Аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 03 И ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТОС 0 МУ С ЕПЬСТ 797/24-242.86588, Бюл,овскйй инж 1) 402 2) 27.6) 23.1) Мос 19рно-физически институтГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(57) Изобретение относится к областнинформационно-измерительной техники ипредназначено для использования всистемах сбора и обработки информации различного назначения, в системахавтоматического управления и регулирования. Цель;изобретения состоит всокращении времени преобразования.Аналого-цифровой преобразователь содержит преобразователь 1 напряженияв частоту, генератор 8 тактовых иМпульсов, счетчик 2 тактовых импульсов, блок 3 сравнения кодов, блок 4постоянной памяти, адресный счетчик5, регистр 6 и блок 7 управления.1 з.п. ф-.лы. 6 ил.Изобретение относится к информационно-измерительной те.нике и предназначено для использования в системах сбора и обработки информации различного назначения, в системах автоматического управления и регулирования.Цель изобретения - сокращение, времени преобразования, 10На фиг. 1 приведена структурнаясхема аналого-цифроного преобразователя , на Фиг. 2 - структурная схема преобразователя напряжения в частоту, на фиг. 3 - структурная схемаблока управления, на Фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства (а - сигналы запуска, бсигналы окончания преобразования,в - сигналы сброса, г - тактовые импульсы, д - сигналы на первом выходепреобразователя напряжения в частоту, е - сигнал на выходе блока сравне.ния кодов, ж - сигналы на управляющем выходе блока постоянной памяти, 25з - сигналы на управляющем входе регистра, и - сигналы на нтором управляющем входе адресного счетчика, к -сигналы на первом управляющем входеадресного счетчиа, л - сигналы сбоя), 30на Фиг, 5 - дерево кодов, по которомусоставляется таблица для программирования блока постоянной памяти шестиразрядного аналого -цифрового преобразователя, на Фиг. 6 - формат слова и таблица для программирования35блока постоянной памяти шестираэрядного аналого-цифрового преобразователя.Аналого-цифровой преобразовательсодержит преобразователь 1 напряжения в частоту, счетчик 2 тактовыхимпульсов, блок 3 сравнения кодовблок 4 постоянной памяти, адресныйсчетчик 5, регистр 6, блок 7 управления, генератор 8 тактовых импульсов шину 9 тактовых импульсов,входную шину 1 0 устройства, шину 11запуска устройства, выходную шину 12преобразователя напряжения н частоту,шину 13 сброса, шину 14 окончания50преобразования, выходную шину 15,выходную шину 16 блока постояннойпамяти, шины 17-19 управления и шину 20 неисправности устройства.55Преобразователь 1 напряжения вчастоту содержит собственно преобраэователь 21 напряжения в частоту иузел 22 управления, взятые без изменений из ь 21. Счетчик 2 тактовых импульсов представляет собой двоичный счетчик, число разрядов выходного кода которого равно И+1, где И - число разрядов выходного кода устройства. Блок 3 сравнения кодов представляет собой цифровой компаратор, на выходе которого формируется сигнал "1" только при равенстве кодов на первой и второй группах входов, в остальных случаях на выходах блока 3-"0". При этом число разрядов сравниваемых кодов равно 0+1. Адресный счетчик 5 представляет собой двоичный счетчик с предвари-. тельной установкой, разрядность которого определяется числом разрядов выходного кода устройства. Регистр 6 характеризуется числом разрядов, равным числу разрядов виодного кода устройства И. Блок 7 управления содержит элементы НЕ 23-27, И 28-37 и ИЛИ 38.Отличие алгоритма функционирования устройства от известных заключается н том, что распознавание кода числа осуществляется путем определеяия положения но времени импульсов некоторого начального фрагмента неравномерной импульсной последовательности на выходной шине 12 преобразователя 1. Этот фрагмент является образом входного аналогового сигнала, строго определенным для каждого значения Бна входной шине 10 устройства. Положение импульсов во времени определяется по совпадению импульсов в фрагменте с тактовыми импульсами, имеющими определенные порядковые номера, Распознавание кодов в процессе аналого-цифрового преобразования происходит путем последовательного просмотра импульсной диаграммы на выходной шине 12 слева направо и фиксирования факта наличия в ней импульсов, совпадающих с тактовыми импульсами с определенными порядковыми номерами.ПоряДковые номера тактовых импульсов Р , с которыми может совпадать х-й импульс на выходе преобразователя 21, для различных значений ш,(ш - код, соответствующий входному аналого. ному сигналу на входной шине 10 устройства) рассчитываются предварительно, исходя из Физической модели преобразователя 1. Результаты расчета заносятся в дерево кодов (фиг. 5)13980974 5 10 15 20 25 рой группе выходов блока 4: новый45 адрес обращения к ПЗУ или определяСогласно фиг. 5, например, код входного аналогового сигнала, величина которого соответствует числу 59может быть определен по совпадению первых шести импульсов на выходной шине 2 с тактовыми импульсами, порядковые номера которых равны соответственно 3, 5, 7, 9, 11 и 14, код входного сигнала, величина которого соответствует числу 64 (код 64) - по совпадению первого импульса на выходной шине 12 с вторым тактовым импульсом, код 14 - по совпадению первых двух импульсов на выходной шине 12 с тактовыми импульсами, ииеющимн порядковые номера 10 и 18, а код 42 - либо по совпадению первых двух импульсов на выходной шине 12 с третьим и седьмым тактовыми импуль сами или четвертым и шестым, либо по совпадению первых трех импульсов на выходной шине 12 с тактовыми импульсами с порядковыми номерами 3, 6, Ои т.д.Устройство работает следующим образом.На входной шине 1 О установлен аналоговый сигнал, При поступлении на шину 11 сигнала запуска.(фиг. 4 а) и нулевого тактового импульса от генератора 8 (фиг. 4 г) на шине 13 формируется сигнал сброса (фиг. 4 в), длительность которого равна периоду тактовых импульсов. Но сигналу сброса устанавливается в "О" счетчик 2, адресный счетчик 5, регистр 6 и П-триггер преобразователя 2 (фиг, 2). В течение длительности импульса сброса интегратор преобразователя 21 устанавливается в исходное состояние 11 вьи Пвьпиакс С этого момента т.е. с момента прихода первого тактового импульса, начинается цикл преобразования. Тактовые импульсы по" ступают по шине 9 в преобразователь , счетчик 2 и на первый вход блока 7Рассмотрим случай, когда на входнойшине 1 О установлен аналоговый сигнал 0, при действии которогона выходной шине 12 формируетсянеравномерная последовательность импульсов, характеризующаяся Совпадением первых трех импульсов последовательности с тактовыми импульсами спорядковыми номерами 3, 6 и 1 О(фиг. 4 д). Из фиг. 5 следует, что такая ситуация однозначно определяеткод 42, соответствующий преобразуемому аналоговому сигналу 0. Импульсы с первого выхода преобразователя 1 по выходной шине 2 поступают на второй вход блока 7. Счетчик 2 осуществляет подсчет тактовых импульсов с генератора 8. На выходе счетчика 2 формируется код, со ответствующий порядковому номеру тактового импульса. Этот код поступает на первую группу входов блока 3, на второй группе входов которого выставлен код с первой группы выходов блока 4Блок 4 постоянной памяти организован таким образом, что при обраще" нии к ПЗУ блока 4 по определенному адресу на первой группе выходов выставляется код Р , соответствующий, порядковому номеру тактового импульса, Момент прихода этого тактового им. пульса нужно сопоставить с моментом появления -го импульса на выходной шине 12На второй группе выходов блока 4 при этом установлен код, соответствующий либо новому адресу обращения к ПЗУ, если х-й импульс не является конечным в фрагменте, либо коду преобразуемого сигнала ф , если 1-й импульс последний в фрагменте, в случае совпадения -го импульса на выходной шине 12 с тактовым импульсом с порядковым номером Р Если же -й импульс на выходной шине 12 не совпадает с Р, -м тактовым импульсом, то новый адрес обращения к ПЗУ блока 4 должен быть сформирован прибавлением единицы:к предыдущему.На управляющем выходе блока 4 щ,(выходная шина 16) устанавливается код, по которому в сочетании с кодомна выходной шине 12 можно определить,какая информация присутствует на втоемый код, Кроме того, с помощью кодана управляющем выходе бпока 4 идентифицируется сбой устройства. Работаустройства,в рассматриваемом приме ре, при наличии на входной шине 1 Оаналогового сигнала 08 соответст,вующего распределению импульсов навыходной шине 12, представленном на фиг, 4 д, осуществляется следующимобразом,В начале цикла преобразования на выходе адресного счетчика 5 установден код О. При обращении к ЛЗУ блока 4 по нулевому адресу на первой5 1398097 6одов пр сутствует код информационных входов адрес6), который поступает на вто- чика 5 передается на его выходы рую группу входов блока 3. В первом ким образом, происходит обращение к тактовом интервале на выходе счетчи- ПЗУ блока 4 по новому адресу, код ко 5ка 2 устанавливается код 1, который торого присутствовал на второй груп- поступает на первую группу входов пе выходов блока 4.при обращении по блока 3. На управляющем выходе блока предыдущему адресу. При этом на пер (выходная шина 16) присутствует вой группе выходов блока 4 появляет- сигнал "0" (Фиг. 4 ж). На выходной 10 ся новая комбинация кодов, соответшине 15, шинах 17-19 управления и ши- ствующая порядковому номеру следую- Не 20 Формируются сигналы "О" щего тактового импульса, с которым (Фиг. 4 е,э,к,л). С приходом второго необходимо проводить сравнение тактового импульса на. выходе счетчи- (фиг. 6).ка 2 Формируется код 2, поступающий 15 В четвертом, пятом и т,д. тактовых на первую группу входов блока 3, на интервалах устройство работает в соотвторой группе входов которого по- ветствии с временными диаграммами, прежнему присутствует код 2. При представленными на фиг. 4, Десятый этом на выходе блока 3 формируется тактовый интервал согласно Фиг. 5 сигнал "1" (Фиг, 4 е), который посту является конечным при определении копает по выходной шине 15 в блок 7. да 42, соответствующего рассматриваНа выходных шинах 12 и 16 по- емому аналоговому сигналу 0, При прежнему присутствует сигнал 0 этом с приходом десятого тактового им(фиг . 4 ж) . Лри такой комбинации сиг- пульса на выходных шинах 1 2 и 1 5 фо риалов на входах блока 7, на шинах 1 7 25 мируются сигналы " 1 ", н а выходной шии 1 8 управления и шине 2 О фо рмиру- не 1 6 также присутствует сигнал " 1 " . ются сигналы " 0" (Фиг . 4 з, к , л) , а . При тако й комбинации входных сигнана шине. 1 9 управления в паузе между ло в на шине 1 7 управления блока 7 в тактовыми импульс ами - сигнал " 1 " паузе между тактовыми импульсами Фо р.(Фиг . 4 и) . Сигнал " 1 " на выходной ши мируе тся сигнал " 1 " (Фиг . 4 з ), а на не 1 9 поступает на второй управляю - шине 1 4 - сигнал " 0" окончания прес бщий вход адресного счетчика 5, код ра з ов ания (Фиг . 4 б ) . На остальных вына е го выходе наращивается на единицу . ходах блока 7 присутствует сигнал После этого производится обращение " 0" Ьиг . 4 и, к , л) . к . ПЗУ блока 4 по следующему адресу .При этом кодовые комбинации на обеих По сигналу " 1 " на шине 1 7 управлегруппах выходов блока 4 изменяются ", ния происходит запись в регистр 6 ко " следующим образом : по первому адресу да 4 2, соответствующего входному ана-,ч на второй группе выходов записан код логовому сигналу Пна входнои шине 3, а на первой группе выходов - код 40 10. Сигнал "0" окончания преобразова (Фиг. 6). ния по шине 14 поступает в узел 22С.приходом третьего тактового им- управления (Фиг. 2) преобразователя 1. пульса на выходе блока сравнения ко- На выходе узла 22 появляется сигнал дов (выходная шина 1 5) Формируетсяобнуления интегратора преобразоватесигнал "1" (Фиг. 4 е) . При этом в тре ля 21 (Фиг. 2). Поступление импультьем тактовом интервале на выходнойсов по выходной шине 12 прекращается, шине 12 появятся сигнал "1" (Фиг. 4 д), а на выходах регистра 6 присутствует на выходной шине 16, по-прежнему . код входного сигнала. С приходом но- присутствует сигнал "0" (Фиг. 4 ж)вого импульса запуска процесс повтоПри такой комбинации сигналов, посту ряется.пающих в блок 7, на шине 18 управле- Код входного сигнала при этом полния в паузе между тактовыми им" ностью формируется за время, сущестпульсами Формируется сигнал "1" венно меньшее, чем цикл преобразовагг(фиг. 4 к). При этом на остальных ши- ния Тр =2в известном устройнах управления и шине 20 - сигнал 55 стве 21( 7 -период следования им-"пульсов тактового генератора), Кроме.Сигнал "1" по шине 18 управления того, организуется контроль процесса . поступает на первый управляющий вход функционирования устройства, который а есного счетчика 5 и информация садр с осуществляется параллельно с опреде7 398 лением кода входного сигнала. Сигнал сбоя устройства формируетсяблоком 7 (шина 20) при любом несоответствии распределения импульсов на выходной5 шине 2 предварительно рассчитанному распределению, представленному на фиг. 5,Блок. 4 постоянной памяти осуществляет дешифрование состояний адресного счетчика 5 и Формирует на второй группе выходов код, соответствующий новому адресу обращения к ПЗУ/блока 4 А или коду входного сигнала ш (фиг. 6). На первой группе входов блока 4 Формируется код, соответствующий порядковому номеру тактового импульса Р; на шине 9, с которым сопоставляется 1-й импульс на выход-ч; где ш - код аналогового сигнала навходной шине 10 устройства, шие 1,К, 2, 1 ф 1,.., 2.маа Для каждого значения ш из диапазо-, наД, 2"3 по формуле рассчитываются МНОжЕСтВа Р, 1 ие 1,.,Ш. ИЗ МНО- жеств ( Р," выбирают наборы ( Р, ), .1 еи 1 М", однозначно определяющие каждое значение ш. Кроме того, учитываются сдвиги импульсов на выходной шине 2, возможные при изменении аналогового сигнала на входной 40 шине 10 устройства от значения соот) ветствующего коду ш, до значения, соответствующего коду ш+1, Приэтом длина наборовР;Ь для раз-. личных значений также различна, Это . 45 означает, что для определения ходов, соответствующих различным значениям аналогового сигнала на входной шине ,10,требуется получить различное количество импульсов на выходной шине 12 6 О преобразоателя 1, необходимых для сравнения. Отсюда и время определения различных значений ш также различноПо выбранным наборам ( Р, 3 стра-бб ится дерево кодов, пример реализации которого для Я си 6 представлен на фиг. 5. Дерево кодов представляет сои бой совокупность узлов. Каждый узел 097 8ной шине 12. При этом программирование ПЗУ блока 4 осуществляется по следующему алгоритмуРассчитывается расположение всех импульсов в импульсной последовательности ;ш на выходной шине 12, сос" тоящей иэ ш импульсов и представляющей собой выражение некоторого входного для преобразователя 1 аналогового сигнала. В общем случае ш импульсов на выходной шине 12 преобразова теля 1, синхронных с импульсами так- . тового генератора 8, распределены в интервале преобразования Ти.фр2неравномерно. При этом 1-й импульс на выходной шине 2 совпадает с тактовым интервалом,с номером Р;, определяемым соотношением. У1 2если -- нецелоеш ).1-го рода характеризуется набором элементов (и, Р, , ш ) , где и- порядковый номер уяла, Р, - поряд ковый номер тактового импульса, с которым может совпадать 1-й импульс на шине. 12 ш - код аналогового сигнала на входной шине 1 О устройстваВ соответствии с деревом кодов формируется таблица для программирования блока 4, пример реализации которой для Б 6 и формат слова представлены на Фиг, 6. При этом порядковый номер узла и определяет адрес слова, хранящегося в ПЗУ, Группа разрядов О-Б (первая группа выходов блока 4) определяет порядковый номер тактового импульса Р, с которым сравнивается 1-импульс на выходной шине 12 преобразователя 1Группа разрядов 0+1-Я (вторая труппа выходов блока 4 определяет либо следующий адрес обращения к блоку 4 А, если из узла с данным порядковым но" мером и еще не имеются ветвления, либо код входного аналогового сигнала ш , если ветвлений нет.Количество разрядов в группе 0+1-Я определяется количеством уз" лов в дереве кодов и, например, для 06 (фиг. 5) равно 9. В (Я+1)-м разряде слова, хранящегося в ПЗУ блока 4, разрядявляется управляющим98097 1 О В правой части диаграммы на фиг. 4 д 26 иллюстрируются возможные варианты распределения импульсов на выходнойшине 12, характеризующие сбой устройства для рассмотренного примера определения кода 42, соответствующего 30 входному аналоговому сигналу ЮСигналы на шинах 18, 19 и 17 управления и шине 20 для данных вариантовраспределения импульсов представленыв правой части диаграмм на фиг. 4 з,и,к,л. Сигнал окончания преобразования "0" формируется на шине 14(фиг. 4 б) и представляет собой инверсию сигнала с шины 17 управления(фиг. 4 з), управляющего записью кода 40входного сигнала в регистр б. Приэтом сигнал окончания преобразования по шине 14 поступает в преобразователь 1ния импульсов на выходной шине 12 уп 45 50 9 13 выходом блока 4 (выходная шина 16). Если 1=: 0 и Р, -й импульс на выходе тактового генератора 8 (шина 9) совпадает с -м импульсом на выходной шнне 12 управляемого преобразователя 1, то группа разрядов 0+1-Я определяет следующий адрес обращения кПЗУ блока 4. Если 1 -О, а Р -й импульс по шине 9 не совпадает с -мимпульсом на выходной шине 12, тосМедующий адрес обращения к ПЗУ блока 4 определяется прибавлением единицы к предыдущему,Если же 1 = 1 и тактовый импульсна шине 9 с порядковым номером Р;совпадает с з.-м импульсом на выходной шине 12, то группа разрядовИ+1-Я определяет код входного аналогового сигнала на входной шине 10устройства. Если 1:= 1, а Р -й тактовый импульс на шине 9 не совпадает с -и импульсом на выходной шине 12, то идентифицируется ситуация,характеризующая сбой устройства. Приэтом под сбоем устройства принимается любое несоответствие распределе" равляемого преобразователя 1 дереву кодов, которое строитея в соответствии с физическими процессами, протекающими в управляемом преобразователе 1. Адресный счетчик 5 служит для Формнрования адреса обращения к ПЗУ блока 4. По сигналу "1" на шине 18 управления . код с первой группы выходов блока 4, выставленный на инФормационных входах адресного счетчика 5, появляется на его выходах,связанных с адресными входами блока4. Происходит обращение к блоку 4 поадресу, код которого присутствовална, информационных входах адресногосчетчика 5. При наличии сигнала "1"на, шине 19 управления происходит наращивание, на единицу выходного кода счетчика 5 т.е. происходит обращение к ПЗУ блока 4 по следующему адресу,Регистр б служит для хранения кода входного аналогового сигнала уст" рсйства. Этот код, выставленный на второй группе выходов блока 4 по сигналу "1" на шине 17 управления, запиУ 10 15 20Блок 7 (фиг. 3) осуществляет Формирование сигналов управления для адресного счетчика 5 и регистра 6 (шины 17-19 управления), сигнала сбоя устройства (шина 20 сбоя) и, сигнала окончания преобразования ( шина 14) для преобразователя 1. В зависимости от комбинации сигналов на входах блока:7, поступающих по выходным шинам 12, 15, 16 (Фиг. 4 д,с,ж), на его выходах формируются соответствующие сигналы управления (фиг. 4 з,и,к), сигналы окончания преобразования (фиг. 4 б) и сигналы сбоя (фиг. 4 л), причем сигнал "1" на шине 20, характеризующий сбой Формируется при любом несоответствии распределения импульсов на выходной шине 12 преобразователя 1 предварительно рассчитанным распределениям, которые представлены в дереве кодов (фиг. 5). Фо рмула изобретения 1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжейия в частоту, первый вход которого является входной шиной, второй вход - шиной запуска, третий вход объединен с первым входом блока управления и соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а первый выход подключен к второму входу блока управления, первый выход которого сое сывается в регистр 6, где и хранитсядо появления сигнала сброса на шине13 перед началом следующего циклапреобразования,динен с четвертым входом преобразователя напряжения в частоту, второйвыход которого является шиной сброса,отличающийся тем, что, с97 12нен с первыми входами с первого почетвертый элементов И, вторые входыкоторых соединены соответственно свыходами с пятого по восьмой элемен"тов И, первые входы которых объединены с входом второго элемента НЕ и являются третьим входом блока, вторыевходы пятого и шестого элементов Иобъединены с входом третьего элемента НЕ и являются четвертым входомблока, третий вход пятого элемента И,объединен с вторым входом восьмого,первым входом девятого и входом четвертого элементов НЕ и является вторым входом блока, выход второго элемента НЕ соединен с вторым входом девятого элемента И, выход третьегоэлемента. НЕ соединен с вторым входом,седьмого и третьим входом восьмогоэлементов И, выход четвертого инвертора соединен с третьими входамишестого и седьмого элементов И, выход девятого элемента И соединен спервым входом десятого элемента Ивторой вход которого объединен спервым входом первого элемента И, вы".ход которого является четвертым выходом блока, и через пятый элементНЕ - с первым выходом блока, выходэлемента ИЛИ является пятымвыходомблока, первый и второй входы подключены соответственно к выходам второго и десятого элементов И, выходытретьего и четвертого элементов Иявляются соответственно третьим ивторым выходами блока. 13980целью сокращения времени преобразования, в него введены адресный счетчик,блок постоянной памяти, регистр., блоксравнения кодов, счетчнк, тактовыхимпульсов, тактовый вход которого соединен с выходом генератора тактовыхимпульсов, вход сброса - с шиной сброса, а выходы подключены к соответствующим первым входам блока сравнения 1 Окодов, вторые входы которого соединены с выходами первой группы выходовблока постоянной памяти соответственно, а выход соединен с третьим входом блока управления, четвертый вход 15которого соединен с выходом блока постоянной памяти, выход второй группывыходов которого подключены соответственно к информационным входам регистра и адресного счетчика, выходы 20которого подключены к соответствующим адресным входам блока постояннойпамяти, первый и второй управляющиевходы - к второму и третьему выходам блока управления соответственно, 25выход сброса является шиной сбросаи объединен с входом сброса регистра,управляющий вход которого соединенс четвертым выходом блока управления,выходы являются выходной шиной, а 30пятый выход блока управления является шиной неисправности,2. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что в нем .блок управления выполнен на элементах И, НЕ, ИЛИ, причем первый входблока через первый элемент НЕ соеди1398097г и-иорядко 5 ыц номер у 3 па Р, - иорю дноыо номер с - го,яОиао 8 ого чмульсасравнению; и 1 - юд йсодиого онолооео соеюала9 уьци 4 гю рюба Углы м-го рода ее1398097 012 Составитель В. МахнановТехред А.Кравчук Корректор М. Демчик ктор П. Гере аказ 260 одписное Проектная, Ф жгоро 57 Тираж 928 ВНИИПИ Государственного ко по делам изобретений и о 3035, Москва, Ж, Раушска