Двухканальный аналого-цифровой преобразователь

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскииСоциалистическихРеспублик(23) Приоритет -,Опубликовано 07. 02. 83.Бюллетень й 5Дата опубликования описания 07.02. 83 11) М, Кя.з Н 03 К 13/17 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) ДВУХКАНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к автоматике, измерительной и вычислительнойтехнике и может быть использовано вциФровых измерительных устройствах.Известен аналого-циФровой преобразователь (АЦП) поразрядного уравновешивания, содержащий последовательно соединенные распределитель им"пульсов, блок вентилей, регистр, преобразователь кода в напряжение (ПКН)и устройство сравнения амплитуд СА),выход которого подключен к первымвходам вентилей (11,Недостатком данного АЦП являетсянизкое быстродействиеНаиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетсядвухканальный АЦП поразрядного уравновешивания с автоматическим переходом к следующему такту преобразования после установления переходныхпроцессор на данном такте, состоящий из двух каналов, в каждом из которых .имеется элемент запрета, устройство сравнения, выходы которых соединены с входами элементов запрета,ПКН, входы которого соединены с ключами, триггерный регистр, выходы которого соединены с входами ключей,а нулевые входы с элементами совпадения, первые входы которых подключены к выходам элементов запретаданного канала, и, кроме того, содержащий в каждом разряде триггер управления, единичный выход которогоподключен к вторым входам элементовсовпадения данного разряда, разрядныйэлемент совпадения, выход которогосоединен с нулевым входом триггерауправления смежного старшего разряда, а входы подключены к единичнымвыходам триггеров обоих каналов вданном разряде, элемент ИЛИ, выходкоторого соединен с единичными входами триггеров обоих каналов смежного младшего разряда, а входы соеди"нены с элементами запрета данногоразряда, входы которых подключены кединичному выходу триггера управленияданного разряда и выходам элементовзапрета обоих каналов (2). Недостатком известного двухканального АЦП является низкое быстродействие при преобразовании напряжений, близких по амплитуде к компенсационным напряжениям в первых тактах преобразования, когда возможен колеба" тельный характер установления сигнала на выходе устройства сравнения995314 или значительное увеличение задержки его срабатывания.Цель изобретения - повышение быстродействия АЦП при преобразованииим напряжений,5Поставленная цель достигается тем,что в двухканальный аналого-цифровой преобразователь, содержащий два блока сравнения амплитуд, первые входы которых соединены с входной шиной, вто-,1 О рые входы соответственно - с выходами двух преобразователей кода в напряжение, входы которых через ключисоединены соответственно с прямыми выходами триггеров первого и второго регистров, первые входы которых соедиены с первыми входами .триггеров упавленияи с шиной сигнала начальной становки, вторые входы триггеров старших разрядов первого и второго егистров соединены с шиной запускас вторым входом триггера управленя старшего разряда, а третьи входы риггеров первого и второго регистов - с выходами элементов совпаде 25 нрУРинтРния, первые входы которых соединены соответственно с выходами триггеров управления, а вторые входы через первый и второй элементы запрета соединены соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения, вве- ЗОдены управляемый генератор импульсов,блок управления, а в каждый разряд,кроме старшего, - дополнительный триггер управления, девять элементов И,дополнительный элемент запрета, четыре элемента ИЛИ, выходы первогои второго из которых соединены соответственно с третьими входами триггеров соответствующих разрядов первого и второго регистров, а входы свыходами первого, второго, третьего,четвертого, пятого и шестого элементов И, при этом первые входы первого и четвертого элементов И соединены с первым выходом блока управления, первые выходы второго и пятого элементов И - с вторым выходомблока управления, первые входы третьего и шестого элементов И - с третьим выходом блока управления, а вторые входы первого и пятого элементовИ соединены с выходом седьмого элемента И и первым входом третьего элемента ИЛИ, вторые входы второго ичетвертого элементов И - с первымвходом седьмого элемента И, прямымвыходом дополнительного триггера управления и первым входом дополнительного элемента запрета, вторые входытретьего и шестого элементов И - свыходом триггера управления смежного 6 Оразряда, первым входом восьмого элемента И и первым входом дополнительного триггера управления, второйвход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов,65 третий вход - с четвертым выходомблока управления, а инверсный выход - с первым входом девятого элемента И, первый вход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И, а выход - с первым входом блока управления, второй вход которогосоединен с шиной запуска, третийвход - с шиной сигнала начальной установки, четвертый и пятый входы -срответственно с выходами первого ивторого блоков сравнения амплитуд, апятый выход - с входом управляемогогенератора импульсов, шестой выходс третьим входом триггера управлениястаршего разряда и вторыми входамитриггеров управления остальных разрядов, седьмой выход -с вторым входом восьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого сординен с третьим входом триггера управления соответствующего разряда,причемвторой вход элемента запрета соединен с вторыми входами элементов совпадения и первым входом четвертого элемента ИЛИ, а выход - с вторым входомчетвертого элемента ИЛИ. На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого АЦП; на фиг. 2 - 4 - диаграммы его работы при различных соотношениях измеряемого и компенсационных напряжений.Двухканальный АЦП (фиг. 1) содержит блок 1 управления (БУ), управляемый генератор 2 импульсов (ГИ), и триггеров (Тг) 3 первого и второго, регистров, и триггеров 5 управления, ключей б и 7, преобразователей 8 и 9 кода в напряжение (ПКН), блоки 10 и 11 сравнения амплитуд (СА) измеряемого и компенсационного напряжений, и элементов 12 и 13 совпадения на нулевых входах триггеров соответствующих регистров, элементы 14 и 15 запрета, а также в каждом разряде АЦП, кроме старшего, идопоЛнительный триггер 16 управления, идополнительный элемент 17 запрета, и четыреэлемента ИЛИ 18-21 и и девять элементов И 22-30, входную шину 31, шину 32 запуска преобразования, шину33 сигнала начальной установки, гдеи - число разрядов АЦП. Переходный процесс установления компенсационных напряжений У на входак СА 10 и 11 имеет экспоненциальный характер (фиг. 2 в, Зв и 4 в),Порядок работы предлагаемого АЦП зависит от соотношения амплитуд измеряемого и компенсационного напряжений, при этом все возможные варианты последовательности его действий можно свести к трем основным, которые иллюстрируются на фиг, 2-4.АЦП при отношении измеряемого напряжения к компенсационному в первомтакте П/(1- 1/2 (фиг. 2 в) работает следующим образом.В исходном состоянии, устанавливаемом импульсом (фиг. 2 а), поступающим на шину 33, триггеры 3,4,5 и 16 во всех разрядах устанавливаются в нулевое состояние, компенсационное напряжение на входе Са 10 равно нулю, а на входе СА 11 - максимальному компенсацйонному р . Зо время преобразования компенсационные напряжения изменяются противофазно. Преобразуемое напряжение поступает на входную шину 31.С поступлением импульса на шину 32 (фиг. 2 б) запуска триггеры 3 и 4 старшего разряда первого и второго регистров устанавливаются в положение 1, при котором на выходе ПИ 4 9 образуется отрицательный, а на выходе ПКН 8 - положительный перепад напряжения, по амплитуде равный П и /2 (фиг. 2 в, в); триггер 5 управления старшего раз ряда устанавливается в состояние, при котором появляются разрешающие сигналы на входах элементов 12 данного разряда, 24,27,30 смежного разряда и на П-входе дополнительного триггера 16 управления смежного разряда (фиг. 1). Этот же импульс запуска поступает на вход БУ 1 и через определенную задержку ь включает управляемыйгенератор 2 импульсов при условии,.что к этому моменту времени ни одно из устройств 10 или 11 сравнения не сработало., Если же к этому моменту времени одно из СА 10 или 11 выработало сигнал сравнения, то пуск ГИ 2 блокируется этим сигналом, поступаюищим на вход БУ 1 либо от СА 10, либо от СА 11 (фиг. 2 грд,) .ЗадеРжка ьг включениЯ ГИ 2 выбирается равной задержке появления сигнала сравнения на выходе СА 10 или 11 при соотношении сравниваемых сигналов на их входах: Щ -(,;к,"1/2 , где П - преобразуемое н пряжение; П- компенсационное напряжение на входе СА к моменту начала 1-го такта преобразования, или где 1 - время нарастания компенсационного напряжения в 1-мтакте. преобразования;СА - время отклика СА, т.е. время с момента, когда входной перепад напряжения пересекает уровень входного порогового напряжения, до .момента, когда выходной сигнал пе-. ресекает уровень напряжения, соответствующий логическому 0 илиВ первом такте уравновешивания при входном измеряемом напряжении Ох, примерно равном рп/4, пуска ГИ 2.не произойдет (фиг. 2 д) и после срабатывания СА 10 (фиг. 2 г) на выходеэлемента 14 запрета появляется сигнал, который через элемент 12 старшего разряда устанавливает Тг 3 старшего разряда первого регистра в нулевое состояние, что вызывает отключение компенсационного напряжения навходе СА 10Тг 4 при этом остаетсяв единичном состоянии и компенсационное напряжение на входе СА 11 остается равным П и/2. По выключениикомпенсационного напряжения на входеСА 10 через интервал времени, равныйТ опять может произойти пуск ГИ 25 сигналом из БУ 1,еслик этомумоментувремени СА 10 невернулось висходноесостояние,. Фиг. 2 д иллюстрирует случай, когда пуск ГИ 2 в первом тактепреобразования не происходити пос ле выключения компенсационного напряжения на входе СА 10, Поэтому Тг 16во всех разрядах не изменяет своегонулевого состояния и признак тогочто ТГ 16 всех разрядов находитсяв нулевом состоянии, поступает БУ 1с выхода элементов И 29.По этому признаку БУ 1 вырабатывает (фиг. 2 и) после выключения Са 10сигналы установки в единичное состо О яние Тг 3 и 4 первого и второго регистров разряда, смежного со старшим, по разрешающему сигналу Тг 5старшего разряда на входах элементовИ 24 и 27. После чего сигналом из 35 БУ 1 (фиг. м) производится установка Тг 5 старшего разряда в нулевоесостояние, а чуть раньше - установкав единичное состояние смежного разряда по разрешающим сигналам через элемент ИЛИ 20, элемент И 30 от триггера 5 старшего разряда и от соответствующего выхода БУ 1. В заключениетакта БУ 1 (фиг. 2 н) вырабатываетсигнал установки Тг 16 всех разрядовв нулевое состояние. Для случая, иллюстрируемого фиг. 2, когда измеряемое напряжениеравно 1)р /4 с точностью до значения младшего значащего разряда, следующий второй тактявляется последним, При включениикомпенсационных напряжений на входахСА 10 и 11, равных (3 /4, их срабатывания не происходит. Поэтому черезинтервал времени Т БУ 1 вырабатывает сигнал включения ГИ 2 (фиг. 2 д,е),после чего начинается последовательное занесение 1 в Тг 16 всех раз.рядов, за исключением одного в .старшего. Происходит это следующим образом. Первый импульс с выхода ГИ 2устанавливает в единичное состояниеТг 16 разряда, смежного со старшим,по разрешающему сигналу Тг 5 разряда смежного со старшим, поступающе-му на вход элемента ИЛИ 21., Во всех 65 следующих разрядах Тг 5 находится внулевом состоянии, поэтому запрет нг,прохождение сигнала с единичного выхода Тг 16 предыдущего разряда кО-входу последующего на входах элементов 17 запрета отсутствует, исостояние Тг 16 предыдущего. разряда 5заносится в следующий разряд черезэлемент 17 запрета и элемент ИЛИ 21по импульсам, поступающим с выходаГИ 2 на синхровходы Тг 16 всех разрядов. После занесения 1 в ТГ 16 10последнего младшего разряда преобразование заканчивается,АЦП работает следующим образом.Если измеряемое напряжение Пх близ ко по амплитуде, но, например, несколько меньше (1 и /2. Как и в предыдущем случае, исходное состояние устройства устанавливается импульсом (фиг. За), поступающим на шину 33 сигнала начальной установки и производящим те же операции, Компенсационные напряжения также изменяются противофазно (фиг. Зв, в )Аналогично и запуск преобразования происходит при поступлении импульса на 25 шину 32 импульса запуска (фиг. Зб). Но, В отличие от предыдущего случая, срабатывание СА 10 в первом также происходит с задержкой, большей чем Т (фиг. Зг), поэтому Бу 1 по импульсу 30 запуска с задержкой, равной Г,-, вырабатывает сигнал пуска ГИ 2 (фиг.Зд, е). Первый импульс ГИ 2 по разрешающему сигналу Тг 5 старшего разряда, поступающему на О-вход Тг 16 сосед него разряда, заносит в него 1 ф, второй - устанавливает в единичное состояние Тг 16 следующего разряда, так как на его 0-вход поступает разрешающий сигнал с выхода элемента , 4 О ИЛИ 21 от предыдущего разряда, кото 1 йай, в свою очередь, поступает с выхода элемента 17 запрета, на входе которого отсутствует запрет от Тг 5 соответствующего разряда и, следо- вательно, проходит разрешающий сигнал с выхода Тг 16 этого же разряда уже установленного в единичное состояние первым импульсом ГИ 2. Затем таким же образом следующий импульс ГИ 2,0,Э заносит "1" в Тг 16 следующего разряда и т.д. Работа АЦП в случае, когда измеряемое напряжение П много меньше компенсационного напряжения 0, подаваемого на вход СА 10 и равного в первом такте 11 и /2, осуществляется следующим образом, установка в исходное состояние и запуск АЦП происхо-, дит аналогично рассмотренным выше случаям. Срабатывание СА 10 в первом такте при появлении на его входе компенсационного напряжения О/2 происходит с задержкой меньшей ь (фиг.4 в, г), поэтому пуск ГИ 2 блокируется, Дальнейшая последовательность действий АЦП после срабатывания СА 10 совпадает с последовательностью действий, имевшей место в случае, проиллюстрированном фиг. 2, вплоть до усОстанов работы ГИ 2 происходит посрабатыванию СА 10 (фиг, Зг,д), по которому БУ 1 снимает сигнал разрешения работы ГИ 2, Обычным образом через элемент 14 запрета и элемент 12 совпадения по разрешающему сигналу Тг 5 старшего разряда происходит установка Тг 3 старшего разряда в ну-6 О левое состояние и отключение компенсационного напряжения на входе СА 10. Поскольку возвращение СА 10 в исходное состояние после отключения компенсационного напряжения происходит 65 с задержкой, меньшей , пуск ГИ 2 вэтом случае не происходит,По возвращении СА 10 в исходноесостояние Бу 1 вырабатывает серию управляющих сигналов (фиг. Зк, м, н) врезультате действия которых в техразрядах, в которых Тг 16 были установлены в единичное состояние, проФсходит установка в единичное состояние Тг 3 через элементы И 23 иИЛИ 18, а через схему выделения крайней (младшей) единицы, организованную на элементах И .28 всех разрядов,,происходит устансвка в единичноесостояние Тг 4 того разряда, где находится крайний младший Тг 16, находящийся в единичном состоянии. -хгнал установки (фиг. Зк.) поступает наединичный вход соответствующего разряда Тг 4 через элемент И 26 и элемент ИЛИ 19. После чего сигналом чзБУ 1 (фиг. Зм) производится устано.".; -ка Тг 5 старшего разряда в нулевоесостояние, а чуть раньше - установкав единичное состояние соответствующего разряда Тг 5 через ту же схемувыделения крайней единицы, на элементах И 28, разрешающий сигнал с выхода которой через элемент ИЛИ 20поступает на П-вход Тг 5 соответствующего раэряда. В следующем такте навход СА 10 поступает компенсационное напряжение, сформированное группой разрядов Тг 3, а на вход СА 11комбинацией старшего разряда и соответствующего младшего разряда. Таким образом происходит объединениенескольких тактов уравновешивания водин, в результате чего суммарноевремя преобразования сокращается.Что касается выбора частоты, с которой работает генератор импульсов ГИ 2,то нетрудно показать, что оптимальным является период следования импульсов =0,7 йпСп. При .отклоненииэтого перйода в ту или иную сторонуколичество тактов преобразования может увеличиться, т.е. режим работыАЦП станет не оптимальным.тановки Тг 3 старшего разряда в нулевое состояние и отключения компенсационного напряжения 11 р /2 на входе СА 10, Однако возвращение СА 10 в исходное состояние после отключения на его входе компенсационного напряжения происходит с задержкой, превышающей Г, и, следовательно, БУ 1 вырабатывает сигнал пуска ГИ 2 (фиг, 4 г, д, е). После чего дальнейшая последовательность действий совпадает с 1 последовательностью действий, описанной в предыдущем случае (фиг. 3) от момента пуска и до момента останова ГИ 2,при срабатывании СА 10(фиг.4 д,е)Затем Бу 1 вырабатывает серию уп равляющих сигналов (фиг. 4 л, м, н), в результате действия которых в тех разрядах, где Тг 16 были установлены импульсами ГИ 2 в единичное состояние, происходит установка в,еди ничное состояние Тг 4 (а не Тг 3, как в предыдущем случае)через элементы И 25 и ИЛИ 19, а через схему выделения крайней (младшей) единицы, построенную на элементах И 28 всех Разрядов, происходит установка в единичное состояние Тг 3 самого младшего разряда из тех, где Тг 16 были установлены в единичное состояние Сигнал установки (фиг4 л) поступает на единичный вход соответствующего разряда Тг 3 через элемент И 22 и элемент ИЛИ 18. После чего сигналом из Бу 1 (фиг. 4 м) происходит установка в единичное состояние соответствующего разряда Тг 5, разрешающий сигнал формируется той же схемой выделения крайней единицы и поступает на 0-вход Тг 5 через элемент ИЛИ 20. Затем обычным образом прочсходит установка в нулевое состояние старшего разряда Тг 5 и (фиг. 4 н) всех разрядов Тг 16 сигналом, вырабаты. ваемым БУ 1.Ь следующем такте на вход СА 10 поступает компенсационное напряжение, сформированное соответствующим младшим разрядом Тг 3, а на вход СА 11 напряжение, сформированное группой разрядов Тг 4. Следовательно, и в этом случае происходит объединение тактов преобразования и суммарное время преобразования сокращается. Таким образом, при определенном соотношении амплитуд преобразуемого и текущего. компенсационного напряжений на входах устройства сравнения пройсходит автоматическое объединение нескольких тактов уравновешивания в один, в ргзультатд чего суммарное время аналого-цифрового преобразования сокращается. Формула изобретения Двухканальный аналого-цифровой прербразователь, содержащий два бло ка сравнения амплитуд, первые входы которых соединены с входной шиной, вторые входы - соотвеТственно с выходами двух преобразователей кода в напряжение, входы .которых через клю чи соединены соответственно с выходами триггеров первого и второго регистров, первые входы которых соединены с шиной сигнала начальной установки и с первыми входами триггеров 0 управления, вторые входы триггеровстарших разрядов первого и второго регистров соединены с шиной запуска и с вторым входом триггера управления старшего разряда,.а третьи входы5 триггеров первого и второго регистров - с выходами элементов совпадения, первые входы которых соединены соответственно с выходами триггеров управления, а вторые входы через пер.вый и второй элементы запрета соединены соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены управляемый генератор импульсов, блок управления, а в каждый разряд, кроме старшего, - дополнительный триггер управления, девять элементов И, дополнительный элемент запрета, четыре элемента ИЛИ, выходы первого и второго из которых соединены соответственно с третьими входами триггеров соответствующИх разрядов первого и второго регистров, а входы - с выходами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого элементов И, при этом первые входы первого и четвертого элементов И соединены с первым выходом блока управления, первые вхо ды второго и пятого элементов И - с.вторым входом блока управления, пер" вые входы третьего и шестого элементов И - с третьим выходом блока управления, а вторые входы первого и 45 пятого элементов И соединены с выходом седьмого элемента И и первым входом третьего элемента ИЛИ, вторые входы второго и четвертого элементов И - с первым входом седьмого 50 элемента И, прямым выходом дополнительного триггера управления и,первым входом дополнительного элемента запрета, вторые входы третьего и шесто- го элементов И - с выходом триггера 55 управления смежного разряда, первымвходом восьмого элемента И и первым входом дополнительного триггера управления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генера тоРа импульсов, третий вход - с чет"вертим выходом блока управления, а инверсный выход - с первым входом девятого элемента И, второй вход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И, а выход - с пер вым входом блока управления, второйвход которого соединен с шиной запуска, третий вход - с шиной сигнала начальной установки, четвертый и пятыйвходы - соответственно с выходамипервого и второго блоков сравненияамплитуд, пятый выход - с входом управляемого генератора импульсов, шестой выход - с третьим входом триггера управления старшего разрядаи вторыми входами триггеров управления остальных разрядов, седьмойвыход - с вторым входом восьмого элемента И, выход которого соединен свторым входом третьего элемента ИЛИ,выход которого соединен с третьимвходом триггера управления соответствующего разряда, причем второй вход элемента запрета соединен с вторымивходами элементов совпадения и первымвходом четвертого элемента ИЛИ, авыход - с вторым входом четвертогоэлемента ИЛИ.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Гитис Э.И. Преобразователи инормации для электронных цифровыхвычислительных устройств. И., Энер 1 О гияф, 1975, с. 299-302, рис. 7.7;Шляндин В.М. ЦиФровые измерительныепреобразователи и приборы, Ы Высшая школаф, 1973, с. 21 б, рис. 4.8,2, Авторское свидетельство СССР5 Р 517997, кл, Н 03 К 13/17, 1973995.31.4 Составитель А. КузнецовТехред М, Надь Коррект Дзятк етраш Филиал ППП фПатентф, г.Ужгород, ул ктная Редактор В. Заказ 670/45 Тираж 934 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 035, Москва, Ж, Рауш