Адаптивный аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУ БЛИН А 1 М 118 50 4 САНИЕ ИЗОБРЕТЕН от хниВ.Беляев, Л.ГО.И.Пасковатыи вСССР 970. ССР 977. ОВОЙ выч именят нного ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ТОРСКОМУ СвйДЕП:ЛЬСТВУ(71) Новосибирский электр еческий институт(57) Изобретение относитсялительной технике и может пся,цля преобразования мгнов значения сигнала в цифровой код ипри передаче информации по каналамсвязи с обработкой ее в цифровомвиде. Целью изобретения является повышение стабильности амплитуды и формы выходного сигнала в цифровом эквиваленте при изменении входного сигнала. В преобразователь, содержащийдва компаратора 1 и 2, реверсивныйсчетчик 6, преобразователь 7 код -напряжение, введены два Э-триггера3 и 4, элемент 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,блок 11 ограничения, числовой детектор 12, пороговое устройство 13, интегратор 14, блок 15 регулированияопорного напряжения и усилитель 18опорного напряжения. 2 э.п. ф-лы,8 ил.1288910 30 35 40 45 50 Изобретение относится к вычислительной технике и может применятьсядля преобразования мгновенного значения сигнала в цифровой код и припередаче информации по каналам связи с обработкой ее в цифровом виде.Цель изобретения - повышение стабильности амплитуды и формы выходного сигнала в цифровом эквивалентепри изменении входного сигнала,На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого адаптйвногоаналого-цифрового преобразователя;на фиг.2 - эпюры напряжений в различных точках устроиства в контуре,ч15осуществляющем преобразование аналог - цифра (нормальный режим); нафиг,З - эпюры напряжений в различныхточках устройства в контуре, осуществляющем преобразование аналог - цифра, когда опорное напряжение меньшесигнала (начинается ограничение).; нафиг.4 - варианты соотношений амплитуд входного сигнала и опорного напряжения при включении преобразователя; на фиг.5 - эпюры напряжений враэлйчных точках устройства при изменении величины опорного напряжения (опорное напряжение увеличивается); на фиг.6 - то же (опорное напряжение уменьшается); на фиг.7принципиальная схема блока ограничения; на фиг.8 - принципиальная схемачислового детектора.Ппеобразователь (фиг.1) содержитпервый 1 и второй 2 компарат оры,0-триггер 3 верхнего уровня, П-триггер 4 нижнего уровня,:элемент ИСКЛЮЧА 10 ЩЕЕ ИЛИ 5, первый реверсивныйсчетчик 6, преобразователь 7 код -напряжение, выполненный на мультиплексоре 8, первую 9 и вторую 10 резистивныематрицы типа КК, блок 11ограничения, числовой детектор 12,пороговое устройство 13, интегратор14, блок 15 регулирования опорногонапряжения, выполненный на второмреверсивном счетчике 16 и цифроаналоговом преобразователе 17, усилитель18 опорного напряжения.Блок 11 ограничения (фиг.7) содержит первый 19 и второй 20 элементыНЕ и первый 21 и второй 22 элементы И.Числовой детектор 12 (фиг.8) содержит (и)-е элементы ИСКЛЮЧА 1 ЩЕЕИЛИ 23 и 24, где п - число разрядоввыходного кода преобразователя, иэлемент НЕ 25. 2Устройство работает следующим образом.Адаптивный аналого-цифровой преобразователь состоит из двух следящих контуров и при этом первый контур содержит первый 1 и второй 2 компараторы, П-триггеры верхнего 3 и нижнего 4 уровней, элемент ИСКЛЮЧАЮЦ 1 ЕЕ ИЛИ 5, первый реверсивный счетчик 6, преобразователь 7 код - напряжение и выполняет преобразование аналог - цифра, а второй контур содержит выходы разрядов первого реверсивного счетчика 6, блок 11 ограничения, числовой детектор 12, пороговое устройство 13, интегратор 14, блок 15 регулирования опорного напряжения, выполненный на реверсивном счетчике 16 и цифроаналоговом преобразователе 17, усилитель 18 опорного напряжения, соответствующие информационные входы мультиплексора 8 и управляющие входы резистивных матриц типа РЕ и выполняет изменение опор- ного напряжения так, чтобы величина цифрового эквивалента выходного напряжения оставалась постоянной. Рассмотрим работу первого контура, Пусть на неинвертирующие входы первого и второго компараторов поступает верхняя полуволна измеряемого сигнала (фиг.2 и 3), Поступающие на инвертирующие входы компараторови 2 с выхода преобразователя 7 код - напряжение потенциалы отличаются на величину, соответствующую выходному напряжению младшего разряда, потому что на управляющие входы резистивных матриц типа ЕК (фиг,1) подают-, ся одинаковые по величине, но разные по знаку напряжения (в качестве отрицательного напряжения можно подавать нулевой уровень, но тогда отрабатываемый диапазон будет в два раза меньше). При этом на инвертирующий вход первого компаратора 1 подается более положительный сигнал. Как только входной сигнал на неинвертирующем входе второго компаратора 2 превысит потенциал инвертирующего входа, на выходе компаратора 2 появится высокий потенциал "1" (фиг.2 в, Зв), По заднему фронту импульсов такты(фиг.2 а, За) это состояние компаратора 2 переписывается в В-триггер 4 нижнего уровня (фиг.2 д, Зд)Измеряемый сигнал продолжает увеличиваться и в какой-то момент его ве 1288910личины превысит потенциал инвертирующего входа первого компаратора 1 и на выходе этого компаратора также появится высокий потенциал "1" (фиг.2 г, Зг). По соответствующему заднему фронту импульсов "Такты" это состояние записывается в П-триггер 3 верхнего уровня (фиг.2 е, Зе).При появлении двух "1" на входах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 появля- О ется низкий потенциал на его выходе, а значит, и на входе переноса первого реверсивного счетчика 6. Последний обладает таким свойством, что счет импульсов, поступающих на вход нСложение - вычитание" возможен только тогда, когда на входе пе - реноса стоит низкий потенциал (О) . Несмотря на то, что до этого момента тактовые импульсы поступали, счетчик 6 изменит свое состояние толькотогда, когда на выходе элемента ИСКЛЮЧА 10 ЩЕЕ ИЛИ 5 появится низкий потенциал ("О") (фиг2 ж, Зж) с приходом очередного тактового импульса. Срабатывание счетчика 6 задерживается на какое-то время, но образуется некоторая зона нечувствительности и помехи, которые не превьпдают по амплитуде эту зону, не вызывают О ложных срабатываний счетчика 6 и преобразователя в целом.Новое состояние разрядов первого реверсивного счетчика 6 переписывается в преобразователь 7 код - напря жение. Потенциалы на выходах резистивных матриц 9 и 1 О типа КК изменяются (в данном случае увеличиваются). на величину, соответствующую выходному напряжению младшего разря да и на инвертирующих входах первого 1 и второго 2 компараторов появляются новые потенциалы сравнения. Аналогично преобразователь срабатыва-. ет каждый раз на следующих потенциа лах сравнения на всей восходящей части сигнала (фиг.2 б, Зб). После точки С (фиг.2 б) измеряемый сигнал уже не превьддает потенциал сравнения верхнего уровня, а значит, первый компа .ратор 1 и 0-триггер 3 верхнего уров-. ня остаются в состоянии "О" (фиг.2 г, е, Зг, е). В точке П измеряемый сигнал становится меньше потенциала сравнения на инвертирующем входе 55 второго компаратора 2. На выходе его появляется низкий потенциал "О" который по заднему фронту импульсов "Такты" переписывается в Э-триггер 4 нижнего уровня (фиг.2 в, д, Зв, д). На выходах 0-триггеров верхнего 3 и нижнего 4 уровней устанавливаются низкие потенциалы ("О"), а значиг создаются условия для смены первым счетчиком 6 своего состояния 1 С приходом очередного импульса Такты по его переднему фронту число в первом счетчике 6 уменьшается на еди-ницу, а значит, меняются выходные напряжения преобразователя 7 код - напряжение и на инвертирующих входах первого и второго компараторов появляются новые потенциалы сравнения.Так работает предлагаемый адаптивный аналого-цифровой преобразователь, если выполняется соотношение1.оп= Асегнгде А , - амплитуда измеряемогосигнала;Ю- выходное напряжение младшего разряда преобразователя 7 код - напряжение;М - число разрядов первого рейерсивного счетчика 6.В реальных условиях такое совпадение бывает редко, особенно если аналого-цифровой преобразователь работает в канале связи, Амплитуда сигнала меняется и устройство должно эти изменения отработать. Поэтому рассмотрим как предлагаемое устройство работает в режиме стабилизации выходного сигнала.Пусть справедливо соотношение 613 ИА ,. Опорное напряжение мало, в первом счетчике один записывается максимальное число, но входнойсигнал больше сигнала преобразователя 7 код - напряжение. Если первый счетчик 6 сосчитает следующий импульс, то он сбросится в нулевое состояние. Для предотвращения этого существует блок 11 ограничения, который, используя старший разряд и перенос первого реверсивного счетчика (фиг.Зз) дешифрует это состояние и вырабатывает импульс для установки Э-триггера 3 верхнего уровня в "О" (фиг.Зи). По диаграмме состояния элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 следующий импульс на сложение уже не пройдет на вход первого реверсивного счетчика 6, потому что на входе переноса этого счетчика (на выходе элемента ИС 1288910КЛ 1 ОЧА 1 ОЩЕЕ ИЛИ 5) будет стоять "1" и первый счетчик 6 не будет считать. Если сменится знак первой производной сигнала (нисходящая часть сигнала), то сработает второй компара тор 2 (фиг.Зд). Его состояние ("О") запишется в П-триггер нижнего уровня. После этого на выходе элемента ИСКЛ 1 ОЧА 1 ОЩЕЕ ИПИ 5 установится "О" и число в первом реверсивном счетчике 6 уменьшится на одну "1", Такой случай, когда Ь 11 Б не намногооцменьше Ас, изображен на фиг.36 и соответствует начальному ограничению. Пусть Ы 30 (с А(фиг,4 а).15 Отсчеты первого реверсивного счетчика 1 поступают в числовой детектор 12. Огибающая сигнала числового детектора 12 показана на фиг.5 а. В результате сравнения с порогом в пороговом устройстве 13 огибающая преобразуется в знаковую функцию, соответствующую положительному и отрицательному заполнению полуволн сигнала (фиг,56 ). Знаковые отсчеты с выхода порогового устройства 13 через интегратор 14 поступают в блок 15 регулирования опорного напряжения.Использование интегратора 14 в адаптивном аналого-цифровом преобразователе связано с характером сигналов, которые могут обрабатываться. Возможны сигналы одной и той же частоты. В этом случае нет необходимос ти обрабатывать каждый отсчет. Можно делать измерения реже. На фиг.5 и 6 показан случай (сигналы различной частоты), когда полуволна сигнала не равна по длительности.40На. сигнал может также действоватьпомеха.Действие последних двух факторов необходимо усреднять, чтобы выявить 45 общую тенденцию поведения. знаковой функции. Поэтому знаковые отсчеты поступают в интегратор 14 с частотой Гд,. После интегратора 14 отсчеты во второй реверсивный счетчик 16 50 блока 15 регулирования опорного напряжения поступают с частотой Е /2,К1 О кт где Е- частота напряжения на входе "Такты", Е - число разрядов интегратора 14. 55Во втором реверсивном счетчике 16 блока 15 регулирования опорного напряжения записывается какое-то число,которое преобразовывается цифроаналоговым преобразователем 17, выходное напряжение которого усиливается усилителем 18 опорного напряженияи представляет собой опорное напряжение.Обозначим Т - число разрядов второго реверсивного счетчика 16 блока 15 регулирования опорного напряжения; ДЕ - выходное напряжение младшего разряда цифроаналогового преобразонателя 17; К - коэффициент усиления усилителя 18 опорного напряжения. Тогда максимальное значение опорноготнапРяжения 11 опта Е 2Кс ф а теку. - щее зависит от числа усредненных знаковых отсчетов, записанных во втором реверсивном счетчике 16. Это напряжение подается в преобразователь 7 код - напряжение и определяет более положительное (на величину выходного напряжения младшего разряда преобразователя 7 код - напряжение) выходное напряжение первой резистивной матрицы типа КК, а также величину всего выходного напряжения преобразователя 7 код - напряжение,Для панного случая (фиг.5) положительное заполнение преобладает на длительности полуволн (фиг.56), и это преобладание определяет рост опорного напряжения (фиг.5 г) до тех пор, пока опорное напряжение не станет равным входному сигналу по амплитуде. Аналогично работает преобразователь в режиме уменьшения опорного напряжения. На фиг.ба-г показан случай слежения за входным сигналом.Таким образом, изменяя числа (отсчеты) во втором реверсивном счетчике 16 с помощью напряжения тактовой шины (фиг,5 в и бв) и изменяя соответствующим образом величину опорного напряжения, удается поддерживать постоянство амплитуды и формы выходного сигнала адаптивного аналого-цифрового преобразователя, Функциональное построение адаптивного аналогоцифрового преобразователя обеспечивает хорошие характеристики. Например, четырехразрядное устройство по данной функциональной схеме обеспечивает постоянство цифрового эквивалента выходного напряжения.при изменении входного сигнала от 8 мВ до 8 В.7 28891Формула изобретения 1. Адаптивный аналого-цифровои преобразователь, содержащий входную шину, два компаратора, преобразователь код - напряжение, лервый реверсивный счетчик, информационные выходы которого соответственно соединены с одноименными входами преобра О зователя код - напряжение и являются выходными шинами, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности амплитуды и формы выходного сигнала в цифровом эквива ленте при изменении входного сигнала, в него введены Р-триггер верхнего уровня, Р-триггер нижнего уровня, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, блок ограничения, числовой детектор, порого О вое устройство, интегратор, блок регулирования опорного напряжения, выполненн.й на последовательно соединенных втором реверсивном счетчике и цифроаналоговом преобразователе, а 25 преобразователь код - напряжение выполнен на мультиплексоре и первой и второй резистивных матрицах типа КК, выходы которых соединены соответственно с инвертирующими входами 30 первого и второго компараторов, выходы которых соединены соответственно с Р-входами Р-триггеров верхнего и нижнего уровней, прямые выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИСКПОЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а прямой вход Р-триггера нижнего уровня соединен с входом Сложение - вычитание первого реверсивного .счетчика, вход пере О носа которого соединен с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, информационные выходы реверсивного счетчика поразрядно соединены с одноименными входами числового детектора, выходы 45 старшего разряда и переноса первого реверсивного счетчика соединены соответственно с первым и вторым входами блока ограничения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом установки в 0 Р-тригггера верхнего уровня и входом установки в "1" Р-триггера нижнего уровня, одноименные информационные входы первой и второй резистивных матриц типа КК объединены и подключены к одноименным информационным входам мультиплексора, первые информационные входы которого объедио8нены с управляющим входом первой резистивной матрицы типа КЕ и соединены с выходом напряжения положитель-, ной полярности усилителя опорного напряжения, вторые информационные входы мультиплексора объединены с управляющим входом второй резистивной матрицы типа ЕК и соединены с выходом напряжения отрицательной полярности усилителя опорного напряжения, управляющие входы мультиплексора являются соответствующими информационными входами преобразователя код - напряжение, выходы числового детектора соответственно соединены с первыми входами порогового устройства, второй вход которого является шиной установки порога сравнения, а выход соединен с первым входом интегратора, выход которого соединен с входом "Сложение - вычитание второго реверсивного счетчика, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом усилителя опорного напряжения, неинвертирующие входы первого и второго компараторов объединены и подсоединены к входной шине, вход синхронизации Р-триггера верхнего уровня объединен с одноименным входом Р-триггера нижнего уровня, со счетными входами йервого и второго реверсивных счетчиков, с вторым входом интегратора и является тактовой шиной.2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок ограничителя выполнен на первом элементе НЕ, вход которого объединен с первым входом первого элемента И и является первым входом блока огра ничителя, а первый выход соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом первого элемента И и соединен с выходом второго элемента НЕ, вход которого является вторым входом блока ограничителя, первым выходом которого является выход первого элемента И, а вторым выходом является выход второго элемента И. 3. Преобразователь по и. 1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что числовай детектор выполнен на иэлементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, где и - число разрядов выходного кода преобразователя, первые входы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и вход элемента НЕ являются входами числового детектора, выходами которого являются выход эле12889 О мента НЕ и выходы элементов ИСКЛК)ЧА 10 ЦЕЕ ИЛИ, вторые входы которых объ йШййййППВ 1 ПКВОПОШЗПЛПЛВЫЛПВШЕ единены и подключены к выходу элемента НЕ,