Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код. Техническим результатом является повышение быстродействия. Устройство содержит схему сравнения, блок выделения абсолютного значения входного сигнала, первый и второй компараторы, триггер, генератор тактовых импульсов, первый и второй элементы И, первый и второй элементы НЕ, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), регистр, дешифратор, коммутационную матрицу. 4 ил.

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 которой 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 АЦН, третий вход которого соединен с выходом элемента И, а второй выход - с 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).

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, содержащего схему сравнения (СС), на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение и являющийся первым входом устройства, а к второму входу подключен выход ЦАП, входы которого 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, первый и второй элементы НЕ, дешифратор и коммутационная матрица, выходы которой подключены к пятым входам регистра, а входы соединены с вторыми выходами регистра, первые выходы которого соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с входами ЦАПа, выход схемы сравнения соединен с входом блока выделения абсолютного значения и первым входом второго компаратора, второй вход которого подключен к шине "Земля", а выход соединен с четвертым входом регистра и входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с третьим входом регистра, выход блока выделения абсолютного значения 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, со вторым входом первого элемента И и. является вторым выходом устройства, третий вход второго элемента И соединен с выходом первого элемента НЕ, а выход соединен с вторым входом триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, вход первого элемента НЕ соединен с выходом генератора, второй вход регистра является четвертым входом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в него введены блок выделения абсолютного значения, два компаратора, триггер, элемент И, два элемента НЕ, дешифратор и коммутационная матрица, 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 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 па фиг. 1, где 1 - схема сравнения; 2 - блок выделения абсолютного значения входного сигнала; 3, 4 - первый и второй компараторы; 5 - триггер; 6 - генератор тактовых импульсов; 7, 8 - первый и второй элементы И; 9, 10 - первый и второй элементы НЕ; 11 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 12 - регистр; 13 - дешифратор; 14 - коммутационная матрица.

Схема сравнения 1 предназначена для сравнения входного преобразуемого напряжения и напряжения с выхода ЦАП. С помощью блока выделения абсолютного значения 2 определяется абсолютное значение разности между входным преобразуемым напряжением U_вх и напряжением с выхода ЦАП. Первый компаратор 3 срабатывает, если величина напряжения на выходе блока выделения абсолютного значения будет меньше уровня напряжения, поступающего на второй вход компаратора с второго входа АЦП (на этот вход подается напряжение, которое задает максимальную погрешность преобразования ). Сигнал на выходе первого 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. Триггер 5 определяет состояние, в котором находится АЦП. В первый момент с приходом импульса на третий вход АЦП "Пуск" триггер переходит в состояние "1". По окончании преобразования он переходит в состояние "0" по сигналу с выхода второго элемента И 8.

Генератор тактовых импульсов 6 предназначен для синхронизации работы АЦП. Первый элемент И 7 разрешает прохождение импульсов с генератора 6 на вход записи регистра 12, когда АЦП находится в состоянии преобразования измеряемой величины. Второй элемент И 8 предназначен для выдачи импульса на управляющий вход триггера 5 и перевода его в состояние "0" по окончании цикла преобразования. Первый элемент НЕ 9 инвертирует импульсы с выхода генератора 6, благодаря чему исключается формирование импульса на выходе элемента И 8 (т.е. выдачу сигнала об окончании преобразования) из-за переходных процессов в АЦП. Второй элемент НЕ 10 предназначен для формирования инверсного сигнала с выхода второго компаратора 4. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11 преобразует код, поступающий с выхода дешифратора 13 в аналоговое напряжение.

С помощью регистра 12, дешифратора 13 и коммутационной матрицы 14 реализуется оптимальная процедура подбора кода в процессе преобразования. Структура этих блоков в общем виде приведена на фиг. 2. Регистр 12 состоит из M триггеров 15, и по M элементов И 16, 17. Величина M связана с разрядностью n АЦП следующим соотношением: М= 2ⁿ. Вход 18 является первым входом регистра и на него подаются импульсы с генератора 6 через первый элемент И 7 (фиг. 1) в процессе преобразования. Вход 19 является вторым входом регистра и предназначен для установки его в исходное состояние (он соединен с четвертым входом АЦП - "Установка в исходное состояние"). Входы 20 и 21 регистра являются соответственно третьим и четвертым входами регистра, и на них подаются соответственно прямой и инверсный сигналы с выхода второго компаратора 4. Дешифратор 13 предназначен для преобразования единичного кода с выхода регистра 12 в двоичный код. Коммутационная матрица 14 задает последовательность, в соответствии с которой производится подбор кода. Дешифратор 13 и коммутационная матрица 14 могут быть реализованы на программируемых логических матрицах, которые позволяют задавать произвольные логические функции, создавая необходимые соединения в узлах пересечения горизонтальных и вертикальных шин (Баранов С.И. Синтез программируемых автоматов. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. - С. 21 1-212).

Реализацию оптимальной стратегии подбора кода с помощью блоков 12, 13, 14 рассмотрим для случая 4-разрядного АЦП и использования стратегии "половинного разбиения". Схема блоков 12, 13, 14 для этого случая приведена на фиг. 3. Стратегию подбора оптимального кода при этом можно изобразить в виде графа (фиг. 4), где вершины соответствуют текущему коду, подаваемому на вход ЦАП 11. Как следует из фиг. 4 в начале преобразования на вход ЦАП 11 подается код числа 8. Если при этом напряжение на выходе ЦАП 11 будет меньше преобразуемого напряжения (на выходе второго компаратора 4 будет сигнал, соответствующий логическому нулю), на следующем такте преобразования на входе ЦАП должен быть сформирован код числа 4, в противном случае - код числа 12 (на выходе второго компаратора 4 будет сигнал, соответствующий логической единице). Этот процесс будет продолжатся до тех пор, пока не будет достигнута заданная погрешность преобразования.

Рассмотрим работу блоков 12, 13, 14 при реализации указанной выше процедуры подбора кода. В начальный момент на вход 19 регистра 12 подается импульс, который устанавливает первый триггер в единичное состояние, а все остальные - в нулевое. Сигнал с выхода первого триггера соединен с первой вертикальной шиной дешифратора, которая в свою очередь соединена перемычкой с горизонтальной шиной дешифратора 13, соответствующая третьему разряду кода на его выходе. Таким образом, на выходе дешифратора будет сформирован код числа 8 (1000₂ в двоичной системе счисления).

Теперь предположим, что на вход 20 регистра 12 будет подан сигнал, соответствующий логической единице, а на вход 21 - логический нуль. При этом сработает элемент И 16, соответствующий первому триггеру регистра 12. Его выход через коммутационную матрицу соединен с информационным входом второго триггера регистра 12. С приходом синхроимпульса на вход 18 регистра первый триггер установится в нулевое состояние, а второй - в единичное. Сигнал с его выхода будет подан на вторую вертикальную шину дешифратора, которая соединена перемычкой с вторым разрядом ЦАП. Таким образом на входе ЦАП установится код, соответствующий числу 4.

Если же на вход 20 регистра 12 будет подан сигнал, соответствующий логическому нулю, а на вход 21 - логическая единица, то сработает элемент И 17, соответствующий первому триггеру. Выход этого элемента И соединен с информационным входом третьего триггера регистра 12. С приходом синхроимпульса на вход 18 регистра в единичное состояние установится третий триггер, а остальные - в нулевое. Сигнал с его выхода будет подан на третью вертикальную шину дешифратора, которая соединена перемычками с первым и вторым разрядами ЦАП. При этом на выходе дешифратора код, соответствующий числу 12.

Таким образом на выходе дешифратора 13 будет формироваться код, зависящий от значения сигналов на входах 20 и 21 регистра 12 (если первоначальный код, записанный в регистре 12, был равен 8, то при подаче логической единицы на вход 20 и логического нуля на вход 21 следующий код будет равен 4, а если на входе 20 будет логический нуль и на входе 21 - логическая единица, следующий код будет равен 12). Создавая или удаляя перемычки на коммутационном поле 14, очевидно можно реализовать любую последовательность подбираемых кодов в процессе преобразования.

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

После включения устройства на четвертый вход АЦП ("Установка в исходное состояние") подается импульс, который поступает на второй вход регистра 12, устанавливая его в исходное состояние. При этом на выходе дешифратора формируется первая кодовая комбинация, в соответствии с заданной стратегией подбора кода (например, в случае четырехразрядного АЦП и использовании стратегии, показанной на фиг. 4, первоначально формируется код числа 8). На выходе ЦАП 11 устанавливается соответствующее напряжение, которое сравнивается с входным напряжением U_вх с помощью блока сравнения 1. Напряжение U_сс па выходе схемы сравнения 1 будет равно разности входного напряжения и напряжения с выхода ЦАП U_ЦАП: U_cc = 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 четвертый вход регистра 12, а на третий вход регистра 12 поступит его инверсия (благодаря второму элементу НЕ 10).

При подаче импульса на вход "Пуск" АЦП триггер 5 переводится в состояние "1" и разрешает прохождение импульсов с тактового генератора 6 через первый элемент И 7 на первый вход регистра 12. С приходом очередного импульса на первый вход регистра 12 он будет переходить в другое состояние, которое зависит от значения сигнала на выходе второго компаратора 4, а также от связей между отдельными элементами регистра 12, которые задаются коммутационной матрицей 14. Связи в коммутационной матрице устанавливаются в соответствии с реализуемой стратегией подбора кода (подробное описание работы регистра 12, коммутационной матрицы 14 и дешифратора 13 при реализации заданной стратегии подбора кода было дано выше). Таким образом в зависимости от соотношения между напряжением на выходе ЦАП 11 и входным преобразуемым напряжением, а также от установленных перемычек в коммутационной матрице 14 будет реализована заданная стратегия подбора кода. Изменяя соединения в коммутационной матрице 14, очевидно, можно реализовать любую процедуру подбора кода, учитывающую статистические характеристики преобразуемого напряжения.

В том случае, если напряжение на выходе блока выделения абсолютного значения 2 будет меньше напряжения , подаваемого на второй вход АЦП (уровень этого сигнала соответствует требуемому значению погрешности преобразования), сработает первый компаратор 3, а затем по окончании очередного импульса с тактового генератора 6 сработает второй элемент И 8 (импульсы на вход второго элемента И 8 поступают с выхода генератора 6 через первый элемент НЕ 9). Импульс с выхода второго элемента И 8 установит триггер 5 в исходное состояние, и на этом процесс преобразования завершится. На выходе дешифратора 12 установится значение кода, соответствующее преобразуемому напряжению с данной погрешностью преобразования. Выход с триггера 5 поступает на второй выход АЦП, тем самым сигнализируя о состоянии, в котором находится АЦП.

Если не будет подан импульс на вход "Установка в исходное состояние", при следующем цикле преобразования подбор кода будет производится начиная с кода, который был записан в регистре 12 при предыдущем преобразовании. Если преобразуемое напряжение U_вх изменится незначительно, то время преобразования, очевидно, уменьшиться.

Следует заметить, что по достижении висячей вершины на фиг. 4 следующим значением кода будет исходное значение кода (в данною случае число 8), и процесс преобразования начнется с начального кода.

Таким образом, предложенный аналого-цифровой преобразователь позволяет реализовать любую процедуру подбора кода. Применение оптимальной процедуры позволит уменьшить время преобразования, благодаря учету статистических характеристик преобразуемого сигнала. Кроме того, АЦП позволяет производить преобразование с заданной погрешностью.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий схему сравнения, на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение и являющийся первым входом устройства, а ко второму входу подключен выход цифроаналогового преобразователя, входы которого являются выходами устройства, 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, первый и второй элементы НЕ, дешифратор и коммутационная матрица, выходы которой подключены к пятым входам регистра, а входы соединены со вторыми выходами регистра, первые выходы которого соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с входами цифроаналогового преобразователя, выход разности входного напряжения и напряжения с выхода цифроаналогового преобразователя схемы сравнения соединен с входом блока выделения абсолютного значения и первым входом второго компаратора, второй вход которого подключен к шине "земля", а выход соединен с четвертым входом регистра и входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с третьим входом регистра, выход блока выделения абсолютного значения 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, со вторым входом первого элемента И и является вторым выходом устройства, третий вход второго элемента И соединен с выходом первого элемента НЕ, а выход соединен со вторым входом триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, вход первого элемента НЕ соединен с выходом генератора тактовых импульсов, второй вход регистра является четвертым входом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4