Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

о и и сХн

Союз Советских

Социалистических

Республик ()879770

К ДВТОВСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05. 10. 79 (21) 2825214/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 07.1181. Бюллетень ¹ 41

Дата опубликования описания 07. 11. 81 (51)М. Кл.з

Н 03 К 13/17

Государственный комитет

СССР но делам нзобретеннй н открытнй (53) УДК 681. 325 (088. 8) (72) Автор изобретения

Н.Н. Протченко (71) Заявитель (54 ) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для преобразования напряжения униполярного сигнала в двоичный код в системах цифровой обработки, качество работы которых существенно зависит от изменения масштаба величин преобразуемых сигналов.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, прямой вход которого подключен к входной шине, реверсивный счетчик, вход прямого счета которого подключен к выходу компаратора непосредственно, а вход обратного счета — через инвертор ЦАП, и входов которого подключены к выходам реверсивного счетчика, а выход — к инверсному входу компаратора, и генератор тактовых импульсов, подключенный к тактовому входу реверсивного счетчика (13.

Недостатком этого преобразователя является невозможность преобразования сигналов разных масштабов в код одного масштаба.

Известен также преобразователь напряжения в код, реализующий метод поразрядного уравновешивания с раздельным определением кодов порядка и мантиссы для каждого значения сигнала. Для этого цепь обратной цифроаналоговой связи разделена на две части-ЦАП порядка и ЦАП мантиссы, к которым подключены дешифратор с регистром порядка и регистром мантиссы соответственно, управляемые сигналами с устройства управления (2 .

Часто реальные сигналы по разным причинам изменяют масштаб с течением времени, т.е. являются нестационарными процессами. Обычно в таких системах обрабатывают отрезки сигналов ограниченной длительности (реализации), в пределах которых сигнал изменяется в небольшом динамическом диапазоне и может считаться стационарным. Однако от реализации к реалиЗации масштаб сигнала может изменять,ся, например, при подключении к другому источнику сигнала, при перестройке радиоприемного устройства на другую частоту и т.д. В таких системах используется информация не об абсолютных значениях сигнала, а о его форме. Желательно согласовать сигнал в пределах одной реализации со шкалой преобразования так, чтобы наибольшее значение не выходило эа пределы этой шкалы, что может быть достигну3() - то путем нормирования всех значений

879770 сигнала в пределах одной реализации относительно наибольшего значения.

Такой подход позволяет сократить число разрядов аналого-цифрового преобразователя до минимума, определяемого лишь достаточной точностью представления значений сигнала числовыми эквивалентами. Это позволяет сократить число разрядов арифметического

Лустройства и памяти сопряженного с

АЦП специализированного вычислителя, что ведет в общем к сокращению объема оборудования, стоимости, веса аппаратуры и существенному повышению быстродействия, т.е. позволяет оптимизировать систему обработки по многим параметрам. Известный преобразо- 15 ватель, таким образом, не позволяет оптимизировать указанные системы обработки, что является его недостатком.

Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик преобразователя.

Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор .тактовых импульсов, блок управления, компаратор,прямой вход которого подключен к входной шине, а инверсный — через последовательно соединенные первый и второй цифро-аналоговые преобразователи подключен к шине опорного напряжения, введены первый и второй элементы. И, элемент И-НЕ, реверсивный и двоичный счетчики, элемент запрета, блок

35 ключей и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу компаратора и к первым входам первого и второго элементов И, а выход подключен к входу обратного счета реверсивного счетчика,40 вход прямого счета которого соединен с выходом первого элемента И, тактовый вход через элемент запрета к выходу генератора тактовых импульсов и второму входу второго элемента И, 4 вход сброса соединен с первым выходом блока управления с входом сброса двоичного счетчика, а выходы соединены с входами первого цифро-аналогового преобразователя с входом блока ключей, а и-й выход подключен к третьему входу второго элемента И и первому входу элемента И-НЕ,четвертый вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ и вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с вторым входом элемента запрета, и к управляющему входу блока ключей, при этом выход элемента И-НЕ соединен с вторым входом первого элемента И, а выход ф) второго элемента И соединен с счетным входом двоичного счетчика, выходы которого соединены с входами второго цифро-аналогового преобразователя. 6S

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя.

Он содержит компаратор 1, инвертор

2,первый элемент И З,элемент И-НЕ 4, блок управления 5, реверсивный счетчик 6, элемент запрета 7,первый цифро-аналоговый преобразователь 8 блок ключей 9, второй элемент И 10, двоичный счетчик 11, второй цифроаналоговый преобразователь 12 и генератор 13 тактовых импульсов.

АЦП работает циклично. Каждый цикл работы состоит из двух последовательных этапов: Нормализация и

Преобразование. Последовательность работы АЦП определяется сигналами, вырабатываемыми блоком управления 5.

Длительность этапа "Нормализация" определяется длительностью импульса

"Строб", которая устанавливается перед работой преобразователя с учетом статистических свойств преобразуемого сигнала так, чтобы на этом этапе наблюдалось не менее одного наибольшего значения сигнала. В начале этапа блок управления 5 формирует импульс

"Сброс", который переводит преобразователь в исходное состояние. Этот импульс поступает на вход "Начальная установка" (Ну) реверсивного счетчика б и устанавливает его старший разряд в состояние "1", а остальные разряды — в "0". Тот же импульс устанавливает все разряды двоичного счетчика 11 в состояние "0". При этом напряжение 0О на выходе цифроаналогового преобразователя 12 и компенсирующее напряжение U уменьшаются до нуля. Так как выполняется условие Ugg.) U<, то на выходе компаратора 1 формируется логическая 1, открывающая элемент И 3 по первому входу и элемент И 10-по четвертому.

Однако элемент И 3 закрыт сигналом

"0", поступающим с выхода элемента

И-НЕ 4, на входах которого установлены единичные сигналы. Реверсивный счетчик 6 закрыт по входам прямого и обратного счета и не изменяет своего состояния. В течение всего этапа

"Нормализация" импульсы на выходе

"Пакет" блока управления 5 отсутствуют, элемент запрета 7 открыт и тактовые импульсы с генератора 13 беспрепятственно проходят на счетный вход реверсивного элемента б. Элемент И 10 открыт по первому входу сигналом ."1", поступающим с выхода старшего разряда реверсивного счетчика б, и по второму входу импульсом

"Строб" с блока управления 5. Тактовые импульсы с генератора 13 проходят через элемент И 10 на счетный вход двоичного счетчика 11, последовательно увеличивая его содержимое

L < на единицу. Напряжение 0 при этом ступенчато нарастает на один квант д„ ЦАП 12, величина которого

879770 определяется выражением, аналогичным выражению

0о д 1 т - 1 (1) и остается постоянной на всех этапах. работы Algl. В этом выражении m — число разрядов двоичного счетчика 11.

Масштабный коэффициент ЦАП 8 выбира1 ется таким, чтобы выполнялось равен,ство

ulc, uoi (х) если реверсивный счетчик б находится в исходном состоянии (см. НУ). Поэтому напряжение U точно повторяет . напряжение U до тех пор, пока реверсивный счетчик 6 не изменит своего состояния, т.е. также нарастает ступенями в один квант д . Как только U к (и Ug4, согласно (2) превысит

0 „ (не более, чем на один квант д „), на выходе компаратора 1 возникает сигнал "0", который закроет элемент

И 3 по первому входу, элемент И 10 по четвертому входу, .и через инвертор 2 установит режим обратного счета реверсивного счетчика 6. Следующий тактовый импульс уменьшит его содержимое на единицу, что.ведет к установке в "0" старшего разряда реверсивного счетчика 6, закрытию элемента И 10 по первому входу и открыванию элемента И 3 через элемент

И-НЕ 4 по второму входу. При этом прохождение счетных импульсов на двоичный счетчик 11 прекратится .и в нем будет зафиксирован код, отображающий входное напряжение „= ",, (Ы а на выходе цифро-аналогового преобразователя 12 установится напряжение, равное с точностью до кванта д„ входному (точнее, превышающее Us„ менее, чем на один квант д )

1 "

01 "q д -) (д = 06» (4)

Так как код реверсивного счетчика б уменьшится на единицу по сравнению одом исходного состояния, равенU ство (2) нарушится, и напряжение станет равным

0» = Ugg

Величина Uд,ъ определяется выражением (4) и является опорным напряжением цифро-аналогового преобразоват еля 8. Величина кванта д1 связаажена с опорным напряжением Ug выраж— нием, аналогичным выражению иа (ь) уП где и - число разрядов реверсивного счетчика б.

Однако здесь имеется существенное отличие, заключающееся в том, что величина опорного напряжения зависит от величины входного напряжения в соответствии с выражением (4), а это означает, что величина кванта также зависит от величины Ul)».. Если выполняется неравенство дю,д„, <1) то при уменьшении кода реверсивного счетчика 6 на единицу, напряжение

0, согласно (4) и (5), станет меньше Ue„, и сигнал на выходе компаратора примет значение "1", открывая элемент И 3, элемент И 10 и устанавливая реверсивный счетчик 6 в режим прямого счета. Очередной тактовый импульс увеличит код L в реверсивном счетчике б на единйцу и приведет его в исходное состояние. Так как при этом элемент И 10 был закрыт по

20 первому входу сигналом "1" с выхода реверсивного счетчика 6, код в двоичном счетчике 11 и напряжение U<< яе изменяется, а напряжение 0<. будет определяться равенством (2). При неизменном напряжении U Вх будет выпблнено неравенство 0 1, > 0 », на выходе компаратора возникнет сигнал "0", который закроет элемент И 3, элемент И 10 и переведет реверсивный счетчик в режим обратного счета.Очередной тактовый импульс опять уменьшит код реверсивного счетчика б на единицу и не изменит код в двоичном счетчике 11. Процесс колебаний кода в реверсивном счетчике б будет продолжаться до тех пор, пока не изменится напряжение 0<» При уменьшении 0 » относительно зафиксированного значения 00 на один квант д 1 и более элемент И 10 будет закрыт,код

40 двоичного счетчика 11 и напряжение

U будут оставаться постоянными, о причем U в соответствии с выражением (4) равно наибольшему входному напряжению 0 » z, которое наблюда45 лось за время работы преобразователя на первом этапе. При этом элемент И 3 будет постоянно открыт, и работа преобразователя при выполнении условия

50 0еХ (Uo1(1- +) 1 (e) не будет отличаться от работы известного преобразователя со следящей связью, описанного выше. Если в дальнейшем на этапе "Нормализация" напряжение 0 „ превысит зафиксированное значение напряжения Ug в старшем разряде реверсивного счетчика б будет записана "1", закроется элемент И 3, откроется элемент И 10, и процесс повышения Upg до значения U »< согласно выражению (4) повторится. Этап .

"Нормализация" заканчивается с окончанием импульса "Строб".

При этом элемент И 10 закрывается, запрещая работу двоичного счет879770 — (12) (1 ) = < 1ч (15) (16) 50 (9) чика 11 и исключая возможность изменения напряжения U01 на этапе "Преобразование", а также закрывается элемент И-НЕ 4, открывая тем самым элемент И 3. Тем самым исключается возможность ограничения кода сигнала величиной кода исходного состояния р тех случаях, когда напряжение О превысит на этапе "Преобразоваии величину опорного напряжен:;- Ор, установленную автоматически на первом этапе. Такие случае возможны, когда длительность интервала "Нормализация" выбрана недостаточно большой, либо когда на этапе "Преобразование" произойдет изменение масштаба сигнала. При этом могут быть преоб- 15 разованы в код сигналы, масштаб которых изменился после нормализации не более, чем в два раза. Работа преобразователя на этапе ".Преобразование" аналогична работе известно- 29 го, описанного выше. Отличия заключаются в том, что опорное напряжение

ЦЛП 8 не остается постоянным, а изменяется от цикла к циклу, а также в том, что считывание кода с ревер- ц5 сивного счетчика производится в дискретные моменты времени, определяемые моментами поступления импульсов считывания с выхода "Пакет" блока управления 5 на управляющий вход блока ключей 9. Для исключения неоднозначности считывания, возникающей вследствие изменения кода реверсивного счетчика

6 в момент считывания, считывающие импульсы с выхода "Пакет" блока управления 5 подаются также на элемент З запрета 7 и прекращают поступление тактовых импульсов с генератора 13 на реверсивный счетчик 6 на время считывания кода. Длительность этапа

"Преобразование" определяется дли- 40 тельностью реализации сигнала, вводимого в устройство обработ <и. Эта длительность должна быть учтена при анализе статистики медленных изменений масштаба сигнала с целью выбора достаточной длительности этапа "Нормирование".

Таким образом, на первом этапе в двоичном счетчике фиксируется код наибольшего значения сигнала и формируется опорное напряжение для первого цифро-аналогового преобразователя, равное с точностью до кванта наибольшему входному напряжению

0gy=) Ugy, н(, (10 }

При этом будет установлена величина кванта первого ЦАП, равная 1н= „. (11)

Код текущего значения сигнала при

i-м отсчете на этапе ."Преобразова- 65 ние" можно записать в виде

Увеличим масштаб того же сигнала в раз. При этом наибольшее значение О ц -.=и- "текущее значение iJ увеличивается в одинаковое число, т.е. в k раз. Сравним результаты преобразования сигналов обоих масштабов (см. выражения (9) - (12) при условии, что текущие значения сигналов были взяты в одинаковый характерный момент времени (сигналы имеют одинаковую форму). При этом получим

Из выражения (16) следует, что код текущего значения сигнала не изменяется при изменении масштаба сигнала, что подтверждает возможность получения положительного эффекта нормализации кода преобразуемых сигналов. При этом информация с масштаба сигнала также фиксируется в виде кода наибольшего значения сигнала, общего для всех преобразуемых текущих значений сигнала в данном цикле, хранящегося в двоичном счетчике согласно выражению (13). Нормализация достигается благодаря изменению опорного напряжения в соответствии с выражением (14) и кванта первого цифроаналогового преобразователя в соответствии с выражением (15) пропорционально изменению масштаба наибольшего значения сигнала. Применение предложенного АЦП в устройствах цифровой обработки, использующих информацию только о форме сигналов, позволяет существенно сократить их разрядность, ограничив ее только требуемой относительной точностью представления числа, и, тем самым, в той же прспорции сократить объем, вес и стоимость аппаратуры, а также повысить ее быстродействие. При необходимости может быть получена полная информация с сигнала с учетом его масштаба.

Код текущих значений сигнала с учетом масштаба может быть получен путем вычислений по следующей формуле:

В выражение (17) входят величины колов текущих значений сигнала фиксируемые последовательно на этапе "Преобразование" в реверсивном счетчике, и код наибольшего значения сигнала L фиксируемый в двоичном

879770

Формула изобретения

Составитель Л. Беляева

Редактор О. Юркова Техред С.Мигунова Корректор Г. Назарова

Тираж 991 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9740/28

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 счетчике на этапе "Нормирование", полученные в течение одного цикла работы. При этом может быть получен выигрыш в объеме памяти, так как коды текущих значений сигнала имеют малую разрядность, а код наиболь- 5 шего значения сигнала, имеющий большую разрядность, фиксируется только один раз для всей исследуемой реализации сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор тактовых импульсов, блок управления, компаратор,пря- >5 мой вход которого подключен к входной шине, а инверсный — через последовательно соединенные первый и второй цифро-аналоговые преобразователи подключен к шине опорного напряжения, 20 отличающийся тем, что,с

gåëüþ улучшения метрологических характеристик преобразователя, введены первый и второй элементы И, элемент И-НЕ, реверсивный и двоичный .счетчики, элемент запрета, блок ключей и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу компаратора и к первым входам первого и второго элементов И, а выход подключен к входу обратного счета реверсивного счетчи ка, вход прямого счета которого соединен с выходом первого элемента И, тактовый вход через элемент запрета к выходу генератора тактовых импульсов и второму входу второго элемента

И, вход сброса соединен с первым выходом блока управления с входом сброса двоичного счетчика, а выходы соединены с входами первого цифроаналогового преобразователя с входом блока ключей, а и-й выход подключен к третьему входу второго элемента И и первому входу элемента

И-НЕ, четвертый вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ и вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с вторым входом элемента запрета, и к управляющему входу блока ключей, при этом выход элемента И-НЕ соединен с вторым входом первого элемента И, а выход второго элемента И соединен с счетным входом двоичного счетчика, выходы которого соединены с входами второго цифро-аналогового преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Дж. Рутковски. Интегральные операционные усилители. М., "Мир", 1978, с. 242.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 364091, кл. Н 03 К 13/17, 22 ° 12.70.