Аналого-цифровой преобразователь

09) Й 1) СОЮЗ СОВЕТСНИХЮИВЛФПНесиикРЕСПУБЛИК 151) Н 03 К 13 20 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР00 ДКЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕ П:ЛЬСТВУ(71) Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический .институт(54)(57) 1. АНАЛОГО-ЦИФР 6 ВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ, содержащий преобразователь напряжения в частоту,.вход которого является входом устройства, а выход соединен с тактовым входом блокасчетчиков импульсов, блок формирования временных интервалов, первый выход которого соединен с первым управляющцм входом блока счетчиков импульсов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функцио. нальных возможностей, в него введены блок управления и генератор тактовых импульсов, причем первый вход блока управления является входом запуска устройства, второй вход соединен.с выходом генератора тактовьк импульсов, первым управляющим входом преобразователя напряжения в частоту и первым входом блока формирования временных интервалов, первый вькод блока управления соединен с вторым управляющим входом преобразователя напряжения в частоту, а второй выход - с входами сброса блоков счета чиков импульсов и формирования вре- а менных интервалов и с третьимуправляющим входом преобразователя напряжения в частоту, группа выходов со второго пой -й блока форьжФс рования временных интервалов соеди- й нека с соответствующей группой управ. ляющих входов блока счетчиков импуль сов, а Я+1-й вькод - с третьим входом блока управления, где 1 - число разрядов выходного кода устройства.112. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем,.что,преобразователь напряжения в частоту содержит операционный усилитель, конденсатор, аналоговый ключ, компаратор, тактируемый З-триггер, резистор, разрядный ключ, источник разрядного тока, шину отрицательного. источника питания, причем параплельно соединенные конденсатор и аналоговый ключ подключены между инвертирующим входом и выходом операционного усилитепя, выход которого подключен к инвертирующему входу компаратора, неинвертнрующнй вход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной устройства, выход компаратора соединен с 2 -вхо 32357дом тактируемого Э -триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом разрядного ключа и яв ляется выходом преобразователя напряжения в частоту, первый, второй и третий управляющие входы которого подключены к С-входу тактируемого З-триггера, управляющему входу аналогового ключа и 1 -входу тактируемого 2 -триггера- соответственно, вход преобразователя напряжения в частоту через резистор соединен с инвертирующИм входом операционного усилителя и входом разрядного ключа, выход которого через источник разрядного тока соединен с пп- ной отрицательного источника питанияИзобретение относится к устройствам импульсиой техники и предназначено для использования в системахсбора и обработки информации различного назначения, системах автоматического управления и регулирования,Известен аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения, содержащий цифроаналоговыйпреобразователь, регистр, источникопорного напряжения и компаратор 1,Недостатком известного устройства является напичие большого числапрецизионных узлов и блоков, что затрудняет их иэготовлейие в виде больших интегральных схем.Известен также аналого-цифровойпреобразователь с промежуточным преОбразователем в частоту, содержащийпреобразователь напряжения в частоту, вход которого является входомустройства, а выход соединен с тактовым входом блока счетчиков импульсов, блок формирования временныхинтервалов, первый выход которогосоединен с первым управлякицим входомблока счетчиков импульсов 21,Недостатком известного устройства;является то, что в течение всегоинтервала преобразования устройства Зосостояюе ни одного из разрядоввыходного счетчика импульсов не о ре 1делено, т,е. последний импульс в из 1меряемой пачке, поступающий с выхода преобразователя напряжения в частоту, может изменить состояние всехразрядов счетчика. Это приводитк тому, что, например, процессорсистемы сбора и обработки информациипростаивает в течение всего интервала преобразования аналого-цифровогопреобразователя. Кроме того, многиецифровые процессоры начинают обработ"ку информации, начиная со старшихразрядов кода, получения которыхв процессе преобразования известныйаналого-цифровой .преобразовательне обеспечивает, что существенноснижает эффективность и область егоприменения,Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей устройства путем обеспечения последователь.ного формирования значений выходногокода, начиная со старших разрядов,в процессе преобразования, а такжеформирование выхдного кода в виде,не требующем выходного согласующегоустройства.Поставленная цель достигаетсятем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразовательнапряжения в частоту, вход которогоявляется входом устройства, а выход3 113соединен с тактовым вхолом блокасчетчиков импульсов, блок формирования временных интервалов, первый выход которого соединен с первымуправляющим входом блока счетчиковимпульсов, введены блок управленияи генератор тактоввх импульсов, причем первый вход блока управленияявляется входом запуска устройства,второй вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первымуправляющим входом преобразователянапряжения в частоту и первым входомблока формирования временных интервалов, первый выход блока управлениясоединен со вторым управляющим входом преобразователя напряжения вчастоту, а второй выход - со входамисброса блоков счетчиков импульсови формирования временных интервалови с третьим управляющим входом преобразователя напряжения в частоту,группа выходов со второго по 1 -йблока формирования временных интервалов соединена с соответствующей группой управляющих входов блока счетчиков импульсов, а М 1-й выход - стретьим входом блока управления,где 8- число разрядов выходногокода устройства.При этом преобразователь напряжения в частоту содержит операционныйусилитель, конденсатор, аналоговыйключ, компаратор, тактируемый 1) -триггер, резистор, разрядный ключ,источник разрядного тока, шину отрицательногоисточника питания, причемпараллельно соединенные конденсатори аналоговьй ключ подключены междуинвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход которогоподключен к инвертирующему входукомпаратора, неинвертирующий входкоторого соединен с неинвертирующнмвходом операционного усилителя и общей шиной устройства, выход компаратора соединен. с 1) -входом тактируемого 2 -триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входомразрядного ключа и является выходомпреобразователя напряжения в частоту, первый, второй.и третий управляющие входы которого подключенык С-входу тактируемого 3 -триггера,управляющему входу аналогового ключа и 1 -входу тактируемого 3 -триггерасоответственно, вход преобразователя напряжения в частоту через резис 2357 50 55 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 тор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и входом разрядного ключа, выход которого через источник разрядного тока,соединен с шиной отрицательного источника питания.На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства: 0 - сигнал запуска, 0 - сигнал окончания преобразования;- сигнал на втором Выходе блока управления (сигнал сброса); 2 - тактовые импульсы;- пилообразный сигнал на выходе интегрирующего операционного усилителя преобразователя напряжения в частоту; р. - сигналы на выходе преобразователя напряжения в частоту:, к - сигнап на первом выходе блока Формирования временных интервалов, у - сигнал на втором выходе блока Формирования временных интервалов, О - сигнал на третьем выходе блока Формирования временных интервалов; ц - сигнал на первом вьг" ходе блока счетчиков импульсов (старший разряд устройства);- сигнал на втором выходе блока счетчиков импульсов (второй разряд устройства); ц - сигнал на третьем выходе блока счетчиков импульсов (младший разряд. устройства), Н - сигнал на выходе интегрирующего операционного усилите ля преобразователя напряжения в час" тоту для входного сигнала меньшего по величине, чем в случае, приведенном на диаграмме1 соответствующий этому новому входному сигналу;0 - сигнал на выходе преобразователя напряжения в частоту, Ь - сигнал на первом выходе блока формирования временных интервалов, р - сигнал на второмвыходе блока формирования временных интервалов С - сигнал на третьем выходе блока Жормировяния временных интервалов, на фиг. 3 принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя.Аналого-цифровой пр еобраз ователь содержит преобразователь 1 напряжения в частоту, вход 2 которого является входом устройства, а выход соединен с тактовым входом блока 3 счетчиков импульсов, блок 4 формирования временных интервалов, первый выход которого соединен с первым управляющим входом блока 3 счетчиковимпульсов, первый вход блока 5управления является входом б запускаустройства, второй вход соединенс выходом генератора 7 тактовых импульсов, первым управляющим входом 5преобразователя 1 напряжения в частоту и первым входом блока 4 формирования временных интервалов, первый . выход в . со вторым управляющим входомпреобразователя 1 напряжения в часто Оту, а второй выход - со входами .,сброса блока 3 счетчиков импульсов,блока 4 формирования временных ин-тервалов и третьим управляющим входом преобразователя 1 напряжения вчастоту, группа выходов с первогопо я -й блока 4.формирования временных интервалов соединена с соответствующей группой управляющих входовблока 3 счетчиков импульсов, а 8 + 1-й 20выход - с третьим входом блока 5управления. Кроме того, устройствосодержит выходные шины (8-1)-(8-8),выходную шину 9 преобразователя напряжения в частоту, шину тактовых импульсов 10, первую шину управления11, шину сброса 12, шины управления(13-1)-(13-Й) блоком 3 счетчиков импульсов,шину окончания преобразования 14. Преобразователь 1 напряжения в частоту (фиг.З) содержитоперационный усилитель 15, параллельно соединенные конденсатор 16 и аналоговый ключ 17, подключенные междуинвертирующим входом и выходом опера.З 5ционного усилителя 15, выход которого подкпючен к инвертирующему входукомпаратора 18, неинвертирующий входкоторого соединен с неинвертирующимвходом операционного усилителя 15 и 40общей шиной устройства, а выходсоединен с 2 -входом тактируемого,3-триггера 19, С-вход которого соединен шиной 10 с выходом генерато-;1ра 7 тактовых импульсов,-вход - 45с шиной сброса 12, а прямой выход -с управлякяцим входом разрядногоключа 20 и выходной шиной 9 преобразователя напряжения в .частоту, вход 2 устройства через резистор 21 соеди 5 О иен с инвертирующим входом операцион ного усилителя 15 и входом разрядного ключа 20, выход которого через источник разрядного тока 22 соединен с шиной 23 отрицательного источника 55 питания, управляющий вход аналогового ключа 17 соединен с первой шиной11 управления. БлоК 3 счетчиков импульсов содержит логические элементы И (24-1)-(24-Я), первые входы которых соединены с выходной шиной 9 пр еобра 3 ова теля 1 напряжения в часто. ту, вторые входы соединены с шинами (13-1)-(13-1) управления блоком 3 счетчиков импульсов, а выходы - с С-входами счетчиков (25-1) -(25-й) им. пульсов, 1 -входы соединены с шиной сброса 12, а группа выходов каждого счетчика образует группу выходных шин (8-1) -(8-й) устройства (в частном случае, приведенном на фиг, 3, кажцый счетчик импульсов (25-1)- (25-М) реализован на тактируемом Э-триггере, включенном в счетномрежиме, при этом количество счетчиков импульсов равно числу разрядов выходного кода устройства). Блок 4 формирования временных интервалов содержит управляющий счетчик 26 импуль.сов, С-вход которого соединен шинойтактовых импульсов 10 с выходомгенератора 7 тактовых импульсов,1-вход - с выходом инвертора 27,вход которого соединен сшиной сброса 12, Выход с2 по 6 1, соединены с адресными входами постоянного запоминающего устройства 28, выходы которого соединены с шинами (13-1)- (13-Н) блока 3 счетчиков импульсов,выход 3соединен через диффер енцирующую цепь 29 с шиной окончания преобразования 14Блок 5 управления содержит Й 5 -триггер 30, 5 -вход кото, рого соединен со входом запуска 6 устройства, 1 -вход - с я +1-м выходом блока 4 формирования временных,интервалов и 8 -входом третьего тактируемого 2 -триггера 31, а 9 -выходс.8 -входами первого и второго тактируемых 2 -триггеров 32 иЗЗ и 2 -вхо.дом третьего тактируемогоц -триггера 31, Ч -выход которого соединен с пер-,вым выходом блока 5 управления, аС-вход соединен с 9 -выходом первоготактируемого 2 -триггера 32, Э -входи Ц -выход которого соединены совторым выходом блока 5 управленияи С"входом второго тактируемого0-триггера 33, Я -выход которого соединен с первым входом логическогоэлемента И 34, второй вход которогосоединен с выходом генератора тактовых импульсов 7, а выход-с С-входом первого тактируемого Э- триггера 32Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.11323 20 Код старших разрядов при этом формируется до окончания цикла преоЦ 7На входе 2 преобразователя 1 установлен аналоговый сигнал. При поступлении на вход 6 блока 5 сигнала запуска (фиг.2 а) и первого тактового импульса от генератора 7 на вто ром входе блока 5 формируется сигнал сброса (фиг.2),:длительность которого равна периоду тактовых импульсов. По сигналу сброса устанавливаются в "О" счетчики блоков 3 и 4 и О Э-триггер преобразователя 1. В течение длительности импульса сброса интегратор преобразователя 1 устанавливается в исходное состояние "Вьи "выхмахе(фиг.2 и Н). С выхода 5 преобразователя 1 в блок 3 по шине 9 поступают тактовые импульсы (фиг,2 е ), которые проходят на тактовые входы всехЫ -триггеров (25-1)-(25-Ы) через элементы И (24-1)-(24-Я), на вторые входы которых по первому тактовому импульсу поступают сигналы управления из блока 4 (фиг. 2 А, , И, шины (13-1) - (1 З-М). Длительность сигналов управ1ления для-го триггера составляетМфлТ, = 2 " где 2 - период следования тактовых импульсов,= 1-. Выходные сигналы триггеров приведены на,фиг, 21, й и,й. При поступлении З 0 с выхода преобразователя 1 импульса в течение интервала В -1 триггер 25-1 блока 3 установится в состояние "1" (фиг.2 К ), а при меньшем входном сигнале (фиг.2 н ) триггер 25-1 останется в состоянии "О" (фиг.2 й). Таким образом, оказывается сформированным старший разряд выходного кода устройства. Триггер 25-. 2 осуществляет счет импульсов с выхода преобразователя 1 в :ечение интервала 1 -1, Далее процесс формирования выходйого кода происходит аналогично,до формирования младшего разряда выходного кода. По заверше нии интервала преобразования (фиг.2) блок 4 вырабатывает сигнал окончания интервала преобразования (фиг. 20) который поступает по шине 14 на блок 5, На первом выходе которого появляется сигнал обнуления ннтегра тора преобразователя 1. Поступление импульсов по шине 9 прекращается, на шинах (13-1)-(13-Н) устанавлива)отся нулевые сигналы, а на выходах блока 55 3 присутствует код входного сигнала 57 8разования и может быть сразу же отправлен на обработку, причем автоматически организуется последовательный вывод информации, чем и достигается расширение функциональных возможностей устройства, В известном устройстве 21 информация может быть получена только по окончании полного цикла преобразования.Преобразователь 1 (фиг.3) работает следующим образом.При поступлении логического "О" со второго выхода блока 5 на й -вход П-триггера 19 появляется сигнал "1" на его выходе Ч . Одновременно с первого выхода блока 5 поступает "О",. осуществляннций размыкание ключа 11Интегратор, построенный на усилителе 15, конденсаторе 16 и резисторе 21, на щнает интегрирование разности разрядного и входного токов в течение длительности периода тактовых импульсов(фиг.2 , момент О-о ). При этом напряжени 6 на выходе усилителя 15 становится равнымэхЭЫх мах С "Ъгде1 - значение разрядногатока источника 22;Хзхцв /Я - Входной токЦ в в . входное напряжение;К - . сопротивление резистора 21,При поступпении первого тактовогоимпульса на выходе Я триггера 19устанавливается "О", разрядный .ключ20 размыкается, генератор 22 отключается от входа усипителя 15, напряжение на выходе которого начинаетуменьшаться. При достижении этимнапряжением "О" на выходе компарато.ра 18 появпяется "1" и при поступлении на С-вход триггера 19 тактовогоимпульса на его выходе Ф появляется"1", замыкается ключ 20 и начинаетсяинтегрирование величины 1 р - 1 . По8 Хследунн 4 ему тактовому импульсу состояние триггера 19 изменяется на "О",и тем самым на выходе преобразователя1 формируется импульс длительностьюДалее процесс повторяется. Вход-ное напряжение преобраэоВателя ока-зывается пропорционально средней частоте следования импульсов по шине 9Блок 5 осуществляет по первому выходу формирование сигнала раэмы9 1132кания ключа 1.7 на время Т + , а по второму выходу - формирование сигнала сброса длительностьюследуют щим образом. Сигнал запуска поступает на-вход О-триггера 30, при этом на его выходе Я появится "1", которая подготавливает срабатывание третьего 2 -триггера 25 и вызывает установку. первого и второго 2-триггеров 32 и 33 по выходам Ц в состоя- . 10 ние "1", что открывает элемент 34 И Для поступления тактовых импульсов от генератора 7. Поступление "нулевого" тактового импульса (фиг,2 г ) вызывает переброс триггера 32 в 15 состояние Я = 1,= 0 (шина 12). О-триггер 31 устанавливается при этом по выходу О в "0", Первый тактовый импульс вызывает обратный переброс 2 -триггера 32, на его выходе ф (шина 12) появляется сигнал "1"(сформирован сигнал сброса, фиг.2 5 ). что в свою очередь вызывает перебросР-триггера 33 по выходу 4 в состояние "0", элемент 34 И закрывается 25 и не пропускает тактовые импульсы. При поступлении сигнала по шине 14 окончания преобразования 75-триггер 30 и 2 -триггер 35 перебрасываются, при этом на Ц-выходе последнего появляется "1" (сформирован сигнал замыкания ключа 17), а на -выходах 2-триггеров устанавливается состояние 1. При поступлении нового импуль. са запуска процесс повторяется.Блок 4 осуществляет формированиеуправляюпрх сигналов фиксированной длительности для блока 3. Управляющий счетчик 26 сбрасывается в "0" пошине 12 и далее осуществляет счет тактовых импульсов. Постоянное запоминающее устройство 28 осуществляет дешифрирование состояний управляющего счетчика 26 и формирует навыходных шинах (13-1)-(13-Ц) управ 45 ляющие сигналы длительностью 2 ф(фиг.2 й, , О )Блок 3 осуществляет счет импульсов с выхода преобразователя 1, который г.роисходит при подаче на управ ляющие входы блока 3 сигналов "1"..В качестве базового объекта принят аналого-цифровой преобразователь 21,. Указанное устройство по сравненйю с предлагаемым обладает рядом суще 55 ственных недостатков, а именно считы"357 10 ванне выходного кода с него возможно только после окончания циклапреобразования, т,е. состояние ни.одного иэ разрядов выходного кодане определено до окончания циклапреобразования. Современные цифровыепроцессоры производят обработку информации по 2, 4, 6 разрядов и втом случае, если бы аналого-цифровойпреобразователь обеспечил выдачукода группами по указанному числуразрядов до окончания цикла преобразования, то время обработки информации для системы аналого-цифровойпреобразователь-процессор существен.но снизилось. Предлагаемый аналогоцифровой преобразователь позволяетустранить укаэанный недостаток базового объекта. Кроме того, отпадает необходимость введения дополщтельного интерфейса для связи с цифровыми процессорами, так как предлагаемое устройство позволяет легкоизменить длину групп выходного кода,основание счета группы и т.д, Приэтом реализация изобретения позволяет повысить помехоустойчивость аналого-цифровбго преобразователя, Сбоив работе алгоритма АЦП происходятв основном из-за сбоев счетчика импульсов и вероятность сбоя максимальна для триггера младшего разряда 1выходного счетчика. Поскольку в базовом устройстве возможен перенос импульса по всему счетчику вплоть до его старшего разряда, то любой сбойв младщем разряде может изменить и состояние старшего разряда выходного кода. Старшие разряды кода в данном изобретении не связаны с млад. шими, счет импульсов в них происходйт за меньше промежутки времении вероятность сбоя в старших разрядах существенно ниже, чем в базовом устройстве. Таким образом, введение в известное устройство генератора тактовых импульсов, блока управления, измене. ние конструкции преобразователя напряжения в частоту и блока формирования временных унтервалов позволило существенно расширить функциональные возможности устройства при одновременном повышении его помехоустойчивости,