Устройство для аналого-цифрового преобразования

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 142582 4 Н 03 М 1/1 ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРС ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Новосибирский электротехнический институт(56) Микропроцессорные средства исистемы, 1985, Р 1, с.75-77, рис.1.Коломиец О.М, и др. Автоматический выбор диапазона измерений в цифровых приборах, 1980, с 9.-21,рис.3(57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования быстроизменяющихся аналоговых сигналов в цифровой код, Изобретение позволяет повысить точностьпреобразования параллельных ЬЦП, вкоторых с помощью суммирующего усилителя, ключей, трех постоянных запоминающих устройств и регистра памятипроизводится адаптивный выбор диапазона преобразования. 2 з.п. ф-лы,2 ил. 4 табл.Изобретение относится к областиавтоматики и вычислительной техникии может использоваться для преобразования быстроизменяющихся аналоговых сигналов в цифровой код.Цель изобретения - повышение точности преобразования,На фиг. 1 приведена структурнаясхема устройства; на фиг. 2 - временОные диаграммы, поясняющие его работу.Устройство содержит тактовую шину (ТИ) 1, входную шину 2 (11 . ),блок3 изменения координаты положения, вьполненный на суммирующем усилителе4 и ключах 5-7, аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) 8 с шиной 9опорного напряжения, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10, блокуправления, выполненный на двух постоянных запоминающих устройствах(ПЗУ) 11 и 12 и регистре 13 ЙП) намяти фП р и м е р. В качестве параллельного АЦП 8 можно использовать микросхему серии 1107 ПБ 1, Динамическийдиапазон изменения входного сигналадля 1107 ПВ 1 равен 0-2 В, поэтому Е,-2 Б. Суммирующий усилитель можно выполнить на операционном усилителе сдополнительным повторителем по выходу. Для защиты микросхемы 1107 ПВ 1 повходу необходимо обеспечить ограничение выходного напряжения суммирующего усилителя при превышении выходного напряжения нулевого значения в 35положительную сторону и при 0 ц( -2 В,т,е, диапазон изменения выходногосигнала суммирующего усилителя должен лежать в пределах от 0 до -2 В.4 ОУстройство работает следующим образом,Алгоритм работы устройства (фиг.2) основан на том, что его динамический диапазон входных сигналов Ппо сравнению с динамическим входным диапазоном АЦП параллельного типа увеличен в 4 раза и разбит на 4 поддиапазона: 1 поддиапазон - изменение 11 от О до Е ; 2 поддиапазон - от Е5 О до 2 Е,; 3 поддиапазон - от 2 Е до( ЗЕ ; 4 поддиапазон - от ЗЕ до 4 Е.Каждый поддиапазон кодируетсядвумя разрядами, которые являютсястаршими разрядами по отношению к иразрядам параллельного ЬИП 8, последующему закону;Поддиапазоны 1 2 3 4 Разряд и+1 0 1 0 1 Разряд п+2 О 0 1 1 При изменении 08 от О до Е в 1поддиапаэоне старшие цва разряда равны нулю, а младшие разряды определяются параллельными АЦП 8, при этомвсе аналоговые ключи разомкнуты. При08 =Е (граница поддиапазона) АЦП 8формирует на выходе код, содержащийединицы во всех разрядах - признакпереполнения. По этому признаку включается первый аналоговый ключ .5 и навход суммирующего усилителя поступает компенсирующее напряжение Е, Поэтому при изменении Пот Е 0 до 2 Е,напряжение на входе АЦП 8 изменяется снова от О до Е. Значения имладших разрядов определяются АЦП 8,а в и+2 и и+1 разрядах формируетсякод 01, соответствующий 2 поддиапазону. При 11=2 Е АЦП 8 снова формирует признак переполнения. по которому включается второй аналоговый ключб (первый остается замкнутым), добавляющий еще одно компенсирующее напряжение Е,. Поэтому при дальнейшемизменении 11 от 2 Е, дс ЗЕ, напряжение Цизменяется толькоот Одо Е .В третьем поддиапазоне в г+2 и и+1 разрядах устройства устанавливается комбинация 10, а младшие разряды формируют АЦП 8 в зависимости от величины Ц, на его входе,При достижении Ц=ЗЕ, АЦ."1 8 формирует еще раз признак переполнения,по которому включается третий аналоговый ключ 7 (и.рвый и второй остаются замкнутыми), добавляющий еще одно,компенсирующее напряжение (третье)Е , Поэтому при дальнейшем изменении11 от ЗЕ 0 до 4 Е напряжение опятьварьирует только от 0 до Е, В этом4 попдиапазоне в и+2 и и+1 разрядахустанавливается комбинация 11, амладшие разряды формируются АЦП 8в зависимости от величины П на еговходе. Рассмотрим теперь обратный ход переключений. Если при изменении Цв 4 поддиапаэоне (третьем или втором процессы аналогичны) достигается значение 0=ЗЕ (2 Е, или Е,), на входе АЦП 8 напряжение 0=0 и на его выходе формируется нулевой код - призсоответствует в шестнадцатиричном ко де ЗГ, производится считывание комбинации 1 О, которая изменит адресный код ПЗУ 12. На адресных шинах ПЗУустановится код 00000010 и производится считывание из данного ПЗУ кодовой комбинации 00000001 (табл.2), прошивка ПЗУ 12, адрес 02). Сигнал уровня логической "1", снимаемый с младшего разряда ПЗУ 12, откроет первый аналоговый ключ 5, при помощи которого производится подключение компенсирующего напряжения -Е к входу суммирующего усилителя 4. Тем са ым сигнал на входе АЦП 8 (фиг.2 б, момент времени С, )изменится на величину Е кроме того, в момент времени 1 код с шести младших разрядов ПЗУ 12 по заднему фронту тактового импульса записывается в РП 13. Пегистр памяти 13 введен в схему АЦП для устранения гонок , возникающих в ПЗУ 12 при смене адресного кода. Код, записанный в РП 13 (000001),поступает на адресные шины третьего ПЗУ 12. На адресных шинах ПЗУ 12 установится новая кодовая комбинация 00000110, что соответствует адресу 06 прошивки ПЗУ 12. Из ПЗУ 12 производится считывание кодовой комбинации 09, что соответствует двоичному коду 00001001. Состояние ключей не изменится. После компенсации входного сигнала выходной код параллельного АЦП 8 черезодин такт преобразования (так как преобразователь 1107 ПВ 1 выполнен по конвейерной схеме и имеет задержку в один такт) отличается от единичного кода. Соответственно выходной код ПЗУ 11 станет равным 00, а адресный код ПЗУ 12 - 00100100, что соответствует коду 24 в шестнадцатиричной системе счисления. По этому адресу из ПЗУ 12 считывается комбинация 51, что соответствует коду 01010001 в двоичной системе счисления. Полученный код записывается в РП 13. На его выходе установится код 010001, а на адресных входах ПЗУ 12 - код 01000100. По этому адресу 44 вновь считывается комбинация 51, что соответствует коду 01010001. Состояние ключей не изменяется, так как в младшем разряде кода присутствует " 1". Уровень логической "1". в седьмом разряде выходного кода ПЗУ 12 участвует в Формировании окончательного выходного кода АЦП при 50 3 142582нак перехода в более низкий поддиапазон. При этом третий аналоговыйключ (второй или первый) отключаетодно из трех компенсирующих напряжений Е, (второе или третье), В результате чего устройство переходитиз 4-го в 3-й (из 3-го во 2-й илииз 2-го в 1-й) поддиапазон со сменойкода в и+2 и и+1 разрядах.Выявление нулевой и единичной комбинаций производится с помощью дев:ифратора двух кодовых комбинаций,построенного на ПЗУ 11,Управление включением и отключением аналоговых ключей 5-7 и Формирование значений и+1 и п+2 разрядовпроизводится с помощью ПЗУ 12 и РП13, При Ц, =Е (или кратном Е,) довключения первого аналогорогэ ключа(второго или третьего) уровню ,соответствует кодовая комбинация00111111, если АЦП 8 имеет 6 разрядов (или 01111111, или 10111111),а после включения ключа этому же 25уровню соответствует кодовая комбинация 01000000 (или 10000000, или11000000), т,е, возникает неоднозначйость преобразования, что превращаетустройство в практически неработоспо- ЗОсобное. Для устранения неоднозначности в устройстве содержится преобразователь кодов, построенный на ПЗУ 10.Рассмотрим работу АЦП более подробно, В исходном состоянии РП 13ЗБнаходится в нулевом состоянии (установка в "0" не показана), аналоговыеключи 5- закрыты. На вход устройства поступает сигнал П (Т) (Фиг.2 а) .ри помощи тактовых импульсов, поступающих на тактовой шине, задаетсяшаг дискретизации аналого-циФровогопреобразования по времени, Параллельный АЦП 8 обеспечивает преобразование ВходнОГО сиГнала В код В динами 45ческом диапазоне от 0 до -Е=-2 В.Поэтому до момента времени , АЦП 8производит преобразование дискретныхотсчетов аналогового сигнала в шестиразрядные цифровые коды. В моментвремени , входной сигнал достигнетграницы динамического диапазона АЦП 8и на всех его выходных шинах сформируются сигналы уровня логической"1". Выходной код АЦП 8 является адресным кодом для ПЗУ 11. Прошивкасостояний ПЗУ 11 (табл.1) показывает,что при наличии на адресных шинахединичной кодовой комбинации, чтопомощи ПЗУ 10, которое введено в схему АЦП для устранения неоднозначности аналого-цифрового преобразования, так в результате преобразования в моменты подключения компенсирующего напряжения возникают кодовые комбинации 00111111 и 01000000, соответствующие : одному и тому же уровню входного , сигнала, что приводит к снижению точ" ности преобразования. При помощи ПЗУ 10 производится перекодировка коца АЦП 8 и двух старших выходных разрядов ПЗУ 12 для устранения этой неоднозначности преобразования. Работа ПЗУ 10 поясняется таблицей прошивки ПЗУ 10 (табл. 3 и 4). В промежуток времени С - С сигнал на входе АЦП 8 изменяется в динамическом диа.пазоне от 0 до -Е, что является не обходимым условием для нормальной работы параллельного АЦП 8. В дальнейшем при монотонном увеличении сигнала АЦП работает аналогично. Переходы через значения 2 Е и ЗЕ вызывают срабатывание соответствующего ключа 6 или 7, что приводит к приведению входного сигнала в требуемый динамический диапазон (фиг, 26, момен ты времении 1), одновременно изменяются значения старших разрядов кодовых комбинаций АЦП. При монотонном уменьшении входного сигнала алгоритм работы АЦП аналогичен рассмотренному, только отключение аналоговых ключей 5-7 производится в обратном порядке и изменение кодировки старших разрядов происходит при нулевых значениях разрядов параллельного АЦП. Например, рассмотрим переход в момент времени . В промежутке времени г. - й на выходных шинах ПЗУ 11 присутствует нулевая кодовая комбинация так как выходной код АЦП 8 отличен от нулевого, и от единичного. Бсе ключи замкнуты, так как в трех младших разрядах выходного кода ПЗУ 12 присутствуют сигналы уровня логической " 1", и в двух старших его разрядах также присутствуют сигналы уровня логической "1", это означает, что АЦП производит преобразование сигнала в диапазоне ЗЕ- 4 Е. Вследствие этого выходной код ПЗУ 12 имеет вид 11011111. В РП 13 запишется комбинация 011111. В момент временина выходе ПЗУ 11 сформируется кодо" вая комбинация 01 в силу того, что на выходе АЦП 8 в этст момент време- . ни присутствует нулевая комбинация.Тогда на адресных шинах ПЗУ 12 присутствует кодовая комбинация01111101, что соответствует адресуСЮ. 11 о этому адресу из ПЗУ 12 считывается код ЕЗ, что соответствуеткомбинации 1110001. Так как в третьем младшем разряде сформировался10 сигнал уровня логического 0, тоключ 7 отключит от входа суммирующего усилителя 4 компенсирующеенапряжение -Е. На следующем тактепреобразования код на выходе ПЗУ 11не изменится, так как АЦП 8 имеет за,цержку в преобразовании на один такт.В РП 13 запишется код 100011, Тогдаадресным кодом ПЗУ 12 является код10001101, что соответствует адресу80. Из ПЗУ 12 производится считывание кода ЕЗ, что соответствует комбинации 11101011,На следующем такте преобразованиявыходной код ПЗУ 11 станет нулевым25 в силу того, что выходной код АЦП 8станет отличным от нулевого. В РП 13запишется код 101011. Тогда адреснымкоцом ПЗУ 12 будет код 10101100, чтосоответствует адресу АС, и на выходе30 ПЗУ 12 установится код 9 В, что соответствует комбинации 10011011, Седьмой разряд кодовой комбинации принялнулевое значение, а два младших остались прежними, т,е. состояние аналоговых ключей не изменилось. В даль 35нейшем с момента времени г допроизводится обычное аналого-циФровоепреобразование от-.четов входногосигнала при помог, параллельногоАЦП 8, так как входной сигнал изме 0няется в диапазоне от 0 до -Ео, Набазешестирязряцного АЦП, используяпредлагаемое устройство, можно построить восьмиразрядный АЦП за счетрасширения динамического диапазона45входного сигнал, что приводит к повышению точности преобразования.При использовании предлагаемогоустройства можно получить практичес 50ки любую разрядность АЦП.Возможность обработки разнополярных сигналов может быть достигнутавведением постоянного смещения суммирующего усилителя 4, При помощипрошивки ПЗУ 10, производится автома 56тическое вычисление кода смещения суммирующего усилителя и устранение неоднозначности преобразования уровнейна границах перехода Е, 2 Е н ЗЕ,1425828 Таблица 1 Т 11 л в с в Гг 0 1 2 3 4 6 7 00 0 0 0 0 О О О 0 О 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 О 0 0 0 0 0 0 О 0 0010 3 Формула изобретения 1. Устройство для аналого-цифрового преобразования, содержащее аналого-цифровой преобразователь, тактовый и опорный входы которого являются соответственно тактовой и опорной шинами, а информационный вход соединен с выходом блока изменения координаты положения, информационныйвход которого является входной шиной,группа управляющих входов соединенасоответственно с первыми выходамиблока управления, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью говышенияточности преобразования, в него введено постоянное запоминающее устройство, первые и вторые входы которо,го подключены соответственно к соответствующим выходам аналого-цифрового преобразователя и к соответствуюпдм вторым выходам блока управления,а выход является выходной шиной, причем тактовый вход блока управлениясоединен с тактовой шиной, информационные входы - с соответствующимивыходами аналого-цифрового преобразователя, опорный вход блока изменениякоординаты положения соединен с шиной опорного напряжения,2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что блок изменениякоординаты положения вьцюлнен насуммирующем усилителе и трех ключах,35выходы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьимвходами суммирующего усилителя, чет.;ертый вход которого является инфорционным входом блока, группой улр;:ля гчх входов которого являютсяуправляющие входы соответственно первого, второго н третьего ключей, информационные входы которых объединень и являются опорным входом блока,а его выходом является выход суммируюше, о усилителя,3, Устрой"тно по п,1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что блок управления выполнен на двух постоянных запоминающих с-стройствах и регистре памяти, первая и вторая группы информационных входов которого соединены с соответстств юдц выходами первой и второй группы выходов первого постоянного запоминающего устройства, и первая группа выходов является первыми выходами блока, вторыми выходами которого является третья группа выходов первого постоянного запоминающего устройства, первая группа входов которого соединена с соответствующими гыходами регистра. памяти, а вторая группа входов - с соответствующими выходами второго постоянного запоминающего устройства. входы которого являются информационными входами блока, тактовим входом которого является вход синхронизации регистра памяти,1425828 Т а б л и ц а 2 б 7 8 9 А В С В Е Р 0 1 2 3 4 5 0 00 00 01 00 ОО 00 09 00 ОО 00 00 00 00 ОО 00 00 1 00 00 00 ОО ОО 00 ОО ОО ОО 00 00 00 9 В 9 В 8 9 В 2 . 00 ОО ОО 00 51 51 51 51 00 РО ОО 00 51 51 53 51 3 ОО 00 00 ОО ОО 00 00 00 00 00 00 00 ЭР ПГ 97 0 Р 4 00 00 00 ОО 51 60 4 В 51 00 00 00 ОО 9 В 9 В 9 Б 9 В 5 00 00 ОО 00 ОО ОО 00 00 00 00 00 ОО РР РР ВР ЭР 6 00 ОО 00 00 00 ОО 00 00 ОО 00 00 00 9 В А 1 87 9 В 7 00 ОО 00 00 ОО 00 00 00 00 00 ОО 00 БР ЕЗ ПГ РГ 00 68 00 ОО 51 А 9 5 1 5 1 ОО 00 00 00 РР ЕВ ЭГ ПР 9 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ОО 00 00 00 00 00 00 А 00 ОО 00 00 51 51 51 51 ОЬ 00 ОО 00 9 Б 9 В 9 В 9 В В ОО 00 ОО 00 00 00 00 00 00 ОО 00 00 00 00 00 00 С 00 00 ОО 00 00 00 00 ОО 00 00 00 00 00 00 00 00 Э 00 00 00 00 00 ОО 00 00 00 00 00 00 00 00 . 00 00 Е 00 00 00 00 00 00 00 ОО 00 ОО ОО ОО 00 00 ОО 00 Р 00 00 00 00 00 ОО ОО ОО 00 00 00 00 ОО ОО 00 00 Таблица 3 4 РЗ Г 2 Р 1 РО ЕР ЕЕ ЕЭ Е 10 РВ РА 7 Еб Е 5 Е 4 ЕЗ 1 ЕО РГ ЭЕ 1 ЕБ ЕА Е 2 Р 1 РО СР СЕ СЭ СС 2 С 1 СО ВР ВЕ ВР ВС 6 05 М РЗ ВВ Р С 9 С 8 С 7В ВА В 9 В 8 Б СА 3 В 2 В 1 ВО АР Вб В 5 90 А 5 А 4 АЗ А 2 А 1 АО АА А 9 А 2 91 90 8 А 99 98 97 96 95 94бл 6 6 С бР бЕ 7 С 7 Р 7 7 А л Е Р 8 С 91 92 93 Е 8 Р Е 9 Р АО А 1 Л 2 АЗ А 4 В 1 В 2 ВЗ В АР АР О С 1 С 2 СЗ В 8 0 9 сл Рб РР ЕО Е 1 Е 2 С РР ЕЕ ЕР РО Р 2 РЗ 9 ОО О 1 О РР РЕ Е ОР 10 07 21 22 0 31 3 40 41 ЗС А б Р 4 50 ,5 4 7 5 Р 5 А 5 В 6 В бС 6 Р 6 Е б 7 В 7 С 7 Р Е 7 69 8 62 7 52 62 63 73 лб Вб 53 63 65 75 8 А 9 А АА 8 Б 9 В АВ о Л 84 83 О 31 32 0 41 421425828 Юл.тах рректор Г.Решетняк едактор Л,Гратилло писно Заказ 47 оизводственно-полиграфическое предприятие ВНИИПИ Го по дела 113035, Моск