Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

(22) (46) (71) инс (72 О, с. 2 10,Балакай В,Г. и др и ЦАП. 1978, с, 7 СПОСОБ АНАЛО АЗОВАНИЯ И У ЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к и нике и, в частности, к преобра ряжения в цифровой код, кото ть использованы для постро ств сбора аналоговой информа. Интегральн 2-75, рис, 1 ГО-ЦИ Ф РОВ СТРОИСТВО АЦ (54 О наб 19.03,90 30.08.93, Бюл, Всесоюзный н итут электром Л,М.Лукьянов Махнанов В,Д и времяимпу 32учно-исследовательски аники и др. Устройства часто ьсного преобразовани ОГО ПРЕДЛЯ ЕГО мпульснойэователям рые могут ения устции в развычислительнои технике, Целью изобретения. является повышение быстродействия. Для этого преобразуют в частоту суммарные напряжения; сначала опорное и преобразуемое, а затем опорное и инвертированное преобразуемое, После этого преобразуют периоды этих частот в коды и вычитают второе из первого для получения окончательного результата преобразования.Дляреализации этих операций в устройство аналого-цифрового преобразования введены аналоговый инвертор, два переключателя, триггер и элемент И. Благодаря этим операциям и введенным элементам время преобразования уменьшено до двух периодов получаемых частот и тем самым повышено быстродействие аналого-цифрового преобразования, 2 с.п, ф-лы, 3 ил.относится к области ими, в частности, к способам апряжений в цифровые чным преобразованием выш Изобретениельсной техникиеобразования нды с промежуто встотный сигнал,Цель изобретения - по ение быстройствия,На фиг. 1 изображена блок-схема устйства аналого-цифрового преобразовая; на фиг. 2 - схема преобразователяапряжения в частоту импульсов; наиг. 3 - временная диаграмма работы анаго-цифрового преобразователя (АЦП).АЦП содержит: 1, 2, 3 - шины преобраемого, опорного и нулевого напряжений,и 5. - шины запуска АЦП.и готовностиезультата преобразования на выходнойине 6, 7 - аналоговый инвертор, 8 - преобвам разователь напряжения в частоту импульсов, 9 и 10 - первый и второй переключатели, у которых первые входы соединены с выходами при отсутствии сигнала на управляющем входе, а при его наличии к выходу подсоединены вторые входы, 11 - реверсивный счетчик, 12 - счетчик, 13 - генератор импульсов, 14 и 15 - первый и второй триггеры, 16 - 19 - спервого по четвертый эле- Од менты И. ОПреобразователь напряжения в частоту (Я (ПНЧ) импульсов содержит: 20 - операционный усилитель, 21, 22 и 23 - с первого по третий резисторы, 24 - конденсатор, 25 - ключ, вход и выход которого замыкаются при наличии сигнала на управляющем входе - 26 - компаратор. 27 - формирователь эталонного сигнала с фиксированными дли 1837395компенсации эталонного заряда интегрирую его конденсатора преобразуемым наи яжением.АЦП работает следующим образом. С . о ончанием очередного преобразования 5 т иггеры 14 и 15 будут установлены в исходн е состояние, а их сигналы соответственно с второго и первого выходов с помощью э емента И 19 формируют сигнал 40. Этот с гнал замыкает ключ 25 и поддерживает в 10 и ходком состоянии интегратор в ПНЧ 8, к торый выключается из работы,С приходом импульса 30 устанаеливася в исходное (нулевое) состояние счетчик 11 и 12 и триггер 15, а триггер 14 15 у танаеливается в "1" состояние, Сигнал 40 с имается, ключ 25 размыкается. разрешая р боту ПНЧ 8, на вход которого поступает н пряжение +О 32, так как сигнал 31 в и реключателе 10 замыкает его выход с вто р 1 м входом, подсоединенным к выходу пер ключателя 9, вход которого соединен с иной 1.В ПНЧ 8 по снятию сигнала 40 запускае ся одновибратор 28 (через элемент ИЛИ 25 2 ), По его сигналу 35 формирователь 27 в рабатывает эталонный сигнал постоянй амплитуды и длительности, который чеез резистор 23 в конденсаторе 24 образует з ряд - С 1. Этот заряд компенсируется. сумОоО арным током 33 от+ Ои Оо:1 = -81 82 , где 81 и 82 - величины резисторов 21 и 22. ыходное напряжение операционного усиителя сначала увеличивается, а затем 35 меньшается и е момент 11, когда происхоит компенсация зарядов - 0+1111= О, оно тановится равным нулю. Компарэтор 26 рабатывает и формирует импульс 36, соотетстеующий окончанию периода первой 40 астоты Г 1, сформированной ПНЧ 8 и имею 0 ий период 11 О Оо х 81 8245В течение 11 разрешена работа элеменэ И 17(сигнал 38), через который импульсы от генератора 13 поступают на вычитаюий вход счетчика 11 и образуют в нем код 1 = Мс - 111, где Мс - емкость счетчика с 50 четом старшего знакового разряда.По окончании 11 импульс Зб устанаелиает триггер 15 в "1". Его выходной сигнал 7 с помощью переключателя 9 подает на ход переключатели 10 и далее на ПНЧ 8 нвертировэнное напряжений +О 32. Имульс 36 проходит через элемент ИЛИ 29 сигнал 39) и запускает вновь одновибратор8, второй сигнал 35 которого с помощью формирователя 27 и резистора 23 образует вновь в конденсаторе 24 заряд -О. Этот заряд до окончания сигнала 31 компенсируетОо - Ося токОМ 21 = - + - . Сигнал 31,81 82соответствующий фиксированному времени Тф, формируется счетчиком 12 и импульсами 1 генератора 13, проходящими через элемент И 16, работа которого разрешена триггером 14. При поступлении на счетчик 12 йо импульсов, где Ио - есть емкость, т.е. по истечении еремеки Тф = чоЛ наступит его переполнение и выходной импульс установитев "0" триггер 14 и снимет сигнал 31 с выхода управления переключателем 10. На вход ПНЧ 8 с выхода переключателя 10 поступит нулевое напряжение. На вход ПНЧ 8 с выхода переключателя 10 поступит нуле- вое напряжение, а на вход операционногоОо усилителя сигнал 34, равный 122 =, кото 81 рый будет компенсировать до куля заряд -О. Это произойдет через 12 время, соответствующее окончанию периода второй частоты Г 2, сформированной ПНЧ 8. Уравнение компенсации заряда имеет вид:-О + - 12 + - (Тф - 11) = ООо О81 8212 = - -- (Тф - 11),81 С О Р 1Оо Оо 82В момент окончания компенсации заряда вновь срабатывает компаратор 26, его второй сигнал 36 устанавливает в "0" триггер 15. Сигнал 37 снимается и образуется сигнал 40, который информирует по шине 5 об окончании преобразования и выключает из работы ПНЧ 8, как было описано выше.В течение времени 12 сигнал 37 разрешал работу элемента И 18, через который импульсы 1 генератора 13 поступали на суммирующий вход счетчика 11 и изменяли в нем код п 1. За время 12 на вход счетчика 11 поступило п 2 импульсов: и в нем образовался код1:в,+ бе =ЙоОь В,ей,е - ,ееее еО г "тО ОПри 81 = 82 величина Ь = - = - иТфЙопредставляет собой квант АЦП, 183739530 Тф - -=: 2081/ОО2КОо и учесть, что Й- К 2, то 35 Ох Ооф -О О - О) В этом случае время, затрачиваемое на преобразование Ох -- О, будет равно Тф, для 40 1 7 О =. - Оо = О оно равно Тпр(+Оуп) = - Тф и х б при -Ох = -Оп 1 оно будет наибольшим Тпр(-Орп) = 3С учетом этих зависимостей необходимо выполнять выбор параметров АЦП. При этом для сравнительной оценки с прототипом. должно быть выполнено условие сохра нения, как у прототипа, разрешающей способности АЦП и максимальной частоты работы ПНЧ, т.е, максимального числа квантов н Хр, которое должны быть не менее Мо, и максиглальной частоты ПНЧ, которая дол жна бьль не более Г . По параметрам Но и Гп 1 можно рассчитать временный квант работы АЦП т д, который задается частотой 1 и должен выбираться из условия преобразоБ счетчике 11 получен код Хр, являющийся ре 1 ультагом преобразования входного напряжения +Ох, При этом для+Ох этот результат представлен в обычном виде, т,к. величина Ис соответствует весу старшего за 5. знаковым разрядом счетчика 11, который в АЦП не используется и не передается по шинам б. Для -Ох результат Хр представлен в смещенном коде, в котором "1 м старшего знакового разряда показывает на отрица тельное значение преобразуемого напряжения, Код для наибольшей величины -Ох в остальных разрядах будет нулевым, а для наименьшей величины -Ох, равной кванту АЦП, этот код будет наибольшим с н 1 н во 15 всех разрядах.Результат преобразования Хр получен за времяТ.-,фС, - .- ". - (Т -Ц:к вания наименьших периодов 1 ф 2) в коды п 1(п 2) с получением их величин не менее Йо.Минимальным периодом т 1(12) соответствует Гпу и она получается при преобразовании ПНЧ суммарного сигнала, образованного иэ опорного напряжения Оо и максимального преобразуемого напряжения Ох = Орп. откуда1 1 кТц. + О;) Р; Поэтому1 1- р, о 1, жТО; а.а) мч "лВ АЦП с учетом принятого соотношения для Тф и при максимальной частоте ПНЧ Гп 1 величина фиксированного временного интервала равна:т2 2 (Оо+Оп) 3Величина Тф формируется с помощью счетчика 12, емкость которого для этого случая должна быть равна Тф 1 = Зйо.Для простоты реализации эта емкость может быть увеличена до Кр = 4 йо, но тогда частота генератора тоже должна быть уве 4личена до 1 р = - Гп "г)о, чтобы сохранить3величину Тф = - = - , Соответственно буГдет уменьшен временный квант АЦП, кото 3 рмн равен е этом случае тр -" Е р - .1 о-, а это . уменьшит и квант результата преобразоваО О ния до величины Др =81 . й 1- " р р - 4 МоЙ 2 Й 2Для АЦП с принятым соотношением 81=- В 2. квант Лр будет равен Ьр = Оо/4 Мо = Оп 1/2 Мо, а максимальный код; соответствующий величине Ох= Оп, будет иметь величины МрпР =2 йо, Поэтому емкость Ис = 2 Мо счетчика 11 прототипа должна быть увеличена в заявляемом АЦП до Мр = 4 йо.Результат преобразования будет иметь величину:Ф х кр С -аО Ср-оВ АЦП с этими параметрами наиболь-шее время преобразования будет равно3 91Тмахс = - Тф =- -- , В прототипе время пре 2 2 Гп,образования имело величины Ти = Мо/Гуп. Заа с р ты времени на выполнение преобразоа ия значительно уменьшены и козффицит этого уменьшения равен: --- Мо, Во столько же раз повым2Тмакс 9 но быстродействие преобразования и ь по устранению недостатка прототипа тигнута.Необходимо также отметить, что в предгаемом АЦП исключены погрешности ототипа, обусловленные изменением паметров О 1, 02, В 1, В 2, Вз и Тп, входящих в авнение преобразования и в результат В уравнении преобразования для заявл емого АЦП эти параметры отсутствуют; т, . их изменение компенсируется. а на точн сть работы оказывает влияние отношение В /В 2, Поддержание стабильным этого отн щения, особенно при В 1= В 2, не вызывает т удностей реализации АЦП.Количественную оценку коэффициента а, характеризующего повышение быстройствия в заявляемьх технических решеях по сравнению с прототипом, можно в полнить на примере построения АЦП с и пользованием современных отечестэенн х интегральных схем. Например в качеств ПНЧ взять схему КР 1108 ПП 1 с м ксимальной частотой Гп = 100 кГц, а в к честве переключающих элементов - ключ серии К 590 КН 2 или КТ 1, имеющие время и реключения тпрр = 150 - 30 нсек.При построении на этих схемах 10-разрядного (йп = 10 ) АЦП время преобразоваз ния прототипа будет равно Тп = 10 /10 = 103 5 сВ. заявляемом АЦП выполняется преобазование в код временных интегралов т 1 и , длительность которых значительно менье Тп. В связи с этим время тпар переключеия в ключе и переключателях, введенных в ЦП, оказывает влияние на точность полчения результата преобразования. Налиие тпер, 0 приводит к переходным роцессам, которые изменяют ток компенации при формировании частот в ПНЧ и носит дополнительные погрешности в реультат преобразования,Для умен ьш ения этих погрешностей веичина временного кванта работь 1 АЦП долна выбираться большей тпер, С запасом ожно принять соотношение (Р = отпер, при отором наибольшая дополнительная порещность от тпрр будет меньше кванта АЦП.В рассматриваемом примере построеия АЦП при использовании в качестве клюи переключателей элементов с ьер = 50 величинатрбудет равнатр=0,15 мкс, При выборе для ПНЧ Р -100 кГц, соотношениеср = - - не будет выполняться, что требу 3щ оет снижения Еп до величины в -6 3 5 кГц,3 4 0,15 1010Наибольшее время преобразования будет равно 9 9 Тмакс = - = 0,9 мс 2 Рд 2 510 з15а коэффициент а = 10/0,9 - 11,1, т.е. для данного примера быстродействие АЦП повышено более чем в 10 раэ. При этом имеющиеся у ПНЧ динамические характеристики1 20 полностью не использованы (Еп = Рп) и20этот запас можно использовать для повышения быстродействия АЦП путем применения переключающих элементов с 25 меньшими пер. Так. использование из этойсерии схема КТ 1 позволит еще почти в 1,7 раза повысить быстродействие АЦП,Формула изобретения 1. Способ аналого-цифрового преобразования, заключающийся в одновременном преобразовании напряжения в частотный импульсный сигнал и в формировании фик.сированного временного интервала с последующим формированием результата преобразования, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью. повышения быстродействия при преобразовании в частотный импульсный сигнал, используют напряжение, равное сумме опорного и входного 40 напряжений, в течение первого периода,длительность которого преобразуют в первый код, после чего в течение второго периода осуществляют дополнительные последовательные преобразования в час тотный импульсный сигнал сначала напряжения, равного разности опорного и входного напряжений до момента окончания фиксированного временного интервала, а .затем только опорного напряжения, преобразуют длительность второго периода во второй код, а при формировании результата преобразования иэ второго кода вычи: тают первый.2, Устройство аналого-цифрового пре образования, содержащее входную шину,преобразователь напряжения в частоту импульсов, первый и второй входы которого являются шинами опорного и нулевого напряжений, шиной запуска является входы установки в исходное состояние счетчика иреверсивного счетчика и первый вход пер. вого триггера, второй вход которого соединен с выходом переполнения счетчика, а первый выход - с первыми входами первото и второго элементов И, второй вход первого из которых соединен с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом счетчика, выходы второго и третьего элементов И соединены соответственно с вычитающим и суммирующим входами реверсивного счетчика, выходы которого являются шиной результата преобразования,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введеныаналоговый инвертор, первый и второй переключатели, второй триггер и четвертый элемент И, причем входной шиной является первый вход первого переключателя и вход инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого переключателя, шиной нулевого напряженйя является первый вход второго переключателя, второй вход которого соединен с выходом первого переключателя, управляющий вход соединен с первым выходом первого триггера, а выход - с третьим входом преобразователя напряже ния в частоту импульсов, четвертый входкоторого является шиной готовности результата и подключен к выходу четвертого элемента И, а выход подключен к счетному входу второго триггера, вход установки ко торого объединен с первым входом первоготриггера, первый выход - соединен с первым входом четвертого элемента И и с вторым входом второго элемента И, а второй выход - с управляющим входом первого пе реключателя и с первым входом третьегоэлемента И, второй вход которого объединен с третьим входом второго элемента И и подключен к выходу генератора импульсов, а второй выход первого триггера соединен 20 с вторым входом четвертого элемента И.оизводственно-издательский комбинат Патент, г, Ужгород, ул.ГагаринЗаказ 2871ВНИИПИ Г Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ113035 Москва, ЖРа шская наб, 4 5в Ю