аналого-цифровой преобразователь логического развертывания

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий схему сравнения, первый вход которой, являющийся первым входом преобразователя, предназначен для подачи входного преобразуемого напряжения, а ко второму входу преобразователя подключен выход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), входы которого соединены с выходами регистра и являются первыми выходами преобразователя, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом регистра, отличающийся тем, что в него введены блок выделения абсолютного значения, первый и второй компараторы, триггер, второй элемент И, элемент НЕ и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), выходы которого подключены к третьим входам регистра, первые адресные входы соединены с выходами регистра, а второй адресный вход соединен с выходом второго компаратора, первый вход которого подключен к шине "земля", выход разности входного напряжения и напряжения с выхода ЦАП схемы сравнения соединен со вторым входом второго компаратора и с входом блока выделения абсолютного значения, выход которого соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого является вторым входом преобразователя, а выход подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера, разрешающего прохождение импульсов с генератора тактовых импульсов через первый элемент И, третий вход второго элемента И соединен с выходом элемента НЕ, а выход подключен ко второму входу триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, а выход триггера предназначен для сигнализации на втором выходе преобразователя о состоянии, в котором находится преобразователь, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом элемента НЕ, второй вход регистра является четвертым входом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код.

Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) следящего типа, содержащий компаратор напряжения, генератор, элемент И, счетчик, источник опорного напряжения и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (Микроэлектронные устройства автоматики: Учебн. пособие для вузов/ А. А. Сазонов, В. Т. Николаев и др. ; Под ред. А. А. Сазонова. - М. : Энергоатомиздат, 1991. -С. 153, рис. 2.29).

Недостатком устройства является увеличение времени преобразования при резких изменениях преобразуемого напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является АЦП последовательного приближения, содержащий схему сравнения (СС), на первый вход которого подается входное преобразуемое напряжение, а выход подключен к первому входу регистра последовательной аппроксимации (РПА), первые выходы которого подключены к входам цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и одновременно являются выходами АЦП, выход ЦАП подключен к второму входу схемы сравнения, второй вход регистра последовательной аппроксимации является вторым входом АЦП, третий вход которого соединен с выходом элемента И, а второй выход - с вторым входом этого элемента, первый вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов (Чернов В. Г. Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных, - М. : Машиностроение, 1988, - С. 85, рис. 57, Функциональная схема и временные диаграммы АЦП последовательной аппроксимации).

Недостатком устройства является низкое быстродействие, поскольку не учитываются статистические характеристики сигнала.

Цель изобретения - повышение быстродействия АЦП за счет применения оптимальной логической процедуры подбора выходного кода, учитывающей статистические характеристики сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в АЦП последовательного приближения, содержащем схему сравнения (СС), на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение и являющийся первым входом устройства, а ко второму входу подключен выход ЦАП, входы которого соединены с выходами регистра и являются выходами устройства, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход которого соединен с первым входом регистра, введены блок выделения абсолютного значения, первый и второй компараторы, триггер, второй элемент И, элемент НЕ и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), выходы которого подключены к третьим входам регистра, первые адресные входы соединены с выходами регистра, а второй адресный вход соединен с выходом второго компаратора, первый вход которого подключен к шине "земля", а второй вход соединен с выходом схемы сравнения и входом схемы выделения абсолютного значения, выход которой соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого является вторым входом устройства, а выход подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера и вторым входом второго элемента И, третий вход соединен с выходом элемента НЕ, а выход подключен ко второму входу триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, выход генератора соединен с входом элемента НЕ, второй вход регистра является четвертым входом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в нее введены блок выделения абсолютного значения, два компаратора, триггер, элемент И и элемент НЕ, постоянное запоминающее устройство, которые являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники. Однако, несмотря на то, что введенные блоки являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники, их введение, а также появление новых функциональных связей между ними и существующими блоками дает возможность проявиться в устройстве новому свойству. А именно: АЦП с логическим развертыванием позволяет уменьшить время преобразования измеряемой величины за счет применения оптимальной логической процедуры подбора кода с учетом вероятностных параметров измеряемой величины. Построение оптимальной процедуры подбора кода может быть произведено с помощью методов, известных в теории автоматического контроля, например, метода "половинного разбиения", метода время-вероятность и др. (Автоматизация радиоизмерений. Под ред. В. П. Балашова. - М. : Советское радио, 1966. -С. 428-463). Применение оптимальной процедуры позволяет уменьшить количество шагов при подборе кода, соответствующего входному напряжению, и, следовательно, повысить быстродействие АЦП. Кроме того, предложенное устройство позволяет производить преобразование входной аналоговой величины в цифровой код с заданной погрешностью.

Структурная схема АЦП приведена на фиг. 1, где 1 - схема сравнения; 2 - блок выделения абсолютного значения входного сигнала; 3, 4 - первый и второй компараторы; 5 - генератор тактовых импульсов; 6 - триггер; 7, 8 - первый и второй элементы И; 9 - элемент НЕ; 10 - цифроаналоговый преобразователь ЦАП; 11 - регистр; 12 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Схема сравнения 1 предназначена для сравнения входного преобразуемого напряжения и напряжения с выхода ЦАП 10. С помощью блока выделения абсолютного значения 2 определяется абсолютное значение разности между входным преобразуемым напряжением U_вх и напряжением с выхода ЦАП 10. Первый компаратор 3 срабатывает, если величина напряжения на выходе блока выделения абсолютного значения 2 будет меньше уровня напряжения, поступающего на второй вход компаратора 3 со второго входа АЦП (на этот вход подается напряжение, которое задает максимальную погрешность преобразования ). Сигнал на выходе компаратора 3 фактически определяет момент окончания преобразования. С помощью второго компаратора 4 определяется, какое из напряжений больше по величине: входное преобразуемое напряжение или напряжение на выходе ЦАП 10. Генератор тактовых импульсов 5 предназначен для синхронизации работы АЦП. Триггер 6 определяет состояние, в котором находится АЦП. В первый момент с приходом импульса на третий вход АЦП "Пуск" триггер 6 переходит в состояние "I". По окончании преобразования триггер 6 переходит в состояние "0" по сигналу с выхода второго элемента И 8. Элемент И 7 разрешает прохождение импульсов с генератора 5 на вход записи регистра 11, когда АЦП находится в состоянии преобразования измеряемой величины. Второй элемент И 8 предназначен для выдачи импульса на управляющий вход триггера 6 и перевода его в состояние "0" по окончании цикла преобразования. Элемент НЕ 9 инвертирует импульсы с выхода генератора 5, благодаря чему исключается формирование импульса на выходе элемента И 8 (т. е. выдачу сигнала об окончании преобразования) из-за переходных процессов в АЦП. ЦАП 10 преобразует код, поступающий с выхода регистра 11, в аналоговое напряжение. Регистр 11 содержит текущее значение кода. Количество разрядов регистра 11 равно разрядности АЦП. В исходное состояние триггер 6 устанавливается подачей импульса на вход "Установка в исходное состояние" АЦП. Запись информации в регистр 11 производится подачей импульса на первый вход регистра 11. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) 12 хранится оптимальная последовательность значений кода. При этом текущий код с выхода регистра 11 поступает на младшие адресные разряды ПЗУ 12, а выход с компаратора 4 поступает на старший адресный разряд ПЗУ. Таким образом, код на выходе ПЗУ 12 зависит от уровня сигнала на выходе компаратора 4 (который определяется соотношением между входным преобразуемым напряжением и напряжением с выхода ЦАП 10). Перед работой АЦП в ПЗУ 12 должна быть записана необходимая последовательность кодов, в соответствии с которой будет производиться подбор кода для ЦАП 10.

Описание работы устройства рассмотрим для случая 4-х разрядного АЦП и при реализации логической процедуры подбора кода в соответствии с фиг. 2 (для примера использован метод половинного разбиения). В соответствии с фиг. 2 первоначально в регистр 11 записывается код, соответствующий числу 8. На следующем шаге, если напряжение на выходе ЦАП 11 будет превышать уровень преобразуемого напряжения U_вх, на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "0", и, следовательно в соответствии с фиг. 2 в регистр 11 будет записан код, соответствующий числу 4. Если же на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "I", следующим кодом будет число 12. Аналогично происходит выбор очередного значения кода в остальных случаях. Содержимое ПЗУ 12 при реализации указанной процедуры поиска приведено в таблице. Как видно из данных таблицы, если текущее значение кода в регистре 11 равно 8 и на выходе компаратора 2 будет уровень "0", на выходе ПЗУ 12 будет код, равный 4. Однако, если на выходе компаратора будет уровень "1", тогда на адресные входы ЗУ будет подан код, соответствующий числу 24. А по адресу 24 в ЗУ находится код числа 12. Аналогично заносятся коды в остальные ячейки ЗУ.

Процесс преобразования аналогового напряжения в цифровой код с помощью АЦП логического развертывания производится следующим образом.

После включения устройства в регистр 11 заносится начальное значение кода (в данном случае код числа 8) подачей импульса на вход "Установка в исходное состояние". На выходе ЦАП 10 устанавливается соответствующее напряжение, которое сравнивается с входным напряжением U_вх. Напряжение U_cc на выходе схемы сравнения 1 будет равно разности входного напряжения и напряжения с выхода ЦАП U_ЦАП: U_сс= U_вх-U_ЦАП. Полученное значение разности с помощью второго компаратора 4 сравнивается с нулевым значением. В зависимости от соотношения между входным напряжением и напряжением с выхода ЦАП 10 на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "0" или "1". Этот сигнал поступает на старший адресный разряд ПЗУ 12. Код на выходе ПЗУ 12 будет зависеть от текущего значения кода, записанного в регистр 11, поступающего на младшие разряды ПЗУ 12, и уровня сигнала на выходе второго компаратора 4. Таким образом на вход регистра 11 будет поступать различный код, зависящий от уровня сигнала на выходе компаратора 4, и соответственно от соотношения входного напряжения и напряжения на выходе ЦАП 10.

При подаче импульса на вход "Пуск" АЦП триггер 6 переводится в состояние "1" и разрешает прохождение импульсов с тактового генератора 5 через первый элемент И 7 на первый вход регистра 11. С приходом очередных импульсов на первый вход регистра 11 в него будет записываться очередное значение кода в соответствии с фиг. 2. Таким образом будет выполняться процедура подбора кода, которая определяется содержимым ПЗУ 12.

В том случае, если напряжение на выходе блока выделения абсолютного значения 2 будет меньше напряжения , подаваемого на второй вход AЦП (уровень этого сигнала соответствует требуемому значению погрешности преобразования), сработает первый компаратор 3, а затем по окончании очередного импульса с тактового генератора 5 сработает второй элемент И 8 (импульсы на вход элемента И 8 поступают с выхода генератора 5 через элемент НЕ 9). Импульс с выхода элемента И 8 установит триггер 6 в исходное состояние и на этом процесс преобразования завершится. В регистре 11 будет записано значение кода, соответствующее преобразуемому напряжению с данной погрешностью преобразования. Выход с триггера 6 поступает на второй выход АЦП, тем самым сигнализируя о состоянии, в котором находится АЦП.

Если не будет подан импульс па вход "Установка в исходное состояние", при следующем цикле преобразования подбор кода будет производиться, начиная с кода, который был записан в регистре 11 при предыдущем преобразовании. Если преобразуемое напряжение U_вх изменится незначительно, то время преобразования, очевидно, уменьшится.

Следует заметить, что по достижении висячей вершины на фиг. 2, следующим значением кода в соответствии с данными таблицы будет исходное значение кода (в данном случае число 8), и процесс преобразования начнется с начального кода.

Таким образом, АЦП логического развертывания позволяет уменьшить время преобразования благодаря применению оптимальной процедуры подбора кода, учитывающей статистические характеристики сигнала. Кроме того, АЦП позволяет производить преобразование с заданной погрешностью.