Параллельный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код

Полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована при цифровой обработке сигналов для преобразования двухполярного напряжения в цифровой двоичный код с увеличенным динамическим диапазоном преобразования.
Известен последовательный аналого-цифровой преобразователь напряжение-код, реализующий метод последовательного приближения (Зиатдинов С.И., Суетина Т.А., Поваренкин Н.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебник. М: Академия, 2016. С.218, рис. 8.3).
Устройство предназначено для преобразования однополярного напряжения в двоичный код. Преобразователь содержит n триггеров, n-разрядный сдвигающий регистр, n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь, генератор тактовых импульсов и компаратор. Управляющие входы триггеров соединены с соответствующими выходами сдвигающего регистра; выходы триггеров соединены с соответствующими входами параллельного цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с одним из входов компаратора; выход компаратора соединен с управляющим входом сдвигающего регистра и выход генератора тактовых импульсов соединен с входом подачи импульсов сдвига сдвигающего регистра.
Недостатками данного устройства являются низкое быстродействие, невозможность преобразования разнополярного напряжения и малый динамический диапазон преобразования (маленькое отношение диапазона изменения преобразуемого напряжения к цене единицы младшего разряда).
Известен последовательный преобразователь однополярного напряжения в двоичный код со ступенчатым пилообразным напряжением (Гитис Э.И., Пискунов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Энергоиздат, 1981. С.218, рис. 6.4)
Устройство состоит из n-разрядного двоичного суммирующего счетчика, n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; компаратора, генератора импульсов тактовой частоты, триггера запуска счета, двухвходового конъюнктора подачи счетных импульсов, выходы двоичного суммирующего счетчика соединены с одноименными входами параллельного цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к одному из входов компаратора, на другой вход компаратора подается преобразуемое напряжение, выход компаратора соединен с входом сброса триггера запуска счета, выход триггера запуска счета подключен к одному из входов конъюнктора подачи счетных импульсов, другой вход конъюнктора подачи счетных импульсов соединен с выходом генератора импульсов тактовой частоты, выход конъюнктора подачи счетных импульсов подключен ко входу поступления тактовых импульсов двоичного суммирующего счетчика.
Недостатками данного устройства являются низкое быстродействие, невозможность преобразования двухполярного напряжения и малый динамический диапазон.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является параллельный преобразователь однополярного напряжения в двоичный код (Гитис Э.И., Пискунов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Энергоиздат, 1981. С.242, рис. 6.10).
n
n
n
В состав n-разрядного преобразователя входят источник эталонного напряжения, блок резистивных делителей напряжения, 2-1 компараторов и шифратор. В преобразователе выход источника эталонного напряжения соединен с блоком резистивных делителей напряжения, инвертирующие входы 2-1 компараторов соединены с соответствующими резистивными делителями блока резистивных делителей напряжения, неинвертирующие входы 2-1 компараторов являются входом преобразуемого напряжения, выходы шифратора являются цифровыми выходами преобразователя.
Недостатками устройства являются невозможность преобразования двухполярного напряжения и малый динамический диапазон преобразования.
Основная задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в разработке параллельного преобразователя напряжение-код, обладающего возможностью преобразования двухполярного напряжения, и увеличение динамического диапазона преобразования.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является возможность преобразования двухполярного напряжения и увеличение динамического диапазона преобразования.
n
n
n
1
m
зн
0
n-1
Указанный технический результат достигается тем, что параллельный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код, включающий источник эталонного напряжения, блок резистивных делителей напряжения, 2-1 компараторов и шифратор, выход источника эталонного напряжения соединен с блоком резистивных делителей напряжения, инвертирующие входы 2-1 компараторов соединены с соответствующими резистивными делителями напряжения блока резистивных делителей напряжения, устройство дополнительно содержит аналоговый инвертор, первый аналоговый ключ, второй аналоговый ключ, аналоговый сумматор, логический инвертор и знаковый компаратор, вход которого соединен одновременно с входом аналогового инвертора и сигнальным входом второго аналогового ключа, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора, выход аналогового сумматора соединен с неинвертирующими входами 2-1 компараторов, выходы которых соединены соответственно с входами d,…,d шифратора, выход аналогового инвертора соединен с сигнальным входом первого аналогового ключа, выход которого соединен со вторым входом аналогового сумматора, выход знакового компаратора соединен одновременно с управляющим входом первого аналогового ключа и входом логического инвертора, выход которого соединен с управляющим входом второго аналогового ключа, вход знакового компаратора является входом преобразуемого напряжения, а его выход является знаковым выходом d преобразователя, выходы Q,…,Q шифратора являются выходами цифровых данных преобразователя.
Поставленный технический результат достигается за счет введения дополнительных блоков и связей между ними, что позволяет осуществить параллельное преобразование как положительного, так и отрицательного напряжения в двоичный код, и повысить динамический диапазон преобразования.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что у аналогов отсутствует совокупность признаков, тождественных признакам заявляемого устройства «Параллельный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код». Следовательно, заявляемое устройство соответствует условию «новизна».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
n
n
Сущность полезной модели поясняется чертежом, представленным на фиг.1, где 1 - источник эталонного напряжения, блок резистивных делителей напряжения, включающий 2m резисторов 2.1, …, 2m (m=2-1, n - число разрядов преобразователя), 2-1 компараторы 3.1, …, 3.m, 4 - шифратор, 5 - аналоговый инвертор, 6 - первый аналоговый ключ, 7 - второй аналоговый ключ, 8 - аналоговый сумматор, 9 - логический инвертор, 10 - знаковый компаратор.
n
n
n
n
1
m
зн
0
n-1
Параллельный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код включает источник эталонного напряжения 1, блок резистивных делителей напряжения 2, включающий 2m резисторов 2.1, …, 2m (m=2-l, n - число разрядов преобразователя), 2-1 компараторов 3.1, …, 3.m, шифратор 4, аналоговый инвертор 5, первый аналоговый ключ 6, второй аналоговый ключ 7, аналоговый сумматор 8, логический инвертор 9, знаковый компаратор 10 выход источника эталонного напряжения 1 соединен с блоком резистивных делителей напряжения 2, инвертирующие входы 2-1 компараторов 3.1, …, 3.m соединены с соответствующими резистивными делителями напряжения блока резистивных делителей напряжения 2, выход аналогового инвертора 5 соединен с сигнальным входом первого аналогового ключа 6, выход которого соединен со вторым входом аналогового сумматора 8, выход которого соединен с неинвертирующими входами 2-1 компараторов 3.1, …, 3.m, выходы которых соединены соответственно со входами d, …, d шифратора 4 вход знакового компаратора 10 одновременно соединен со входом аналогового инвертора 5 и сигнальным входом второго аналогового ключа 7, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора 8, выход знакового компаратора 10 соединен одновременно с управляющим входом первого аналогового ключа 6 и входом логического инвертора 9, выход которого соединен с управляющим входом второго аналогового ключа 7, вход знакового компаратора 10 является входом преобразуемого напряжения, а его выход является знаковым выходом d преобразователя, выходы Q, …, Q шифратора 4 являются выходами цифровых данных преобразователя.
В качестве компаратора используют микросхему - AD8564AD, в качестве знакового компаратора - микросхему - AD8564AD, качестве аналогового инвертора - микросхему К140УД7, в качестве логических ключей - микросхему К176КТ1, качестве аналогового сумматора - микросхему К140УД7, в качестве логического инвертора - микросхему К155ЛН1, в качестве шифратора - микросхему 1К55ИВ1 [1], [2].
Параллельный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код работает следующим образом.
n
n
n
Положительное напряжение источника эталонного напряжения 1 поступает в блок резистивных делителей напряжения 2, в котором резистивными делителями напряжения вырабатываются положительные опорные напряжения, которые подаются на соответствующие инвертирующие входы 2-1 компараторов 3.1, …, 3.m, а именно: на инвертирующий вход 2-1 компаратора 3.1 поступает опорное напряжение с резистивного делителя напряжения 2.1-2.m+1, на инвертирующий вход 2-1 компаратора 3.2 поступает опорное напряжение с резистивного делителя напряжения 2.2-2.m+2 и так далее.
вх
зн
вх
вх
n
n
При положительном входном напряжении U срабатывает знаковый компаратор 10 и на его выходе устанавливается низкое напряжение уровня логического нуля, которое поступает одновременно на управляющий вход первого аналогового ключа 6, на вход логического инвертора 9 и на выход преобразователя d=0. При этом на выходе логического инвертора 9 устанавливается высокое напряжение уровня логической единицы, под действием которого второй аналоговый ключ 7 открывается и положительное входное напряжение U с выхода второго аналогового ключа 7 поступает на первый вход аналогового сумматора 8 и далее с его выхода на неинвертирующие входы 2-1 компараторов 3.1,…,3.m. В это время первый аналоговый ключ 6 закрыт, так как на его управляющем входе действует низкое напряжение. Если опорные напряжения на инвертирующих входах 2-1 компараторов, например, 3.1, 3.2, 3.2, 3.3 меньше входного напряжения U, то данные компараторы сработают и на их выходах установятся высокие напряжения уровня логической единицы. Остальные компараторы не сработают и на их выходах будут низкие напряжения уровня логического нуля.
0
1
2
3
4
m
2
зн
В результате на входах d, d, d, d, шифратора 4 будут присутствовать высокие напряжения, а на входах d - d - низкие напряжения. Если напряжения представить в виде единиц и нулей, то на входах шифратора сформируется нормальный единичный код 000…001111, в котором количество единиц указывает на количество сработавших компараторов. Данный код шифратором 4 преобразуется в двоичный код 000…00100. Знаковый разряд преобразователя при положительном входном напряжении имеет значение d=0.
вх
зн
0
1
2
3
4
m
2
зн
n
n
При отрицательном входном напряжении U на выходе знакового компаратора 10 устанавливается высокое напряжение уровня логической единицы, которое поступает на управляющий вход первого аналогового ключа 6, на вход логического инвертора 9 и на выход преобразователя d=1. При этом на выходе логического инвертора 9 устанавливается низкое напряжение уровня логического нуля, под действием которого второй аналоговый ключ 7 закрывается, первый аналоговый ключ 6 под действием высокого напряжение на управляющем входе открывается и инвертированное входное напряжение с выхода аналогового инвертора 5 через открытый первый аналоговый ключ 6 поступает на второй вход логического сумматора 8 и далее с его выхода на неинвертирующие входы 2-1 компараторов 3.1, …, 3.m. Если опорные напряжения на инвертирующих входах 2-1 компараторов, например, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 больше напряжения на неинвертирующих входах, то данные компараторы сработают и на их выходах установятся высокие напряжения уровня логической единицы. Остальные компараторы не сработают и на их выходах будут низкие напряжения уровня логического нуля. В результате на входах d, d, d, d, шифратора 4 будут присутствовать высокие напряжения, а на входах d - d - низкие напряжения. Если напряжения представить в виде единиц и нулей, то на входах шифратора сформируется нормальный единичный код 000…001111, в котором количество единиц указывает на количество сработавших компараторов. Данный код шифратором 4 преобразуется в двоичный код 000…00100. Знаковый разряд преобразователя при отрицательном входном напряжении имеет значение d=1.
В результате предложенный преобразователь позволяет осуществлять преобразование как положительного, так и отрицательного напряжения в двоичный код и тем самым увеличить в два раза динамический диапазон преобразования по сравнению с прототипом.
Преобразование двухполярного напряжения в двоичный код достигается за счет того, что в составе преобразователя имеется аналоговый инвертор, позволяющий сравнивать в компараторах положительное преобразуемое напряжение с положительными опорными напряжениями и при отрицательном преобразуемом напряжении после его инверсии в аналоговом инверторе - также с положительными опорными напряжениями. Преобразование как положительного, так и отрицательного напряжения в двоичный код увеличивает динамический диапазон преобразования в два раза.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемое устройство и прототип, позволяют сделать вывод о том, что заявляемое устройство обеспечивает возможность преобразования в двоичный код двухполярного напряжения и увеличить в два раза динамический диапазон преобразования.
Приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленной модели выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в вычислительной технике, а именно в цифровых устройствах обработки сигналов;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное устройство соответствует условию «промышленная применимость».
Источник информации:
1. Зиатдинов С.И., Суетина Т.А., Поваренкин Н.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебник. М: Академия, 2016.
2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь, 1988.