АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использована в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин.
Уровень техники
Известен аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения, содержащий схему сравнения, регистр последовательной аппроксимации, цифро-аналоговый преобразователь, элемент И, генератор тактовых импульсов ([1]. Чернов В.Г. Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных. - М: Машиностроение, 1988. - с. 85, рис. 57. Функциональная схема и временные диаграммы АЦП последовательной аппроксимации).
Недостатком устройства является низкое быстродействие, поскольку не учитываются статистические характеристики сигнала, время установления напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя и значения кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования, а также то, что устройство может быть использовано для измерения и контроля лишь однополярных аналоговых сигналов (сигналов положительной полярности).
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является аналого-цифровой преобразователь ([2]. Патент RU 2178948, МПК Н03М 1/26).
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит: схему сравнения; блок выделения абсолютного значения входного сигнала; первый и второй компараторы; генератор тактовых импульсов; триггер; первый и второй элементы И; элемент НЕ; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); регистр; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), причем: на первый вход схемы сравнения, являющийся первым входом устройства, подается входное преобразуемое напряжение, а ко второму входу схемы сравнения подключен выход ЦАП, входы которого соединены с первыми адресными входами ПЗУ, выходами регистра и являются первыми выходами устройства; выход схемы сравнения подключен, через блок выделения абсолютного значения входного сигнала, к первому входу первого компаратора и, непосредственно, ко второму входу второго компаратора, первый вход которого подключен к шине "земля", а выход соединен со вторым адресным входом ПЗУ, выходы которого подключены к третьим входам регистра; выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу первого элемента И, и, через элемент НЕ, к третьему входу второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора, второй вход которого является вторым входом устройства; выход триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, служит вторым выходом устройства и подключен к вторым входам первого и второго элементов И; выход второго элемента И соединен со вторым входом триггера, а выход первого элемента И соединен с первым входом регистра, второй вход которого является четвертым входом устройства.
Недостатком устройства является возможность осуществления аналого-цифрового преобразования сигналов только положительной полярности.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению функциональных возможностей.
Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности аналого-цифрового преобразования не только однополярных положительных, но также однополярных отрицательных и двуполярных сигналов.
Технический результат достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь содержащий: схему сравнения; блок выделения абсолютного значения входного сигнала; первый и второй компараторы; генератор тактовых импульсов; триггер; первый и второй элементы И; элемент НЕ; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); регистр; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), причем: ко второму входу схемы сравнения подключен выход ЦАП, входы которого соединены с первыми адресными входами ПЗУ и выходами регистра; выход схемы сравнения подключен, через блок выделения абсолютного значения входного сигнала, к первому входу первого компаратора и, непосредственно, ко второму входу второго компаратора, первый вход которого подключен к шине "земля", а выход соединен со вторым адресным входом ПЗУ, выходы которого подключены к третьим входам регистра; выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу первого элемента И, и, через элемент НЕ, к третьему входу второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора, второй вход которого является вторым входом устройства; выход триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, подключен к вторым входам первого и второго элементов И; выход второго элемента И соединен со вторым входом триггера, а выход первого элемента И соединен с первым входом регистра, второй вход которого является четвертым входом устройства, введен блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ и ИОН), причем вход БОЗ и ИОН служит входом устройства, первый выход БОЗ и ИОН служит первым выходом устройства, второй выход БОЗ и ИОН подключен к первому входу схемы сравнения, выходы регистра являются вторыми выходами устройства, а выход триггера служит третьим выходом устройства.
БОЗ и ИОН содержит аналоговый инвертор, компаратор, первый (нормально замкнутый) аналоговый ключ, второй (нормально разомкнутый) аналоговый ключ; вход БОЗ и ИОН подключен одновременно к входу аналогового инвертора, первому (неинвертирующему) входу компаратора, сигнальному входу второго (нормально разомкнутого) аналогового ключа; второй (инвертирующий) вход компаратора «заземлен»; выход компаратора одновременно подключен к первому выходу БОЗ и ИОН и входам управления аналоговых ключей, выходы которых соединены со вторым выходом БОЗ и ИОН.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена структурная схема аналого-цифрового преобразователя.
На фиг. 2 приведена структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
На фиг. 4 приведен алгоритм процедуры подбора кода.
Осуществление полезной модели
вх
Аналого-цифровой преобразователь содержит схему сравнения 1, блок выделения абсолютного значения входного сигнала 2; первый и второй компараторы 3, 4; генератор тактовых импульсов 5; триггер 6; первый и второй элементы И 7, 8; элемент НЕ 9; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10; регистр 11; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 12; блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ и ИОН) 13, причем: вход БОЗ и ИОН 13 служит входом устройства («U»), первый выход БОЗ и ИОН 13 служит первым выходом устройства («код знака»), второй выход БОЗ и ИОН 13 подключен к первому входу схемы сравнения 1; ко второму входу схемы сравнения 1 подключен выход ЦАП 10, входы которого соединены с первыми адресными входами ПЗУ 12, выходами регистра 11 и являются вторыми выходами устройства («код амплитуды»);выход схемы сравнения 1 подключен, через блок выделения абсолютного значения входного сигнала 2, к первому входу первого компаратора 3 и, непосредственно, ко второму входу второго компаратора 4, первый вход которого подключен к шине "земля", а выход соединен со вторым адресным входом ПЗУ 12, выходы которого подключены к третьим входам регистра 11; выход генератора тактовых импульсов 5 подключен к первому входу первого элемента И 7, и, через элемент НЕ 9, к третьему входу второго элемента И 8, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора 3, второй вход которого является вторым входом устройства («Δ»); выход триггера 6, первый вход которого является третьим входом устройства («пуск»), служит третьим выходом устройства («завершение преобразования») и подключен к вторым входам первого 7 и второго элементов И 8; выход второго элемента И 8 соединен со вторым входом триггера 6, а выход первого элемента И 7 соединен с первым входом регистра 11, второй вход которого является четвертым входом устройства («установка в исходное состояние»).
БОЗ и ИОН 13 содержит аналоговый инвертор 14, компаратор 15, первый (нормально замкнутый) аналоговый ключ 16, второй (нормально разомкнутый) аналоговый ключ 17; вход БОЗ и ИОН 13 подключен одновременно к входу аналогового инвертора 14, первому (неинвертирующему) входу компаратора 15, сигнальному входу второго (нормально разомкнутого) аналогового ключа 17; второй (инвертирующий) вход компаратора 15 «заземлен»; выход компаратора 15 одновременно подключен к первому выходу БОЗ и ИОН 13 и входам управления аналоговых ключей 16 и 17, выходы которых соединены со вторым выходом БОЗ и ИОН 13.
Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.
БОЗ и ИОН 13 призван определить знак (полярность) уровня напряжения входного сигнала и ретранслировать входной сигнал далее с единичным коэффициентом передачи, а в случае отрицательной полярности подвергнуть транслируемый сигнал инверсии, то есть сформировать модуль входного сигнала. ([3]. Патент RU 2356163, МПК Н03М 1/34; [4]. Хорольский В.Я., Бондарь С.Н, Бондарь М.С. Повышение эффективности высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей за счет введения блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Технические науки. - 2007. -№3. - с. 15-17.). В частности:
1
2
3
4
1) в случае поступления на вход БОЗ и ИОН 13 (устройства) сигнала положительной полярности (интервалы времени [t; t], [t; t], (фиг. 3)):
компаратор 15 формирует сигнал с уровнем логической единицы (фиг. 3б);
на первом выходе БОЗ и ИОН 13 (первом выходе устройства («код знака»)) формируется сигнал с уровнем логической единицы (фиг. 3ж);
(нормально разомкнутый) аналоговый ключ 17 переводится в замкнутое состояние;
(нормально замкнутый) аналоговый ключ 16 переводится в разомкнутое состояние;
входной сигнал транслируется через замкнутый аналоговый ключ 17 (фиг. 3в), на второй выход БОЗ и ИОН 13 (фиг. 3е);
2
3
4
5
2) в случае поступления на вход БОЗ и ИОН 13 (устройства) сигнала отрицательной полярности (интервалы времени [t; t], [t; t], (фиг. 3)):
компаратор 15 формирует сигнал с уровнем логического нуля (фиг. 3б);
на первом выходе БОЗ и ИОН 13 (первом выходе устройства («код знака»)) формируется сигнал с уровнем логического нуля (фиг. 3ж);
(нормально разомкнутый) аналоговый ключ 17 переводится в разомкнутое состояние;
(нормально замкнутый) аналоговый ключ 16 переводится в замкнутое состояние;
входной сигнал, инвертированный посредством аналогового инвертора 14 (фиг. 3г), транслируется через замкнутый аналоговый ключ 16 (фиг. 3д), на второй выход БОЗ и ИОН 13 (фиг. 3е).
Таким образом, БОЗ и ИОН 13 фактически формирует модуль (1) (фиг. 3е) и знак (2) (фиг. 3ж) транслируемого сигнала
,
вых1
вых2
где  - выходное напряжение БОЗ и ИОН 13 на первом и втором выходах (U, U - фиг. 3е, 3ж);
1
0
U и U - высокий и низкий уровни напряжения - уровни логической единицы и нуля.
вх
Схема сравнения 1 предназначена для сравнения модуля входного преобразуемого напряжения |U| и напряжения с выхода ЦАП 10.
вх
С помощью блока выделения абсолютного значения 2 определяется абсолютное значение разности между модулем входного преобразуемого напряжения |U| и напряжением с выхода ЦАП 10.
Первый компаратор 3 срабатывает, если величина напряжения на выходе блока выделения абсолютного значения 2 будет меньше уровня напряжения, поступающего на второй вход компаратора 3 со второго входа устройства (на этот вход подается напряжение, которое задает максимальную погрешность преобразования Δ). Сигнал на выходе компаратора 3 фактически определяет момент окончания преобразования.
вх
С помощью второго компаратора 4 определяется, какое из напряжений больше по величине: модуль входного преобразуемого напряжения |U| или напряжение на выходе ЦАП 10.
Генератор тактовых импульсов 5 предназначен для синхронизации работы устройства.
Триггер 6 определяет состояние, в котором находится устройство. В первый момент с приходом импульса на третий вход устройства "Пуск" триггер 6 переходит в состояние "1". По окончании преобразования триггер 6 переходит в состояние "0" по сигналу с выхода второго элемента И 8.
вх
Элемент И 7 разрешает прохождение импульсов с генератора 5 на вход записи регистра 11, когда устройство находится в состоянии преобразования измеряемой величины. Второй элемент И 8 предназначен для выдачи импульса на управляющий вход триггера 6 и перевода его в состояние "0" по окончании цикла преобразования. Элемент НЕ 9 инвертирует импульсы с выхода генератора 5, благодаря чему исключается формирование импульса на выходе элемента И 8 (т.е. выдачу сигнала об окончании преобразования) из-за переходных процессов в устройстве. ЦАП 10 преобразует код, поступающий с выхода регистра 11, в аналоговое напряжение. Регистр 11 содержит текущее значение кода. Количество разрядов регистра 11 равно разрядности устройства. В исходное состояние триггер 6 устанавливается подачей импульса на четвертый вход устройства "Установка в исходное состояние". Запись информации в регистр 11 производится подачей импульса на первый вход регистра 11. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) 12 хранится оптимальная последовательность значений кода. При этом текущий код с выхода регистра 11 поступает на младшие адресные разряды ПЗУ 12, а выход с компаратора 4 поступает на старший адресный разряд ПЗУ 12. Таким образом, код на выходе ПЗУ 12 зависит от уровня сигнала на выходе компаратора 4 (который определяется соотношением между уровнем модуля входного преобразуемого напряжения |U| и напряжением с выхода ЦАП 10). Перед работой устройства, в ПЗУ 12 должна быть записана необходимая последовательность кодов, в соответствии с которой будет производиться подбор кода для ЦАП 10.
вх
Описание работы устройства рассмотрим для случая 4-х разрядного АЦП и при реализации логической процедуры подбора кода в соответствии с фиг. 4 (для примера использован метод половинного разбиения). В соответствии с фиг. 4 первоначально в регистр 11 записывается код, соответствующий числу 8. На следующем шаге, если напряжение на выходе ЦАП 10 будет превышать уровень модуля входного преобразуемого напряжения |U|, на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "0", и, следовательно в соответствии с фиг. 4 в регистр 11 будет записан код, соответствующий числу 4. Если же на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "1", следующим кодом будет число 12. Аналогично происходит выбор очередного значения кода в остальных случаях. Содержимое ПЗУ 12 при реализации указанной процедуры поиска приведено в таблице. Как видно из данных таблицы, если текущее значение кода в регистре 11 равно 8 и на выходе компаратора 2 будет уровень "0", на выходе ПЗУ 12 будет код, равный 4. Однако, если на выходе компаратора будет уровень "1", тогда на адресные входы ПЗУ 12 будет подан код, соответствующий числу 24. А по адресу 24 в ПЗУ 12 находится код числа 12. Аналогично заносятся коды в остальные ячейки ПЗУ 12.
Процесс преобразования аналогового напряжения в цифровой код производится следующим образом.
вх
сс
вх
ЦАП
cc
вх
ЦАП
вх
вх
После включения устройства в регистр 11 заносится начальное значение кода (в данном случае код числа 8) подачей импульса на вход "Установка в исходное состояние". На выходе ЦАП 10 устанавливается соответствующее напряжение, которое сравнивается с модулем входного преобразуемого напряжения |U|. Напряжение U на выходе схемы сравнения 1 будет равно разности модуля входного преобразуемого напряжения |U| и напряжения с выхода ЦАП U: U=|U|-U. Полученное значение разности с помощью второго компаратора 4 сравнивается с нулевым значением. В зависимости от соотношения между модулем входного преобразуемого напряжения |U| и напряжением с выхода ЦАП 10 на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "0" или "1". Этот сигнал поступает на старший адресный разряд ПЗУ 12. Код на выходе ПЗУ 12 будет зависеть от текущего значения кода, записанного в регистр 11, поступающего на младшие разряды ПЗУ 12, и уровня сигнала на выходе второго компаратора 4. Таким образом, на вход регистра 11 будет поступать различный код, зависящий от уровня сигнала на выходе компаратора 4, и соответственно от соотношения уровня модуля входного преобразуемого напряжения |U| и напряжения на выходе ЦАП 10.
При подаче импульса на вход "Пуск" АЦП триггер 6 переводится в состояние "1" и разрешает прохождение импульсов с тактового генератора 5 через первый элемент И 7 на первый вход регистра 11. С приходом очередных импульсов на первый вход регистра 11 в него будет записываться очередное значение кода в соответствии с фиг. 4. Таким образом, будет выполняться процедура подбора кода, которая определяется содержимым ПЗУ 12.
вх
В том случае, если напряжение на выходе блока выделения абсолютного значения 2 будет меньше напряжения Δ, подаваемого на второй вход устройства (уровень этого сигнала соответствует требуемому значению погрешности преобразования), сработает первый компаратор 3, а затем по окончании очередного импульса с тактового генератора 5 сработает второй элемент И 8 (импульсы на вход элемента И 8 поступают с выхода генератора 5 через элемент НЕ 9). Импульс с выхода элемента И 8 установит триггер 6 в исходное состояние и на этом процесс преобразования завершится. В регистре 11 будет записано значение кода, соответствующее модулю преобразуемого напряжения |U| с данной погрешностью преобразования. Выход с триггера 6 поступает на второй выход устройства «Завершение преобразования», тем самым сигнализируя о состоянии, в котором находится устройство.
вх
Если не будет подан импульс на четвертый вход устройства "Установка в исходное состояние", при следующем цикле преобразования подбор кода будет производиться, начиная с кода, который был записан в регистре 11 при предыдущем преобразовании. Если модуль преобразуемого напряжения |U| изменится незначительно, то время преобразования, очевидно, уменьшится.
Следует заметить, что по достижении висячей вершины на фиг. 4, следующим значением кода в соответствии с данными таблицы будет исходное значение кода (в данном случае число 8), и процесс преобразования начнется с начального кода.
Таким образом, предложенный АЦП позволяет уменьшить время преобразования благодаря применению оптимальной процедуры подбора кода, учитывающей статистические характеристики сигнала. Кроме того, АЦП позволяет производить преобразование с заданной погрешностью.
Устройство АЦП, служащее прототипом, ориентировано на работу с однополярными сигналами (сигналами положительной полярности). Благодаря введению в состав устройства БОЗ И ИОН 13, предлагаемое устройство АЦП может работать как с однополярными сигналами (причем как положительной так и отрицательной полярности), так и двуполярными сигналами, то есть имеет место расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства АЦП относительно прототипа.