Последовательно-параллельный аналогоцифровой преобразователь

Последовательно-параллельный аналогоцифровой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О- Й И"С А Н И Е < 743193

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советски к

Социапистически к

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заивлеио06.01.78 (21) 2565154/18-21 (5} ) М. КЛ.

Н 03 К 1З/175 с присоелинеиием заявки ¹

Гасударстеенный комитет (2;5) Приоритет на делам изобретений и открытий

Опубликовано 25,06.80. Бктллстеиь № 2Э (53) УДК,621 325 (088.8) Дата опубликования описания 80.06.80 (72) Авторы изобретения

С. В. Архангельский, Б. В. Исаев, B. И КачУР и С. В. Радаев

Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта (71) Заявитель (54) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АНАЛОГОЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к вычиспительной и измерительной технике и предназначено для использования в автоматизированных системах обработки информации, например в гибридных вычислитепьных и управляющих системах, в автоматизиро-, ванных системах для исследования речевых сигналов.

Известен аналого-цифровой преобразователь (АБП) параплельного типа, работающий по принципу считывания и содержащий нуль-органы (компараторы), количество которых зависит от требуемой точности преобразования, и копирующие логические схемы, входы которых подключены т к выходам нуль-органов (11 . Первые входы всех нуль-органов объединены и подключены к входу всего устройства, а по вторым входам задаются фиксированные, определенные для каждого пуль-органа, 1 пороги срабатывания так, что эти пороги образуют своего рода координатную сетку для входного сигнала, которая схватывает весь диапазон возможных изменений вход2 ного сигнала и шаг которой равен одному кванту.

AIIH обладает наибольшей максимальной допустимой скоростью изменения кодируемого сигнала по сравнению с любымидругими типами А11П. Это объясняется тем, что динамическая погрешность АЦП обусловлена лишь нестабильностью времени срабатывания нуль-органов, которая, как правило, очень мала.

Недостатком AIIII является то, что с увеличением точности существенно возрастает его сложность, которая зависит от количества нулторганов в схеме, т.е. ее порядок определяется величиной 2 где Ь вЂ” число разрядов выходного кода.

Последнее обстоятельство ограничивжт точность А11П на уровне 4...5 двоичных раз рядов.

Известен АЦП последовательно-параллельного типа с переменными порогами, содержащий параллельный АЦП, один из входов которого является входом устройства; схему управления и формирования выходных кодов, входы которой соединены з 743 с выхоцамн параллельного АБП; формирователь порогов, входы которого подключены к выходам схемы управления и формирования выходных кодов, а выходы — к входам параллельного АБП; цифро-аналоговый пре обраэоватепь, входы которого соединены с выходами схеМы управления и формирования выходных кодов, а выход - с входом формироЬатепя порогов (2g .

Одно преобразование в таком АБП происходит за несколько тактов, на каждом

10 из которых формируется определенная группа разрядов выходного кода, начиная со старших разрядов.

Диапазон значений входного сигнала, охватываемый порогами параллельного

AHII, а также ширина зоны между порогами, т.е. цена деления координатной сетки, к началу каждого последующего такта уменьшаются в несколько раз, образуя бо20 лее точную кодирующую сетку, Каждый промежуточный результат кодирования, кроме послецнего, запоминается, с помощью . цифроаналогового преобразователя (IIAII) декодируется и участвует в формировании порогов параллельного АБП на последующем такте. Выходной сигнал HAEI в начале кажцого такта определяет место положения на оси ординат начала кодирующей сетки, соответствующей данному такту.

Достоинством таких АБП является значительно меньшая сложность по сравнению с параллельными АБП и высокая точность, которая при малой сложности достигается, за счет увеличения числа тактов преобра35 зов ания.

Недостатком АБП данного типа по сравнению с параллельным АБП является низкая максимальная допустимая скорость изменения входного сигнала, которая долж на быть такой, чтобы в начале каждого такта преобразования входной сигнал всегда оказывапся в пределах диапазона, охватываемого порогами параллельного АБП.

Ограничения на указанную скорость накладываются величиной возникающей динами45 ческой погрешности преобразования, которая, в свою очередь, в данных АБП прямо пропорциональна длительности переходных процессов, связанных с переключением цифроаиапогового преобразователя и формирователя порогов.

Известен последов атепьно-параллельный

АБП с переменными порогами, имеющий иа входе буферное устройство - блок выборки и запоминания входного сигнапа, ко- 55 торый выполняет функции дискретизатора непрерывного сигнала и состоит в основном из стробируемого аналогового ключа

193 4 и накопительного конденсатора 3 . В данном устройстве в течение времени строба аналоговый ключ открыт, и напряжение на конденсаторе стремится к уровню сигнала Ho oKQH tsHHH cTpo6Q ключ закрывается, а зафиксированное на конденсаторе напряжение квантуется с помощью последов атепьно параллельного

АБП с переменными порогами. Время запоминания на конденсаторе величины аналогового сигнала, которое равно времени размыкання ключа, в подобных схемах, как правило,. мало. После раэмыкания ключа велиЧина сигнала, который эапоминжтся на конденсаторе, перестает завимть от изменений входного сигнала устройства и может оставаться постоянной в течение длительного времени, поэтому поопедовательно-параллельный АБП, подключенный к выходу блока выборки и запоминания и начинающий:функционировать пос-, ле раэмыкания аналогового ключа этого блока, осуществляет квантование постоянного по уровню сигнала. Таким образом, динамическая погрешность данного AIITI определяется лишь мапым временем раэмыкания аналогового ключа, поэтому такие Allll имеют достаточно высокую максимальную допустимую скорость изменения входного сигнала

Недостаток АБП состоит в низкой точности преобразования.

Бель изобретения — повышение статической точности преобразователя при сохранении высокой максимапьной допустимой скорости изменения входного сигнала и малой сложности схемы.

Поставленная цепь достигается тем, что в последовательно-параллельный аналогоцифровой преобразователь, содержолий параллельный аналого-цифровой преобразователь, один из входов которого является входом всего устройства, схему управления и формирования выходных кодов, входы которой соединены с выходами параллельного аналого-цифрового преобразователя, формирователь порогов, входы которого подключены к выходам схемы управления и формирования выходных кодов, а выходык входам параллельного аналого-цифрового преобразователя, цифроаналоговый преобра-. зователь, входы которого соединены с выходами схемы управления и формирования выходных колов, а выход - с входом формирователя порогов, введены дифференцирующий усилитель, вход которого подклк чен к входу всего устройства, и параллельный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом диф

5 743 ренцируюшего усилителя, а выходы - с входами схе!ь! управления и формирования выходных кодов.

Не фиг. 1 изображена общая структурная схема предлагаемого AUII; на фиг. 2 — структурная схема 10-разрядного АБП предлагаемого типа.

АЦП содержит параллельный аналогоцифровой преобразователь 1, формирователь

2 порогов, управляюший автомат 3, цифро-lo аналоговый преобразователь 4, диффере!щ!руюший усилитель 5, параллельный аналого-цифровой преобразователь 6. цикл работы атого устройства осущест вляется эа несколько тактов, в конце каж-15 дого из которых формируется определенная группа разрядов выходного кода, Количество и длительность тактов определяются количеством и периодичностью внешних тактовых импульсов, поступаюших на вход ре управляющего автомата.

В начале каждого такта выходные коды

АЦП1 и АПП6 фиксируются в управляющем автомате, после чего последний вырабаты- 2s веет сигнал, по которому цена деления кодируюшей сетки цорогов АЦП 1 уменьшается в несколько раэ с помошью формирователя 2 порогов. Управляющий автомат по вькодному коду АБП 6 определяет на 30 сколько изменится кодируемый сигнал эа время данного такта. цифровой код, отражающий предстояшее изменение кодируемого сигнала, алгебраически складывается с выходным кодом AUll 1. Полученная сум- >> ма участвует в формировании выходного кода устройства и одновременно поступает на входы 11АП 4. Выходной сигнал ПАП изменяет постоянную составляющую порогов AUIT 1 и тем самым задает на оси 4О напряжений место положения новой, более точной, кодируюшей сетки порогов А1ХП 1, с помощью которой уточняется значение входного сигнала на последующем такте.

По окончании цикла преобразования управ-45 ляющий автомат вырабатывает импульс, резреш,аюший вьшечу результата преобразования во внешние устройства.

10-разрядный АБП (см. фиг. 2) имеет относительную статическую погрешность, 5В не превышеюшую 0,1%, и максимальную допустимую скорость изменения кодируемого сигнала !-32 кванта в микросекунду и позволяет кодировать биполярный синусоидапьный тестовый сигнал частоты 55

10 кГц и амплитуды 512 квантов с динамической погрешностью, не превышающей одного кванта.

193 б

АБП содержа!т фильтр 7 нижних частот с полосой пропуска!и!я 0»1 0 КГд HG Вход которого поступает копируемый аналоговый сигнал; согласуюший усилитель 8; основной параллельный АПП, состояший из нуль-ор»ганов 9 — 27, пороги срабатывания которых задаются с помощью формирователя

28 порогов и изменяются при изменении выходных напряжений двухрезрядного ПАП

29 и семиразрядного КАП 30. Входные сигналы UAII 29 и UAH 30 задаются управляющим автоматом 31, который кроме того формирует выходной код (результат аналого-цифрового преобразования) и сит нел окончания преобразования (сигнал, разрешающий считывание выходного кода).

AUII содержит также генератор 32 тактовых сигналов „дифферендируюший усилитель 33, вспомогательный .параллельный

AUII, состояший из нул органов 34-40, пороги срабатывания которых постоянны и задаются с помошью формирователя 41 порогов. ЦАП 29 служит для задания цены деления кодируюшей сетки порогов нульорганов 9-27. При изменении входного кода ЦАП 29 от 1 до 3 указанная цена деления принимает значения, равные соответственно 1/16, 1/128, 1/1024 диапазона допустимых значений кодируемого сигнале. UAII 30 управляется семью старшими разрядами выходного кода ус! ройства и задает общую постоя!и!ую составляющую порогов нуль-органов 9-27, т.е. определяют место положения на оси напряжений центра кодируюшей сетки, образуемой порогами нуль-органов 9-27.

Нуль-органы 11-25 являются основными, а нуль-органы 9,10,26,27 — дополн!!тельными (назначение дополнительных нульорганов будет пояснено ниже).

На фиг. 2 нуль-органы 9-25 расположены сверху вниз в порядке убывания величин их порогов срабатывания. Пороги нуль-органов 9 и 10 всегда соответстве!и!о на два и одно деление выше, а нуль-органов

27,25 - на два и одно деление ниже шкалы пороговых уровней основных нуль-органов. Тек как предлагаемый AUDI предназначен для преобразования биполярных сигналов, при выходном напряжении ЦАП

30, равном нулю, пороги срабатывания нуль-органов .9-16 положительны, а нульорганов 19-27 - отрицательны. I10pol срабатывания нуль-органа 18 зависит только от выходного напряжения ЦАП 30 и является местом положения на оси напряжений центра кодируюшей сетки пор . гов нуль-органов 9-27, Выходное напря7 743 жение пифференцирующего усилителя 33 в каждый момент времени пропорционально скорости изменения кодируемого сигналвб

Допопнительный параллельный АБП, состоящий из нуль-органов 34-40 и формироватепя 41 порогов предназначен для измерения скорости изменения кодируеьюго сигнала. Пороги срабатывания нуль-оргенов 34,35,36 - попожитепьны, нуль-органов 38,39,40 - отрицательны, нуль1О органа 37 равен нулю. Бена депения шкапы пороговых уровней нуль-органов равна

8 квантам в микросекунду, а предепы измерения +32 кванта/мкс.

Генератор 32 спужит для синхронизации работы устройства. Он работает в

15 ждущем режиме и после каждого поступпения HB его ВхоВ внешнего запускающего сигнапа вырабатывает серию тактовых импульсов, состоящую из четырех импупь сов, следующих с периодом 1 мкс. Первый импульс серии соответствует началу работы устройства, последний — окончанию.

Таким обрезом, цикл работы устройства состоит из четырех тактов; длительность такта равна 1 мкс, время пребывания

3 мкс. Порядок формирования выходного кода следующий: в первом такте определяются 4 старших разряде, во втором - следующие три, в третьем - три младших раэ- З ряда, в четвертом такте происходит выдача результата преобразования во внешние цепи.

Устройство работает спедующим образом.

При включении устройства (а в дель" нейшем по четвертому тактовому импульсу) все блоки АБП переходят в исходное состояние, а именно: в младший разряд входного регистра БАП 29 и в старший разряд входного регистра БАП 30 заносятся единицы, в остальные разряды этих реги- 4О стров - вупи. При этом выходное напряже,ние UAII 30 становится равным нулю, а цена депения кодирующей сетки порогов нупь-органов 9-27 .равной 1/16 диапазона цопустимых значений кодируемого сит

45 нала. В этом случае внутри диапазоне допустимых значений кодируемого сигнала оказываются пороги только основных нуль-органов 11-25, поэтому в первом такте учитьваются состояния только основ- 5О ных нупь-органов. С приходом внешнего запускающего сигнала вкпючается генератор 32 тактовых импульсов, и начинает ся непосредственно преобразов ание.

П е р в ы и т а к т. Состояние нуль- 55 органов 11-25 и состояние (знак скорооти изменения кодируемого сигнала) нульоргане 37 фиксируются в управляющем

1S3 8 автомате 31. Во входной регистр БАП 29 записывается код 2 . B евтомате 31 неI позиционный единичный код, считанный с выходов, нуль-органов 11-25, преобразуется в четырехразрядный двоичный позиционный код. Если скорос 1ь изменения коыипуемого сигнала неотрицатепьна, то полученный четырехразрядный код в арифметическом устройстве автомата 31 увепичивается на единицу мпадшего из четырех разрядов, и сумма записывается в старшие разряды входного регистра БАП

24, в противном спучае указанный код записывается в регистр БАП 30 без изменения.

В результате перечисленных оперений к началу второго такта цене деления кодирующей сетки порогов нуль-органов 9-

27 становится равной 8 квантам. Бентр новой шкапы оказывается на уровне, соо ветствующем входному коду БАП 30. Так как диапазон (+72 кванта) изменений кодируемого сигнапа, который будет контролироваться нуль-органами 9-27 на втором такте, вепик по сравнению с максимально возможным изменением (32 кванта) этого сигнапа за время (1 мкс) первого такта, конкретная величина скорости изменения кодируемого сигнала в первом такте в расчет не берется, а учитывается лишь знак этой скорости.

При увеличении зафиксированного кода на единицу учитывается тот факт, что атот код дает представление лишь о зоне возможных значений кодируемого сигнала, тогда кек сам сигнал в момент считыв ния кода может находиться на уровне верхней границы атой зоны, увепичиваясь с максимапьной скоростью (32 кванта/такт).

Поэтому если не осуществить укаэанную коррекцию считанного кода, копируемый сигнал к началу второго такта может выйти иэ-под контроля нуль-органов 9-27.

В т о р о и т а к т . Состояния нудь-органов 9-27, 34-40 фиксируются в автомате 31. Во входной регистр UAII

29 записывается код "3, в результате чего цена деления последней, самой точ ной копирующей сетки порогов нуль-органов 9-25 к началу третьего такта окажется равной одному кванту.

Непоэиционные единичные. коды, считенные с выходов нупь органов преобразуются в позиционные двоичные допопнитедьные коды. Считанное с выходов нупь органов 9-25, 34-40 число считается отрицательным, если в момент считывания нуль-орган 12 (31) находился в нулевом состоянии (его выходной сигнал б

93 10 тывание информации выходов основных нульорганов совпало с моментом изменения состояния какого-либо иэ этих нульорганов (и поэтому новое состояние этого нуль-органа не было зафиксировано). При этом ускорение изменения кодируемого сигнала было максимальным (2 кванта-мкс при

2 кодироватптя с точностью 10 двоичных разрядов синусоидального сигнала часготы

10 кГц и амплитуды 512 квантов) и гюго: янным в течение такта.

Кроме того, указанная ситуация может возникнуть из-эа погрешности скорости изменения копируемого сигнала, складь в ающейся из погрешности дифференцирования копируемого сигнала и погрешности квантования выходного напряжения дифференцирующего усилителя 33.

Гт 7431 был тптже порога) и считается положительным, если нуль-орган 18 (37) находился в единичном состоянии (его входной сигнал был выше порога). При этом в первом случае содержимое цифровых разрядов считываемого числа определяется состоянием нуль органов 19-27 (38, 39,40), во втором — состоянием нуль-органов 9-17, (34, 35, 36).

Преобразованный выходной код вспомо- ip гательного параллельного АБП складывается с 1" своего младшего разряда, а затем с преобразованным выходным кодом основного параллельного А11П. Полученная в результате этих операций сумма сдви35 гается на три позиции в сторону младших разрядов, складывается с содержимым входного регистра IlAH 29, и результат заносится во входной регистр ЦАП 29 в прямом коде.

Сложение кода, считываемого с нульорганов 24-40, с единицей (т.е. увеличение на 1 положительного числа и уменьшение на 1 абсолютной ве.личины отрицательного) компенсирует погрешность кодирования, связанную с ограниченностью 25 разрешающей способности вспомогательного параплельного АЦП, и имеет тот же смысл, что и коррекция, осуществляемая на первом такте.

Т р е т и и т а к т. Состояния нуль-3р органов 9-27 фиксируются в управпяющем автомате 31. Полученный код преобразуется в позиционный двоичнътй дополнительный код, сдвигается на шесть позиций в сторону младших разрядов и складывает- 35 ся с дополнительным кодом содержимого входного регистра КАП 29 и, таким образом, оказывается фсормированным 10разрядный выходной код устройств а

Ч е т в е р т ы и т а к т. Управля- 40 ющий автомат 31 вырабатывает сигнал окончания цикла преобразования, по которому результат преобразования выдается во внешние цепи. Одновременно AllH возвращается в исходное состояние.

45 . Наличие в схеме основного параллельного АБП четырех дополнительных нульорганов 3,4,20,21 позволяет обеспечить требуемую точность кодирования аналогового сигнала в случае, если в моменты считывания информации с выходов основных

50 нуль-органов 11-25 во втором или третьем такте кодируемый сигнатт окажется более чем на одно деление за пределами кодирующей сетки порогов основных нул органов, 55

Такая ситуация может возникнуть в результате того, что предыдущее по отношению ко второму или третьему такту) счиФормула изобретения

Последовательно-параллельный аналого-цифровой преобразователь, содержащий параллельный аналого-цифровой преобразователь, один из входов которого является входом всего устройства, схему управле ния и формирования выходных кодов, входы которого соединены с вьгходами параллельного аналого-цифрового преобразователя, формирователь порогов, входы которого подключены к выходам схемы управления и формирования выходных колов, 4 а выходы — к входам параллельного аналого-цифрового преобразователя, цифроаналог овый преобразователь, входы которого соединены с выходами схемы управления и формирования выходных кодов, а выход — с входом формирователя порогов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при высокой максимальной допустимой скорости изменения входного т сигнала; малой сложнооти устройства, в него введены дифференцирующий усилитель, вход которого подключен к входу устройства, и параллельный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом дифференцирующего усилителя, а выходы - с входами схемы управления и формирования выходных кодов, I

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гитис Э. И. Преобразователи информации для электроттных цифровых вычислительньтх устройств. М,, Энергия", 1 975, с. 79.

2. Зарубежная радиоэлектроника. М., Сов. радио," 1975, М 1, с. 32-34.