, то о;г подключается к знаковому разряду ЦЛГ 6. Если ЛЦГ 1 5 не имеет знакового разряда, то восьмой (старший) разряд подключается к третьему значащему разряду ЦЛП 6. В обоих случаях разрядность предлагаемого устройства составляетЛЕ+ (К+А),"О где Й - количество совмещекных разрядов. В данном примере Й=З (6.й, 7-й и 8-й разряды ЛЦГ 1), т.е. разрядность устройстваУ+ (А - ггг)=10+ (8 - 3) =15,Так как й составляет 3 разряда, то дна.пазон АЦП 5 разбивают ца 8 ггоддкапазонов (фиг, 4). Принято, что старший раз.ряд АЦП 5 является знаковым.Устройство работает следующим образом.В начальном состоянии блоки регистров8 и 9, выходной регистр 12 и счетчик1 ус.тановлены в 0 (цепи сброса не показаны).В регистре 17 накапливающего сумматора находится код числа а, который устанавливает значение сигнала (г (г) в диапазон АЦП 5 (цепи записи в регистр 17 начального значения не показаны),При поступлении сигнала Запуск навход 14 устройства блок 1 управления начинает вырабатывать сигналы а и б, ПозО сигналам а производятся. выборки аналогового сигнала АЦП 5, При осуществлении выборки в момент О ,фиг, 4 и 5) на вход АЦГ 1 5 поступает сигналЫо) = Н(М - 0 го),ЗГгде г.е (г,) - значение входного сигнала в момент ггг,У Йо) - . аналоговый эквивалент кода ХМгустановленнЬГО на выходе накап.ливающего сумматора 3 (фиг, 5,д).Через время задержки на выходе АЦП 5(фиг 5, в) появляется код 01 о,), которыйявляется цифровым эквивалентом значенияскгнала (Е ф,); Так как входной аналого.4- вый сигнал Ц,(гоо,) отличается От значенияЛа на величину больше, чем 2 Ь (фиг 4), тон на входе АЦП 5 сигнал Оф) отличаетсяот значения О ня величину больше чем 2 Ь,Следовательно, значение трех (1=3) старших разрядов АЦП 5 (фнг. 5, 3) отличноБг) от нуля, 5 г=+2 или в двоичном коде 010.На первый адресный вход блока 2 памятипоступает информация с выхода второгоблока 9 регистров. В данном случае блок 9регистров реализован ца одном регистре.Блок 9 регистров установлен в О, и код на% его выходе равен О. На второй адресныйВход блока 2 памяти поступает код с выхода"счетчика 1, причем этот код имеет значе 161639случае отсутствия переходного процесса и 35 представлять собой необходимую коррекцию нелинейности цепи ЦАП 6 - аналоговый сумматор 4, что снижает требования к точности этой цепи. Импульсом в момент И1 о производится запись кода коррекции к(СТо, 5 о, ХМо) .и кода с выхода накапливающего сумматора ХМо в первый блок ре.мисров (Фиг. 3), которые вместе с кодом Щ) поступают на входы сумматора 7, появ:ляется код суммы 0(4)+ХМо+СТо, Ьо;ХМо), причем каждое слагаемое представ лено в дополнительном коде и может бытькак положительным, так и отрицательным.Импульсом с первого выхода блока 1 в момент 1 производится запись кода с выхода сумматора в выходной регистр 12, и на еговыходе появляется цифровой эквивалент 50 входного сигнала, равный О(о)+ХМо+ +ЬСТо, 5 о, ХМо) Тем же импульсом в момент 6, производится следующая выборка .аналогового сигнала с,.,(".,). В момент 1 на выходе АЦП 5 еще присутствует инфор-, мация о прошлой выборке, т.е. на й стар-ших разрядах присутствует код 5=2. Вмомент 1 вырабатывается импульс на втором ние О, т.е. СТо. Счетчик 11 выполняет функцию счетчика времени переходного процесса. Его количество состояний определяется отношением быстролействия цепи ЦАП 6 - аналоговый сумматор 4 и АЦП 5, т. е, отноше. нием частот на первом и втором выходах блока 1.Частота на первом выходе блока 1 превышает частоту на втором выходе в 3 раза, т.е. количество возможных состояний счетчика должно быть не менее З-х, что обеспечивается двухразрядным двоичным счетчиком. Код СТо на выходе счетчика 11 информирует о том, что переходный процесс в цепи ЦАП 6 - аналоговый сумматор 4 от. сутствует. Код СТ=2 на выходе счетчика соответствует первой точке переходного процесса, код СТ= 1 - второй точке переходного процесса.Таким образом, в начальном установившемся состоянии переходный процесс отсутствует и на выходе счетчика 11 установлен код СТо (он сброшен). Импульс с первогод выхода блока 1, поступающий в момент 1 о, не изменяет состояния счетчика, так как он уже находится в состоянии О.На третий адресный вход блока 2 памяти поступает информация с выхода накапливающего сумматора 3, т.е. код ХМо=п. В итоге на выходе блока 2 памяти присутствует код коррекции, определяемый следую- шими значениями: ХМо, цто соответствует//состоянию ЦАП б в момент 1 о, СТо, что соответствует отсутствию переходного процесса; 5=0, что соответствует отсутствиюпереключения ЦАП б, т.е. на выходе блока 2 памяти присутствует код (СТо, 5 о,.ХМо), который может быть отличным от нуля и в 5 1 О 15 О 25 30 выхоле блока 1, который залним фронтоМ (О в ) производит запись в регистр 17 кода с выхола сумматора 16, равного ХМ=. =ХМо+5=п+2, и запись кола 5=2 во второй блок 9 регистров, Так как 5 отлично от нуля, то импульс с второго выхола блокапроходит через селектор 1 О нуля и поступает на вход управления счетчика 1. Пол воздействием импульсов на входе управления и тактовом входе производится установка счетчика 11 в состояние СТ (фиг. 5, ж),Коды 5, СТ и ХМ поступают на первый, второй и третий входы блока 2 памяти соответственно, который начинает выборку следующего кода коррекции (СТг, 5, ХМ), Но в момент 1 на выходе блока 2 памяти еще присутствует старший код коррекции (фиг. 5, з), который в момент 1 совместно со старым колом ХМо записывается в первый блок 8 регистров (фиг. 5, и, к), Таким образом, после появления на выхоле ЛЦГ 1 5 кода выборки, соответствующего моменту 1, на выхоле сумматора 7 появляется код 0(1)+ХМо+ЯСТо,5 о, ХМо), т.е. переходный процесс еще отсутствует; составляющая l (1)= - пЛ, что соответствует коду ХМо, переключения не происходило 15 о). При поступлении на вход ЦАП б кода ХМ на его выходе начинает изменяться напряжение. По окончании переходного процесса составляющая У(1) равна (и+2)Л. Во время действия переходного процесса АЦП 5 продолжает производить выборки входного сиг 1 Ннала в моменты 1, и 1. После импульса в момент 1 на выходе накапливающего сумматора 3 уже присутствует новое значение суммы ХМ а на вход АЦП 5 поступает сигнал (l(1), искаженный переходным процессом цепи ЦАП 6 - аналоговый сумматор 4 (У (1. Следовательно, цифровые иоды на выходе АЦП 5 также искажены. Для полуцения на выходе устройства истинного цифрового эквивалента входного аналогового сигнала необходимо производить коррекцию кодов, поступающих с АЦП 5, Значения кодовопределяются характером кривой переходного процесса, которая определяется состоянием ЦАП 6 до переключения и состоянием ЦАП 6 после переключения. Кривая переходного процесса, кроме этого, является функцией времени. Коды коррекции записаны в блоке 2 памяти и однозначно определяются тремя изложенными выше параметрами. Состояние ЦАП 6 после пере. ключения определяется выходом накапливающего сумматора 3 (в данном случае это код ХМ); .состояние ЦАП 6 ло переключе. ния задается значением Й старших выходных разрядов АЦП 5 (в данном случае это код 5). Код 5 определяет значение ступени переключения. Этим задается кривая переходного процесса. Изменение ее во времени определяется значением кода на выходе счетчика 1. Необходимость переклю 1617639че 1 и я и е ГО зц афс и ис Опрс/ел я 1 отс Б:3 цаче. )1 исм Д старц 1 их разрядов А 1.111 ) цри 13 зятииВыборки аналОГОВОГО сигнала В момент 1 оЛ(далее это моменты,). Так кяк значение Входного сигнала Ц.(1 о) в момент 7 оотребует переключения 1.1 АП б, то в момент 11, как было описано выше, производится запись в накапливающий сумматор 3 значения ХМ= ==-ХМо+5;, запись кода 51=.-2 ВО второй блок 9 регистров и установка счетчика 11 в со. стояние СТг (первая точка переходного процесса). В результате на адресных входах блока 2 памяти устанавливаются коды для ,выборки значения кода коррекции, равного ,(СТг, 51, ХМ), т.е. код коРРекции длц первой точки (СТг) переходного процесса в состояние ХМ 1 из состояния, соответствую. щего коду 51, которьи Определяет 3 елич 3111 у стугецц ц ес знакИмпульсом с первого выхода блока 1 в момент произ 3 одится Выборка сигнала с Зтцм жс импульсом производится запись в первый блок 8 регистров (фиг. 5, и, к) кода (С 7,51, ХМ,) с вь 1 хода блока 2 памяти (фиг, 5; з) и кола ХМ с Вь 1 хода накапливающего сумматора 3 (фиг. 5, д), ц также переключение счетчика 1 В следу 1 ощсс состояние С 71, и начинается выборка цз блока 2 памяти следующего кода ркоррекции /1(СТ 1, 5. Х)1). 1(,огда на 13- ,ходе АЦ 11 5 появляется код О(Ц, соответствующий Выборке сигнала в мо 1 иент,1, ца Входе сумматора 7 присутстцуют слагаемье: О(1,) (фиг. 5, в); 7"1 СТг, 51, ХМ 1) (фиг. 5, 17; ХМ 1 (фиг, 5, к). Иа выходе сумматора 7 Вырабатывается сумма О(,)+ +ХМо+),(СТг, 51, ХМ), которая поступает на выходной регистр 12 и записыгяется в него с иИходом импульса с пеппого выходаоблока 1 в момент 1", 1".И 1 ч.со;, с первоголвыхода блокав момент 1.роизводятся запись ицформацн В псИьй блок 8 реГист.ров, изменение состояц(я сче" 1 ика 11 на С 7 о и выборка следующего з,ячения сигнала 0.(Г, В 1 ервом блоке 8 регистров ицформа- ц и Обн)Ви)ся тол)и(О В част(фи 1, 3), связаноп с бло 1 ом 2 1 Ям)ги (фиг. 5, ," т.е. запишется код коррек 1)иц,ЯС, , Х 111).Ь части 3 перВОГО Олка 8 регстрОВ ИОГ не Обнэвитсц, так как на еГО Вход, связан.цый с выходом ь" капл 1 вак)1 его суммато)а 3, поступас г та:ке инО)МЯция (."лЫ ) .При пояВлении ця Выходе АЦ 1 5 кодаФО 11), соответству 10 щеГО выборке сигнала ( (1,), сумматор 7 выполняет с,зожецие и ца его Выходе появляется код ОО )+ХМ+ +ы(С 7;, 5 ХМ). Зтот год поязляется ца выходе5 устройства пр н поступлении имульса с 1 И рвого аьхода блока 1 в момент Ь.В мо 11 ент 1 г Вьц)олняются функции, ана. ЛГИЧЦЫЕ фУНК 1 ИЯМ, ВЫПОЛНЯЕМЫМ В МОМЕНТт.е. Осуц(ествляется иВОС )ереключсние ЦАП 6 ня 31 еличицу 5 г, которяи определяет. ся в момс 11 Т . При формировании кодовКоррЕктрц Во реМИ ДЕЙСТВИЯ прЕходцого процесса информация изменяется толь.ко на втором входе блока 2 памяти, которыйсвязан с выходом счетчика 1, На первом итретьем входах информация постоянная(5 и ХМ соответственно), т.е, параметрыпереходного процесса не изменяются, а выполняется только его отслеживание во времени путем изменений состояния счетчика 11,В правой части фиг. 5 изображена временна я дна грамма работы предла гаем ого устройства в режиме, когда сигнал У находится в пределах -+Л. После осуществления выборки в момент 7 на выходе АЦП ус 1 Г тацавливается информация О(18), причем значение всех Й старших разрядов равно цулк,так как сигнал Ц находится в пределахО -- -Л. Следовательно, только в К - 1=5разрядах могут присутствовать единицы. Код205 о=О поступает на информационные входывторого блока 9 регистров и накапливающего сумматора 10. Импульсом с второговыхода блока 1 в момент 7 о производитсязапись информации во второй блок 9 ре.гистров и накапливающий сумматор 3. В-,5 блоке 9 регистров информация изменяется ипринимает значение 5 о=О. В накапливающем сумматоре 3 информация це изменяется, так как к значению ХМ прибавляется5 о= - О. Следовательно, переключения ЦАП 6це проиоходит и переходный процесс отсут 30 ствует. Об отсутствии переходного процесса"информирует состояние счетчика 1, равноеСТо, При 1 еобходимост 11 перекл 1 очения ЦАП6 В моменты 1; (нагример 71, 1 г) производитсяпереключение счетчика 11 из состояния СТов СТг. Так как в момецт о 5:о=О, то им.35 пульс с второго выхода блока 1 не проходитц";:Вз -,лектор О нуля на управлякщийвход с 1 етчи;ы ,1 и он це переключается всостояние СТг (фиг. 5, зс). Таким образом,код 7, имеет постоянное значение в моменты7 о и 1 о, соответствующие отсутствию пере" ходного процесса,Информация для блок", 2 памяти определяется в процессе регулировки каждогоконкретного устройства. Для этого необ,(О(мо подавать нэ Вход ЦАП 6 изменяю 4 Ь щиеся коды, а на выходе аялогового сумматора 4 измерять отклик. Разность ожи(асмоО зцачсн)1 я сигнала и измеренногона выходе аца. Огового сумматора 4 определяет значение кода коррекции 7. При статических измерениях для разных значений ко 5 О дов на входе ЦАП 6 Определяетсядляобеспечения ошибки значений порогов ЦАПби АЦП 5.Фор,ирли изобретенияУстройство следящегг. аналого-цифрово.го преобразования, содержащее ГОследовательно соединенные Л-разрядный цакапливающий сумматор, А-разрядный цифроаналоговый преобразователь, аналоговый сумматор, К-разрядный аналого-цифровой преобразователь, вход синхронизации которого соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом Ф-разрядного накапливающего сумматора, а вход является шиной Пуск, блок памяти, второй вход аналогового сумматора является входной шиной, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и увеличения динамического диапазона, введены сумматор, два блока регистров, селектор нуля, счетчик, выходной регистр, тактовый вход которого объе-. динен с тактовыми входами счетчика и первого блока регистров и подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с тактовым входом второго блока регистров и селектора нуля, Й информационных входов которого объединены. с соответствующими информационными входами накапливающего сумматора и ссютветствующими информационными входами второго блока регистров и подключены к выходам А старших разрядов К-разрядного аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с соответствующими первыми информационными входами сумматора, вторые информационные входы которого соединены с соответствующими выходами первого блока регистров, первые информационные входы которого соединены с соответствующими выходами блока памя тн, первМе адресные входы которого соединены с соответствующими выходами второ-, го блока регистров, вторые адресные входы соединены с соответствующими выходами счетчика, вход управления которого соединен с выходом селектора нуля, третьи адресные входы блока памяти объединены с соответствующими вторыми информационными входами первого блока регистров и подключены к соответствующим выходам Ф- разрядного накапливающего сумматора, вы ходы сумматора соединены с соответствующими входами выходного регистра, выходы которого являются выходной шиной.оУ У УУ 1 У УУУ ЭУ Эгм 5 С Тв С 7 Ъ С 5 СбзуЕЮ Т 5 йИ ыи иу,у сг,юЕИе ова Корректор Л. Подписное СастаТех ред А Тираж 668 ипеик жни тиям при ГКНТ СССд. 4/5од, ул. Гагарина, О и откры на 6., Ужгор Н го комитета по Москва, Ж - 3 льский комбин Редактор д. Ле наЗаказ 429ИИПИ Государственно33035,ронзводственно.издат ЕУф НУ) РЯ 1 ЕУЩ) (Ьп) ЭЯ ф МУ ф ЕМУ ф ЕМУ ф ЕМУ ф ЕМУ ЕМУ+Сто 1 кЮ 7 фЛБ(СТо УЕВ) 8 Ю,ЕМУ) ХУ,ЕМУ) У,ЕМУ) ГУЕМУ) 5 В,ЕМУ ЮиУ.5 нтель И. РомаКравчукизобретениям5, Раушскаяат сПатентз, г