Аналого-цифровой преобразователь

Предложен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на базе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), свободный от шумов квантования. Он отличается от известного исключением потерь времени при преобразовании параллельного кода в последовательный. Это позволяет увеличить девиацию длительности импульса ШИМ на 16%. В АЦП импульсы дискретизации ШИМ считаются двумя параллельными счетчиками на полупериодах несущей ШИМ.

Полезная модель (ПМ) относится к области формирования цифрового сигнала (ЦС).

Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП) сигналов на базе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), описанные в литературе, например в:

1. Ю.П.Борисов, П.И.Пеннин. Основы многоканальной передачи информации. - М.: Связь, 1967. - 298-299;

2. Г.В,Горелов, А.А.Волков, В.И.Шелухин. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи. - М.: ГОИ, 2007. - с.266-268.

По технической сущности наиболее близким к ПМ является АЦП, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за ее прототип. Во втором источнике описан аналог ПМ.

Прототип состоит из последовательно соединенных источника аналогового сигнала, модулятора ШИМ, схемы совпадений, цифрового счетчика импульсов, регистра сдвига, а так же из генератора импульсов, подключенного ко второму входу модулятора ШИМ, мультивибратора, подключенного ко второму входу схемы совпадений, генератора тактовых импульсов, подключенного ко второму входу регистра сдвига, дифференциатора, через который подключается выход модулятора ШИМ к входу разрешения на запуск регистра сдвига, блока временной задержки на время Т_пр преобразования параллельного кода в последовательный, через которое подключается выход дифференциатора к R - входу сброса счетчика в нуль. Погрешность АЦП пропорциональна времени Т_пр, которое существенно, так как число разрядов в кодовом слове значительное, равное 8.

Основным недостатком прототипа является относительно большая погрешность АЦП, так как значительная часто периода импульсов ШИМ отводится на время преобразования параллельного кода счетчика в последовательный, что снижает девиацию длительности импульса.

Техническим результатом ПМ является уменьшение погрешности АЦП путем увеличения девиации длительности импульса при ШИМ, что обеспечивают введенные элементы и их связи, исключающие потери времени при преобразовании параллельного кода в последовательный.

Сущность ПМ состоит в том, что в АЦП содержит последовательно соединенные источник аналогового сигнала, модулятор ШИМ, схему совпадений, цифровой счетчик импульсов, регистр сдвига, а так же генератор импульсов, подключенный ко второму входу модулятора ШИМ, мультивибратор, подключенный ко второму входу схемы совпадений, генератор тактовых импульсов, подключенный ко второму входу регистра сдвига, дифференциатор, через который подключается выход модулятора ШИМ к входу разрешения на запуск регистра сдвига, блок временной задержки на время Т _пр преобразования параллельного кода в последовательный, через которое подключается выход дифференциатора к R - входу сброса счетчика в нуль; введены дополнительно вторая и третья схемы совпадений, два цифровых инвертора, делитель частоты в 2 раза, три дифференциатора, две схемы 2И-НЕ, цифровой последовательный сумматор, причем, генератор импульсов подключен ко второму входу модулятора ШИМ через последовательно соединенные первый блок задержки по времени, делитель частоты в 2 раза, вторая схема совпадений подключена между первой схемой совпадений и первым цифровым счетчиком, а выход первого регистра сдвига подключен к одному входу цифрового сумматора непосредственно, ко второму входу которого подключен выход первой схемы совпадений через последовательно включенные третью схему совпадений, второй цифровой счетчик, второй регистр сдвига, к тактовому входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, вход делителя частоты в 2 раза подключен непосредственно ко второму входу второй схемы совпадений и через первый цифровой инвертор - ко второму входу третьей схемы совпадений; выход генератора импульсов ШИМ подключен к входу сброса в нуль первого счетчика через первый дифференциатор и второго счетчика - через второй цифровой инвертор и второй дифференциатор; первая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись первого регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5 В, а другой ее вход соединен с выходом первого цифрового инвертора через третий дифференциатор; вторая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись второго регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5 В, а другой ее вход соединен со входом делителя частоты в 2 раза через четвертый дифференциатор; входы разрешения на преобразование параллельного кода в последовательный обоих регистров сдвига соединены с выходом первого цифрового инвертора.

Существенным отличием ПМ являются введенные элементы и их связи, так как только они обеспечивают возможность максимальной девиации длительности импульса при ШИМ и тем самым минимизируют погрешность АЦП.

ПМ иллюстрируется чертежами.

На фигуре 1 представлена структурная схема АЦП, на фигуре 2 - временные диаграммы, поясняющие ее работу.

На фиг.1 обозначено:

1 - источник аналогового сигнала;

2 - широтно-импульсный модулятор (ШИМ);

3 - делитель частоты в 2 раза;

4 - блок временной задержки;

5 - генератор импульсов;

6, 13 - цифровые инверторы;

7 - мультивибратор;

8, 12, 14 - схемы совпадения (схемы И);

9, 10, 11, 15 - дифференциаторы;

16, 17 - цифровые счетчики;

18, 22 - схемы 2И-НЕ;

19, 21 - регистры сдвига;

20 - генератор тактовых импульсов;

23 - цифровой последовательный сумматор.

Введенные элементы находятся вне пунктирной линии.

Работа схемы происходит следующим образом.

Аналоговый сигнал u₁(t) поступает с источника 1 на низкочастотный (НЧ) вход модулятора 2, на высокочастотный (ВЧ) вход которого подается периодическая импульсная последовательность u₅(t) поднесущей частоты с генератора 5 через последовательно включенные блок временной задержки 4 и делитель 3 частоты в 2 раза. Импульсная последовательность u₃(t), как и u ₅(t), имеет форму меандра, когда на периоде Т длительность импульса равна длительности паузы =Т-, как показано на фиг.2.

В блоке 2 имеет место широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой ширина импульса на его выходе изменяется пропорционально амплитуде аналогового сигнала u₁(t), а период Т остается постоянным.

С выхода блока 2 колебание u₂(t) поступает на один вход первой схемы совпадения 8 (схемы И), на другой вход которой подается колебание u₇(t) мультивибратора 7 так же формы меандр, но длительность его импульсов во много раз меньше длительности самого короткого импульса ШИМ u₂(t). Импульсы u₇(t) дискретизируют по времени импульсы ШИМ в блоке 8, как показано на фиг.2. Число импульсов длительности на выходе схемы совпадений 8 пропорционально длительности импульса ШИМ. Эти импульсы u₈(t) поступают параллельно на одни входы второй 12 и третьей 14 схем совпадений, на другие входы которых подается колебание u₄(t) с выхода блока задержки 4: непосредственно на схему 12 и через цифровой инвертор 13 на схему 14. Так как период импульсов u₄(t) в 2 раза меньше периода колебаний u₃(t), то схемы 12 и 14 работают поочередно: в первую половину периода Т работает схема 12, пропуская на свой выход часть импульсов длительности схемы 8, а во вторую часть периода работает схема 14, пропуская на свой выход оставшуюся часть импульсов u₈ (t) на периоде Т. С выхода схемы 12 импульсы u₁₂(t) поступают на вход двоичного счетчика 16, а импульсы с выхода схемы 14 поступают на вход двоичного счетчика 17.

Перед поступлением этих импульсов счетчики 16 и 17 сбрасываются в нуль фронтами импульсов с генератора 5, которые опережают импульсы с выхода блока задержки 4. Для этого импульсы с выхода блока 5 подаются на R - вход счетчика 16 через первый дифференциатор 10, а на R - вход счетчика 17 - через последовательно включенные второй цифровой инвертор 6 и второй дифференциатор 11. С выхода счетчика 16 цифровой сигнал (ЦС) u₁₆(t) параллельного кода поступает на D - входы регистра 19 с параллельной загрузкой, а с выхода счетчика 17 ЦС поступает на D - входы второго идентичного регистра сдвига 21. Эти регистры сдвига 19 и 21 типа К555ИР9 имеют вход разрешения записи РЕ, вход разрешения считывания СЕ и тактовый вход С. Состояния этих входов для каждого режима представлены в табл.1, заимствованной из книги В.Л.Шило Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио, 1987 с.122.

Ко входу С обоих регистров подключен выход генератора 20 тактовых импульсов. На вход РЕ регистра 19 подается постоянное напряжение питания 5 В через микросхему 2И-НЕ 18, второй вход которой подключен к выходу блока задержки 4 через последовательно включенные цифровой инвертор 13 и третий дифференциатор 15. Как только счетчик 16 закончит счет импульсов на полупериоде на входе РЕ появится нуль напряжения (Н), и в этот момент происходит запись показаний счетчика 16 в регистр сдвига 19 (табл.1). В остальное время на выходе РЕ регистра 19 будет высокое (В) напряжение, что исключает запись и регистр находится в режиме хранения, что отмечено стрелочками на фиг.2. На вход РЕ счетчика 21 также подается напряжение питания 5 В через микросхему 2И-НЕ 22, второй вход которой подключен к выходу блока задержки через четвертый дифференциатор 9. Как только начнется первая половина периода импульса на выходе блока 4 или, что тоже самое, закончится работа счетчика 17, на входе РЕ счетчика 21 появится нуль напряжения (Н), и в этот момент происходит запись показаний счетчика 17 в регистр 21. В остальное время на входе РЕ регистра 21 будет высокое (В) напряжение, что исключает запись.

Вход СЕ обоих регистров подключен к выходу цифрового инвертора 13. Это значит, что считывание информации с обоих регистров, то есть преобразование записанного параллельного кода в последовательный будет происходить в паузах работы счетчика 17. Выход регистра 19 подключен к одному входу последовательного двоичного сумматора 23, а выход регистра 21 - ко второму его входу. На выходе сумматора 23 получается точное число импульсов длительности , соответствующее импульсу ШИМ блока 2 на данном периоде Т.

Технико-экономическим эффектом ПМ является уменьшение погрешности АЦП за счет увеличения девиации длительности импульса ШИМ с 0,8 до 0,96, то есть на 16%. Это достигнуто путем исключения потери времени на преобразование параллельного кода в последовательный путем считывания информации в паузах работы одного из счетчиков. Данный АЦП не имеет шумов квантования, так как отсутствует операция квантования отсчетов по уровню.

Таблица 1Состояние регистра К555ИР9
N п/п	Режим			С
1.	Параллельная загрузка	Н	x	x
2.	Последовательный сдвиг	В	Н
3.	Хранение	В	В	x
H - низкое напряжение;
B - высокое напряжение;
x - любое напряжение.

Аналого-цифровой преобразователь, состоящий из последовательно соединенных источника аналогового сигнала, широтно-импульсного модулятора (ШИМ), первой схемы совпадений, первого цифрового счетчика импульсов, первого регистра сдвига, а также из генератора импульсов, подключенного ко второму входу модулятора ШИМ, мультивибратора, подключенного ко второму входу первой схемы совпадений, и генератора тактовых импульсов, подключенного ко второму входу первого регистра сдвига, первого дифференциатора, подключенного входом к выходу модулятора ШИМ, а выходом - к входу разрешения считывания регистра сдвига, и блока задержки, подключенного между выходом дифференциатора и входом сброса счетчика в нуль, отличающийся тем, что в него введены дополнительно вторая и третья схемы совпадений, два цифровых инвертора, делитель частоты в 2 раза, три дифференциатора, две схемы 2И-НЕ, цифровой последовательный сумматор, причем генератор импульсов подключен ко второму входу модулятора ШИМ через последовательно соединенные первый блок задержки по времени, делитель частоты в 2 раза, вторая схема совпадений подключена между первой схемой совпадений и первым цифровым счетчиком, а выход первого регистра сдвига подключен к одному входу цифрового сумматора непосредственно, ко второму входу которого подключен выход первой схемы совпадений через последовательно включенные третью схему совпадений, второй цифровой счетчик, второй регистр сдвига, к тактовому входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, вход делителя частоты в 2 раза подключен непосредственно ко второму входу второй схемы совпадений и через первый цифровой инвертор ко второму входу третьей схемы совпадений; выход генератора импульсов ШИМ подключен к входу сброса в нуль первого счетчика через первый дифференциатор и второго счетчика - через второй цифровой инвертор и второй дифференциатор; первая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись первого регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5 В, а другой ее вход соединен с выходом первого цифрового инвертора через третий дифференциатор; вторая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись второго регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5 В, а другой ее вход соединен со входом делителя частоты в 2 раза через четвертый дифференциатор; входы разрешения на преобразование параллельного кода в последовательный обоих регистров сдвига соединены с выходом первого цифрового инвертора.