АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В СИСТЕМЕ ОСТАТОЧНЫХ КЛАССОВ
ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER IN RESIDUE NUMBER SYSTEM

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для быстрого преобразования аналоговых электрических сигналов в цифровой код в системах, функционирующих в модулярной системе счисления.
Известно устройство (аналог) (авт.св. СССР №1368989, МКИ Н03М 1/28, БИ №3, 1988 г.), содержащее блок определения остатка по наибольшему основанию СОК, аналогово-цифровые преобразователи, сумматоры, шифраторы, блоки коррекции, коммутаторы, одновибратор, регистр, аналоговую входную шину, шину коррекции, шину управления, выходную шину «ядро числа» и выходные шины остатков по соответствующим основаниям СОК. Недостаток - ограниченная разрядность устройства.
Известно устройство (аналог) (авт.св. СССР №1372620, МКИ Н03М 1/28, БИ №5, 1988 г.), содержащее аналогово-цифровые преобразователи по модулю, сумматоры, шифраторы, блоки коррекции, счетчики, блок управления. Недостаток - ограниченная разрядность устройства.
Известно также устройство (прототип) (авт.св. СССР №1181141, МКИ Н03М 1/28, БИ №35, 1985 г.), содержащее блок определения остатка по наибольшему основанию СОК, аналогово-цифровые преобразователи, блоки коррекции, входную шину, шину коррекции, выходные шины кодов по основаниям СОК, сумматоры, шифраторы, шины кодов оснований СОК.
10
Недостаток прототипа - ограниченная разрядность устройства, определяющаяся разрядностью аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав устройства. В силу несоизмеримого роста дороговизны параллельных аналого-цифровых преобразователей с увеличением разрядности их производство ограничено значением 2 уровней квантования.
Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в повышении точности представления формы аналогового сигнала в цифровом виде.
Технический результат выражается в возможности увеличения количества и значений оснований системы остаточных классов, в которой представлен цифровой эквивалент аналогового преобразуемого сигнала.
Технический результат достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь в системе остаточных классов, содержащий вход, n-1 аналого-цифровых преобразователей, n выходных шин кодов остатков в системе остаточных классов, где n - число оснований системы остаточных классов, согласно изобретению, введены n-ый аналого-цифровой преобразователь, n цифроаналоговых преобразователей, n блоков вычитания и n блоков слежения-хранения, первые входы которых объединены и являются общим входом устройства, выходы блоков слежения-хранения подключены к первым входам соответствующих блоков вычитания и входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, выходы которых являются соответствующими выходными шинами кодов остатков в системе остаточных классов и подключены ко входам соответствующих цифроаналоговых преобразователей, выходы которых подключены ко вторым входам соответствующих блоков вычитания, выходы i-ых блоков вычитания () подключены ко вторым входам i+1-ых блоков слежения-хранения, при этом выход n-го блока вычитания подключен ко второму входу 1-го блока слежения-хранения.
i
i
i
Сущность изобретения заключается в уменьшении количества уровней квантования аналогового сигнала на единичную операцию аналого-цифрового преобразования. Применение конвейерной архитектуры позволяет реализовать высокоскоростные АЦП с большой разрядностью (Уолт Кестер. Как выбрать тип АЦП для ваших приложений. - Электроника НТБ, №4/2006). Для тех же самых значений оснований СОК применение конвейерной архитектуры дает уменьшение количества уровней квантования аналогового сигнала на единичную операцию аналого-цифрового преобразования. Так в n-1 АЦП и первом АЦП блока определения остатка по наибольшему основанию СОК прототипа выполняется функция:  - целая часть от деления N на p. При этом N∈[0, P), где , К - количество оснований СОК, p - соответствующее основание. Следовательно, количество уровней квантования, приходящихся на i-й АЦП прототипа, равняется . При любых p>1 и К>2 является верным выражение .
i
Конвейерное построение дает сокращение количества уровней квантования до p. В таблице 1 (фиг.2) приведено количественное сравнение уровней квантования по основаниям СОК 3, 5 и 7 для элементарных АЦП в составе реализуемого устройства и элементарных АЦП прототипа, выполняющих функцию .
10
6
7
13
14
5
5
5
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Поскольку существует ограничение на количество уровней квантования для параллельных АЦП в составе устройства, которое составляет величину порядка 2 (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 6-е. - М.: Мир, 2003. - 704 с., ил., стр.649), то рассмотренный подход для АЦП в СОК позволит существенно увеличить разрядность устройства. Это можно сделать двумя путями: увеличить значения оснований и/или увеличить количество оснований. Так в прототипе для трех оснований p=3, p=5, р=7 разрядность исходя из диапазона  по аналогии с позиционным представлением числа, будет находиться между 6 и 7 (2<105<2), при этом суммарное количество уровней квантования элементарных АЦП (согласно таблицы 1, фиг.2) равно не менее 74. То же количество уровней квантования в реализуемом устройстве дают, например, основания p=19, p=24, p=31, при этом диапазон , что по аналогии будет соответствовать разрядности между 13 и 14 (2<14136<2). Предельный для прототипа вариант, когда , по трем основаниям СОК возможен уже при значениях p=2-1=31, p=2=32, p=2+1=33 и ввод четвертого основания в данном случае затруднителен. Реализуемое устройство позволяет снять данное ограничение.
В реализуемом АЦП в СОК применяются блоки слежения-хранения, которые осуществляют функцию буферизации аналогового сигнала и которые можно реализовать на основе известной схемы (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 6-е. - М.: Мир, 2003. - 704 с., ил., рис.3.54).
Дополнительной возможностью для тех же значений оснований при построении устройства на параллельных АЦП является сокращение аппаратных издержек (таблица 1, фиг.2). Также дополнительной возможностью является варьирование количества и значений оснований СОК, в которой работает устройство, при той же разрядности.
На фиг.1 представлена структурная схема АЦП в СОК, где 1.1-1.n - блоки слежения-хранения, 2.1-2.n - аналого-цифровые преобразователи, 3.1-3.n - цифроаналоговые преобразователи, 4.1-4.n - блоки вычитания, 5.1-5.n - выходные шины кодов остатков в СОК, 6 - вход.
Первые входы блоков слежения-хранения 1.1-1.n объединены и являются общим входом АЦП в СОК 6, выходы блоков слежения-хранения 1.1-1.n подключены к первым входам соответствующих блоков вычитания 4.1-4.n и входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей 2.1-2.n, выходы которых являются соответствующими выходными шинами кодов остатков в СОК 5.1-5.n и подключены ко входам соответствующих цифроаналоговых преобразователей 3.1-3.n, выходы которых являются вторыми входами соответствующих блоков вычитания 4.1-4.n, выходы блоков вычитания 4.i () подключены ко вторым входам блоков слежения-хранения 1.i+1, при этом выход блока вычитания 4.n является вторым входом блока слежения-хранения 1.1.
1
2
n
1
2
n
Работа АЦП в СОК осуществляется в течение n шагов. АЦП в СОК по n основаниям p, p, …, p состоит из n блоков слежения-хранения, n АЦП, n ЦАП, n блоков вычитания, при этом количество уровней квантования АЦП 2.7-2.n и коэффициенты усиления блоков вычитания 4.1-4.n равны p, p, …, p соответственно.
1
2
n
Первый шаг. Преобразуемое напряжение через вход 6 поступает на первый вход блоков слежения-хранения 1.1-1.n и запоминается. Далее аналоговый сигнал поступает на АЦП 2.1-2.n, где преобразуется в цифровые коды, которые поступают на соответствующие ЦАП 3.1-3.n. Данные ЦАП 3.1-3.n преобразуют коды в аналоговые сигналы, которые вычитаются блоками 4.1-4.n из входного и умножаются на коэффициенты p, p, …, p соответственно. В результате на выходах блоков вычитания 4.1, 4.2, …, 4.n-1, 4.n образуются уровни сигналов, которые запоминаются блоками слежения-хранения 1.2, 1.3, …, 1.n, 1.1 соответственно.
Следующие шаги аналогичны за исключением того, что на АЦП 2.1-2.n и первые входы блоков вычитания 4.1-4.n поступают аналоговые сигналы, сохраненные в 1.1-1.n на предыдущем шаге. Таким образом, на n-ом шаге происходит оцифровка аналоговых остатков, соответствующих коду в СОК. Полученный код поступает на выходные шины 5.1-5.n.
Пример.
1
2
3
2
вх.
1
Рассмотрим устройство по трем основаниям СОК p=3, p=5, p=7. Оно будет состоять из трех блоков слежения-хранения, трех АЦП, трех ЦАП, трех блоков вычитания, при этом количество уровней квантования АЦП 2.1-2.3 и коэффициенты усиления блоков вычитания 4.1-4.3 равны 3, 5 и 7 соответственно. Пусть диапазон преобразуемых АЦП 2.1-2.3 напряжений - от 0 до 5 В, т.е. E=5 В. В этом случае квантование диапазона (без смещения нуля на / младшего разряда) даст следующие значения напряжений 2.1-2.3 (таблица 2, фиг.3). Пусть преобразуемое входное напряжение U=3,2 В.
Первый шаг. Преобразуемое напряжение через вход 6 поступает на первый вход блоков слежения-хранения 1.1-1.3 и запоминается. Далее аналоговый сигнал поступает на АЦП 2.1-2.3, где преобразуется (согласно таблицы 2, фиг.3) в коды 1, 3 и 4 соответственно. Эти коды поступают на соответствующие ЦАП 3.1-3.3. ЦАП преобразуют коды в аналоговые сигналы (таблица 2, фиг.3) 1,67 В, 3,00 В и 2,86 В соответственно.
Полученные аналоговые величины вычитаются блоками 4.1-4.3 из входного и умножаются на коэффициенты 3, 5 и 7 соответственно. В результате на их выходах образуются уровни сигналов:
4.1: (3,20-1,67)·3=4,59 В,
4.2: (3,20-3,00)·5=1 В,
4.3: (3,20-2,86)·7=2,38 В,
которые запоминаются блоками слежения-хранения 1.2, 1.3 и 1.1 соответственно.
Второй и третий шаги аналогичны за исключением того, что на АЦП 2.1-2.3 и первые входы блоков вычитания 4.1-4.3 поступают аналоговые сигналы, сохраненные в 1.1-1.3 на предыдущем шаге. Значения кодов и аналоговых уровней сигнала, образующихся при работе АЦП 2.1-2.3, ЦАП 3.1-3.3 и блоков вычитания 4.1-4.3, представлены в таблице 3 (фиг.4).
1
2
3
2
1
Таким образом, код в СОК по основаниям p=3, p=5, p=7 равен 1, 2, 4. Проверим полученный результат. Рассмотрим параллельный АЦП (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 6-е. - М.: Мир, 2003. - 704 с., ил., рис.9.49) (без смещения нуля на / младшего разряда), состоящего из делителя опорных напряжений, компараторов, количество которых Р=3·5·7=105, и шифратора.
Измеряемое напряжение равно 3,2 В. Получив таблицу опорных напряжений (таблица 4, фиг.5), кратных E/105, где Е=5 В, обнаруживаем, что компараторы с 1-го по 67-й установятся в «1», а все остальные в «0». Следовательно, на выходе шифратора установится код, десятичное представление которого равно 67. Целые остатки от деления числа 67 на 3, 5 и 7 соответственно равны 1, 2 и 4.