аналого-цифровой преобразователь
Классы МПК: | H03M1/26 с взвешенным кодированием, те когда цифре в зависимости от положения ее внутри группы цифр или кодового слова придается определенный вес, например когда задана система счисления, степенями основания которой являются веса |
Автор(ы): | Орлов С.П., Хрисанов Н.Н., Чухонцев М.В. |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-03-29 публикация патента:
20.05.2003 |
Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код. Техническим результатом является повышение быстродействия АЦП за счет выполнения преобразования в два этапа. Устройство содержит схему сравнения, ЦАП, триггер, генератор импульсов, счетчик, регистр, ПЗУ, АЦП считывания. 1 табл. , 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Аналого-цифровой преобразователь, содержащий схему сравнения, на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение с первого входа устройства, а ко второму входу подключен выход цифроаналогового преобразователя (ЦАП), первые и вторые входы которого являются первыми выходами устройства, вторые входы ЦАП соединены с выходами регистра, первый вход которого является вторым входом АЦП, генератор импульсов, отличающийся тем, что в него введены счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), АЦП считывания, триггер, первый вход которого соединен со вторым входом устройства, выход является вторым выходом устройства и подключен к входу генератора импульсов, выход которого соединен со вторым входом триггера и первым входом счетчика, второй вход которого соединен с его выходом, третьими входами триггера и схемы сравнения, а также со вторым входом регистра, первый вход устройства соединен с первым входом АЦП считывания, второй вход которого соединен с выходом триггера, а выходы подключены к первым входам ЦАП и ПЗУ, второй вход ПЗУ соединен с выходом схемы сравнения, третьи входы подключены к выходу регистра, первые выходы ПЗУ соединены с третьими входами регистра, вторые выходы - с третьими входами счетчика, а третий выход - с четвертым входом триггера.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код. Известен N-разрядный АЦП считывания, содержащий делитель опорного напряжения, 2N стробируемых компараторов напряжения (КН), дешифратор, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, регистр (Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -С.151, рис.3.17). Недостатком АЦП считывания является быстро возрастающая сложность с увеличением разрядности, т.к. для построения N-разрядного АЦП требуется 2N компараторов напряжения и делитель напряжения, содержащий такое же количество одинаковых сопротивлений. В то же время АЦП подобного типа обеспечивают максимальное быстродействие, преобразование осуществляется за один такт работы. 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 ко второму входу схемы сравнения, второй вход регистра последовательной аппроксимации является вторым входом АЦП, третий вход которого соединен с выходом элемента И, а второй выход - со вторым входом этого элемента И, 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). АЦП последовательного приближения характеризуется следующими особенностями. В процессе подбора кода используется метод половинного деления. Процесс преобразования всегда длится N тактов, где N - разрядность АЦП, а длительность преобразования составляет Тпр = NtЦАП, где tЦАП - время установления напряжения на выходе ЦАП при смене кода на его входе. В качестве tЦАП берется значение, равное его максимальному значению tЦАПmax (соответствующее подаче на вход ЦАП после нулевого максимального кода для данного ЦАП), т.е. не учитывается различное время установления выходного напряжения на выходе ЦАП для различных кодов. Недостатком устройства является низкое быстродействие, поскольку не учитывается время установления напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя и поиск производится среди всех возможных кодов. Технический результат - повышение быстродействия АЦП за счет выполнения преобразования в два этапа. На первом этапе производится "грубое" преобразование с помощью АЦП считывания малой разрядности, благодаря чему сужается область поиска на втором этапе. На втором этапе выполняется оптимальная логическая процедура подбора выходного кода в выделенной области, учитывающей как статистические характеристики сигнала, так и временные характеристики ЦАП (время установления напряжения на выходе). Поставленный технический результат достигается тем, что в АЦП последовательного приближения, содержащего схему сравнения (СС), на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение с первого входа устройства, а ко второму входу подключен выход ЦАПа, первые и вторые входы которого являются первыми выходами устройства, вторые входы ЦАП соединены с выходами регистра, первый вход которого является вторым входом АЦП, генератор импульсов, введены счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), АЦП считывания, триггер, первый вход которого соединен со вторым входом устройства, выход является вторым выходом устройства и подключен к входу генератора импульсов, выход которого соединен со вторым входом триггера и первым входом счетчика, второй вход которого соединен с его выходом, третьими входами триггера и схемы сравнения, а также со вторым входом регистра, первый вход устройства соединен с первым входом АЦП считывания, второй вход которого соединен с выходом триггера, а выходы подключены к первым входам ЦАП и ПЗУ, второй вход ПЗУ соединен с выходом схемы сравнения, третьи входы подключены к выходу регистра, первые выходы ПЗУ соединены с третьими входами регистра, вторые выходы - с третьими входами счетчика, а третий выход - с четвертым входом триггера. Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в него введены счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), АЦП считывания и триггер, которые являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники. В качестве триггера может быть использована микросхема 155ТВ1 счетчика - 555ИЕ17, ПЗУ - 555РЕ4 (Аванесян Г.Р., Левшин В. П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - с. 160, 199, 207). Однако, несмотря на то, что введенные блоки являются стандартными узлами аналоговой и цифровой техники, их введение, а также появление новых функциональных связей между ними и существующими блоками дает возможность проявиться в устройстве новому свойству. А именно: АЦП позволяет уменьшить время преобразования измеряемой величины за счет того, что преобразование выполняется в два этапа. На первом этапе производится "грубое" преобразование с помощью АЦП считывания малой разрядности, благодаря чему сужается область поиска на втором этапе. На втором этапе выполняется оптимальная логическая процедура подбора выходного кода в выделенной области, учитывающей как статистические характеристики сигнала, так и временные характеристики ЦАП (время установления напряжения на входе). Построение оптимальной процедуры подбора кода может быть произведено с помощью методов, известных в теории автоматического контроля и поиска неисправностей (Пашковский Г. С. Задачи оптимального обнаружения и поиска отказов в РЭА/ Под. ред. И.А.Ушакова. -М.: Радио и связь, 1981. - 280 с.). Применение оптимальной процедуры, построенной с учетом статистических характеристик сигнала, возможной области нахождения выходного кода (определенной на первом этапе) и временных характеристик ЦАП (времени установления), позволяет уменьшить время, затрачиваемое на подбор кода, соответствующего входному напряжению, и следовательно, повысить быстродействие АЦП. Структурная схема АЦП приведена на фиг.1, где 1 - схема сравнения, 2 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 3 - триггер; 4 - генератор импульсов; 5 - счетчик; 6 - регистр; 7 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 8 - АЦП считывания. Схема сравнения 1 предназначена для сравнения входного преобразуемого напряжения Uвх и напряжения с выхода ЦАП 2 - UЦАП. В случае UВХ >UЦАП на выходе схемы сравнения 1 появится сигнал, соответствующий логической единице, в противном случае - логическому нулю. В качестве схемы сравнения 1 используется стробируемый компаратор при подаче нулевого уровня на его третий (стробирующий) вход, напряжение на выходе схемы сравнения 1 фиксируется. Это необходимо для того, чтобы исключить изменение сигнала на выходе схемы сравнения 1 при перезаписи информации из ПЗУ 7 в счетчик 5 и регистр 6. Схема сравнения 1 может быть реализована на микросхеме стробируемого компаратора 521 САЗ (Булычев А.Л. Аналоговые интегральные схемы: Справочник / А.Л. Булычев, В. И. Галкин, В.А. Прохоренко. - Мн.: Беларусь, 1994. -С.382-383). ЦАП 2 предназначен для преобразования цифрового кода, подаваемого на его вход, в соответствующий уровень выходного аналогового напряжения. При этом на первые входы (старшие разряды) ЦАП подается код с выхода АЦП считывания, а на вторые входы (младшие разряды) подается код с выхода регистра 6. Триггер 3 предназначен для фиксации начала и конца процесса преобразования. При подаче на его первый вход импульса триггер 3 переходит в единичное состояние и начинается процесс преобразования. По окончании процесса преобразования триггер 3 сбрасывается в нулевое состояние импульсом с выхода генератора импульсов 4 (поступающего на второй вход триггера 3) при поступлении на третий вход триггера 3 нулевого логического уровня с выхода счетчика 5 и единичного сигнала с третьего выхода ПЗУ 7. Генератор импульсов 4 предназначен для синхронизации работы устройства. Он запускается при подаче на его управляющий вход напряжения, соответствующего логической единице, с выхода триггера 3. Счетчик 5 предназначен для формирования интервала времени, соответствующего времени установления напряжения на выходе ЦАП 2 для текущего кода. Для этого в счетчик 5 записывается некоторое число и переводят его в режим вычитания. При подаче на его первый вход импульсов содержимое его уменьшается. По достижении содержимым счетчика нулевого значения на его выходе устанавливается уровень логического нуля, который сигнализирует об окончании заданного интервала времени. Уровень логического нуля с выхода счетчика 5 поступает на его второй вход и он переходит в режим записи. С приходом положительного фронта на первый вход счетчика 5 в него записывается информация, поданная на его третьи (информационные) входы. При этом на выходе счетчика 5 устанавливается уровень логической единицы, он переходит в режим вычитания и формирования следующего временного отрезка. В качестве счетчика 5 может быть использована микросхема 555ИЕ17 в вычитающем режиме. При этом необходимо выход переноса (Р) соединить с входом (L) (Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - с. 199). Пусть для данного кода Кi (поданного на вход ЦАП) время установления выходного напряжения ЦАП составляет Тi, а период импульсов, поступающих с генератора 4, составляет![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204008/916.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204008/916.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204008/916.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204003/8226.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204003/8226.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204003/8226.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204003/8226.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204003/8226.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204003/8226.gif)
![аналого-цифровой преобразователь, патент № 2204884](/images/patents/266/2204003/8226.gif)
Класс H03M1/26 с взвешенным кодированием, те когда цифре в зависимости от положения ее внутри группы цифр или кодового слова придается определенный вес, например когда задана система счисления, степенями основания которой являются веса