УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использована в системах контроля, сбора и обработки информации.
Уровень техники
Известно устройство параллельного преобразования (Г.Олссон, Д.Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. С-Петербург, Изд. "Невский Диалект", 2001, рис.5.11, стр.191). Данное устройство имеет высокое быстродействие и низкую разрешающую способность.
Известно устройство преобразования напряжения в код, содержащее аналоговое запоминающее устройство, блок управления, параллельный и основной аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговый преобразователь, генератор тактовых импульсов. (Патент РФ, №2019030, от 17.04.91 г.). Недостатком устройства является то, что его разрешающая способность определяется разрешающей способностью параллельного аналого-цифрового преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятое авторами за прототип, является устройство аналого-цифрового преобразования, содержащее параллельный аналого-цифровой преобразователь, два цифро-аналоговых преобразователя, компаратор, узел суммирования напряжения, блок управления, генератор тактовых импульсов, счетчик, два регистра, аналоговое запоминающее устройство, информационный вход которого служит входом устройства, а вход управления подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого параллельно подключен к входам управления регистров
младших и старших разрядов устройства, выходы которых являются выходами устройства, входы регистра старших разрядов устройства подключены к выходам параллельного аналого-цифрового преобразователя и входам первого цифро-аналогового преобразователя, входы регистра младших разрядов устройства подключены к выходам счетчика и входам второго цифро-аналогового преобразователя, выходы первого и второго цифро-аналоговых преобразователей через узел суммирования напряжения подключены ко второму входу компаратора, первый вход которого соединен с входом параллельного аналого-цифрового преобразователя и выходом аналогового запоминающего устройства, выход компаратора подключен к первому входу блока управления, третий выход которого подключен к первому входу счетчика, второй вход которого подключен ко второму входу блока управления и выходу генератора тактовых импульсов. (Патент РФ, №2241309 от 30.12.02 г.).
Недостатком устройства является возможность осуществления аналого-цифрового преобразования сигналов только положительной полярности и избыточная сложность схемы.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению функциональных возможностей, повышению точности или быстродействия, или снижению сложности схемы.
Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности аналого-цифрового преобразования не только однополярных положительных, но так же однополярных отрицательных и двухполярных сигналов.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство аналого-цифрового преобразования, содержащее аналоговое запоминающее устройство, вход управления которого подключен к первому выходу блока
управления, второй выход которого параллельно подключен к входам управления регистров младших и старших разрядов устройства, выходы которых являются выходами устройства, входы регистров младших разрядов устройства подключены к выходам параллельного аналого-цифрового преобразователя и входам первого цифро-аналогового преобразователя, входы регистров младших разрядов устройства подключены к выходам счетчика и входам второго цифро-аналогового преобразователя, выходы первого и второго цифро-аналоговых преобразователей, через узел суммирования напряжения подключены ко второму входу компаратора, первый вход которого соединен с входом параллельного аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен к первому входу блока управления, третий выход которого подключен к первому входу счетчика, второй вход которого подключен ко второму входу блока управления и выходу генератора тактовых импульсов, введен блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, причем выход аналогового запоминающего устройства подключен к входу блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, первый выход которого подключен к входу знакового разряда регистров старших разрядов устройства, а второй выход подключен к входу параллельного аналого-цифрового преобразователя и первому входу компаратора.
Блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений содержит два аналоговых ключа, инвертирующий усилитель постоянного тока, компаратор, инвертор; вход блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений соединен с входами второго аналогового ключа, инвертирующего усилителя постоянного тока и неинвертирующим входом компаратора, выход последнего подключен к входу инвертора, входу управления второго аналогового ключа и первому выходу блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений; выход инвертирующего усилителя постоянного тока соединен со входом первого аналогового ключа, выход которого, вместе с выходом второго аналогового ключа образуют
второй выход блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена структурная схема устройства аналого-цифрового преобразования.
На фиг.2 приведена структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
На фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Осуществление полезной модели
Аналого-цифровой преобразователь состоит из аналогового запоминающего устройства (АЗУ) 1, первый вход которого соединен с информационным (аналоговым) входом устройства, вход управления АЗУ 1 подключен к первому выходу блока управления (БУ) 2, а выход АЗУ 1 соединен со входом блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжения (БОЗ И ИОН) 3, первый выход которого подключен к входу знакового разряда регистров старших разрядов устройства (РСРУ) 4, а второй выход подключен к входу параллельного аналого-цифрового преобразователя (ПАЦП) 5 и первому входу компаратора (Ком.) 6, выход которого подключен к первому входу БУ 2, второй выход которого параллельно подключен к входам управления регистров младших разрядов устройства (РМРУ) 7 и РСРУ 4, выходы которых являются выходами младших 8 и старших 9 разрядов устройства соответственно; входы РСРУ 4 подключены к выходам ПАЦП 5 и входам первого цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 10, входы РМРУ 7 подключены к выходам счетчика (Сч.) 11 и входам второго цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 12; выходы первого и второго ЦАП 10 и 12 через узел суммирования напряжения (УСН) 13 подключены ко второму входу
Ком.6; третий выход БУ 2 подключен к первому входу Сч.11, второй вход которого подключен ко второму входу БУ 2 и выходу генератора тактовых импульсов (ГТИ) 14.
Структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ И ИОН) 3 приведена на фиг.2.
Вход БОЗ И ИОН 3 соединен с входами второго аналогового ключа (АК) 15, инвертирующего усилителя постоянного тока (ИУПТ) 16 и неинвертирующим входом компаратора (Ком.) 17, выход последнего подключен к входу инвертора (Инв.) 18, входу управления второго АК 15 и первому выходу БОЗ И ИОН 3; выход ИУПТ 16 соединен со входом первого аналогового ключа (АК) 19, выход которого, вместе с выходом второго АК 15 образуют второй выход БОЗ И ИОН 3.
Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.3.
БОЗ И ИОН 3 призван определить знак (полярность) уровня напряжения входного сигнала и ретранслировать сигнал далее с единичным коэффициентом передачи, а в случае отрицательной полярности подвергнуть транслируемый сигнал инверсии.
БОЗ И ИОН 3 работает следующим образом.
Ком.17, в зависимости от полярности входного сигнала, формирует положительный или отрицательный порог, играющий роль знакового разряда (логической единицы или нуля, поступающих на первый выход БОЗ И ИОН 3, и записываемых в последствии в РСРУ 4), а так же управляющего воздействия, поступающего на АК 19 через Инв.18 и АК 15 непосредственно, то есть состояния АК 19 и АК 15 взаимообратны.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 3 сигнала положительной полярности:
- Ком.17 формирует положительный потенциал;
- на первый выход БОЗ И ИОН 3 поступает сигнал с уровнем логической единицы;
- АК 15 переводится в открытое состояние, АК 19 - закрытое;
- входной сигнал транслируется на второй выход БОЗ И ИОН 3.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 3 сигнала отрицательной полярности:
- Ком.17 формирует отрицательный потенциал;
- на первый выход БОЗ И ИОН 3 поступает сигнал с уровнем логического нуля;
- АК 15 переводится в закрытое состояние, АК 19 - открытое;
- входной сигнал, инвертированный ИУПТ 16 транслируется на второй выход БОЗ И ИОН 3.
Таким образом, БОЗ И ИОН 3 фактически формирует знак и модуль транслируемого сигнала.
Устройство аналого-цифрового преобразования работает следующим образом.
вx
На информационный (аналоговый) вход устройства поступает измеряемый сигнал 20 (U), (фиг.3а).
0
1
вx
1
2
1
2
1
2
2
БУ 2 в интервал времени t÷t формирует импульс, по которому уровень входного сигнала 20 (U) записывается в АЗУ 1 (фиг.3.б). Одновременно с этим БОЗ И ИОН 3 приступает к анализу уровня, запоминаемого АЗУ 1. К моменту времени t (фиг.3.б) АЗУ 1 завершает процесс запоминания. К моменту времени t (фиг.3.в) напряжение на первом и втором выходах БОЗ И ИОН 3 стабилизируется. В общем случае, интервал t÷t (фиг.3.в) исчисляется долями нс. Он определяется прежде всего задержкой, создаваемой ИУПТ 16 (причем, именно временем дополнительного нарастания переходной характеристики ИУПТ 16 с момента t до момента t), (например, сверхскоростной усилитель AD8009 характеризуется скоростью нарастания выходного сигнала 5500 В/мкс, THS3001 - 6500 В/мкс. (Г.Волович. Широкополосные интегральные усилители. htttp://www.PLATAN.ru/ shem/pdf/str27-1sx.pdf)), так как быстродействие современных компараторов сравнимо с быстродействием АЗУ и к моменту времени t АК 19 и 15 уже
находятся в заданном состоянии. Иначе говоря, задержка, вносимая БОЗ И ИОН 3 пренебрежимо мала.
2
3
1
вx
вx
1
2
Модуль уровня входного сигнала со второго выхода БОЗ И ИОН 3 поступает на первый вход Ком.6 и на вход ПАЦП 5, в котором в интервале времени (t-t) преобразуется в цифровой код (фиг.3.г). Этот цифровой код поступает на вход ЦАП 10, на выходе которого будет сформирован аналоговый сигнал U, уровень которого эквивалентен входному цифровому коду (фиг.3.д). Данный аналоговый сигнал по уровню будет меньше аналогового сигнала U на добавку ΔU=U-U. Добавление одного младшего разряда ПАЦП 5 уже даст значение U (фиг.3.д).
0
3
3
С третьего выхода БУ 2 в интервале времени t÷t (фиг.3.е) на первый вход Сч.11 воздействует импульс управления сбросом Сч.11, который начинает считать тактовые импульсы, поступающие с генератора тактовых импульсов 14 лишь с момента t. Параллельный цифровой код, соответствующий состоянию Сч.11, преобразуется ЦАП 12 в ступенчато нарастающий сигнал 21. Суммированные в УСН 13 сигналы, поступающие с выходов ЦАП 12 и ЦАП 10, подаются на второй вход Ком.6.
4
В момент времени t, когда напряжение на втором входе Ком.6 сравняется с напряжением на первом входе, на выходе Ком.6 появится сигнал сравнения (фиг.3.ж), поступающий на первый вход БУ 2.
4
5
В интервале времени t÷t (фиг.3.и) со второго выхода БУ 2 на входы управления записью РМРУ 7 и РСРУ 4 поступает управляющий импульс, разрешающий запись в РМРУ 7 и РСРУ 4 соответствующих двоичный кодов с выходов Сч.11, ПАЦП 5 и первого выхода БОЗ И ИОН 3.
Тем самым, на выходе устройства АЦП формируется код старших и младших разрядов аналого-цифрового преобразования модуля уровня напряжения входного сигнала, сопровождающийся одноразрядным кодом знака полярности входного сигнала.
Устройство АЦП, служащее прототипом, ориентировано на работу с однополярными сигналами (сигналами положительной полярности).
Благодаря введению в состав устройства БОЗ И ИОН 3, предлагаемое устройство АЦП может работать как с однополярными сигналами (причем как положительной так и отрицательной полярности), так и двухполярными сигналами, то есть имеет место расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства АЦП относительно прототипа.
Вместе с тем, введение в состав устройства БОЗ И ИОН 3, в случае аналого-цифровой обработки двухполярных сигналов, с сохранением заданной точности аналого-цифрового преобразования и необходимостью их обязательного предварительного преобразования в однополярные (как используемые в прототипе), равносильно увеличению разрядности ПАЦП 5 на один разряд, что в случае использования 8-ми разрядного ПАЦП 5 эквивалентно дополнительному введению в состав последнего 127 компараторов.
Другими словами, для обеспечения одинаковых требований к точности преобразования в прототипе и предлагаемом устройстве АЦП, вместо m-разрядных ЦАП 10 и ПАЦП 5, используемых в прототипе, в предлагаемом устройстве требуются (m-1)-разрядные ЦАП 10 и ПАЦП 5, в силу чего предлагаемое устройство АЦП будет проще, так как наиболее сложный и дорогостоящий узел устройства (ПАЦП 5) будет иметь в 2 раза меньше компараторов.
Кроме того, с учетом безусловного выполнения условий
введение БОЗ И ИОН 3 способствует:
3
4
а) сокращению длительности интервала t÷t (времени счета Сч.11) в два раза, а значит фактически и повышению быстродействия устройства АЦП в два раза при сохранении заданной точности преобразования;
б) двукратному повышению точности преобразования при сохранении заданного быстродействия (в силу возможности двукратного уменьшения шага квантования ЦАП 12).
То есть имеет место как расширение функциональных возможностей, так и повышение точности или быстродействия, или снижение сложности схемы устройства.