ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДВУХПОЛЯРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ДВОИЧНЫЙ КОД СО СТУПЕНЧАТЫМ ПИЛООБРАЗНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

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 со входом подачи импульсов сдвига сдвигающего регистра.
Недостатками данного устройства являются невозможность преобразования разнополярного напряжения, сложность схемы управления триггерами, большое количество оборудования и маленький динамический диапазон преобразования (маленькое отношение диапазона изменения преобразуемого напряжения к цене единицы младшего разряда).
Известен последовательный преобразователь однополярного напряжения в двоичный код следящего типа (Микропроцессорные системы автоматического управления. Под общей ред. В.А. Бесекерского. Л.: Машиностроение, 1998. С. 300, рис. 12.6). В состав преобразователя входят реверсивный n-разрядный счетчик; n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь; генератор импульсов тактовой частоты; компаратор и логические двухвходовые конъюнкторы управления направлением счета. В преобразователе выходы реверсивного счетчика соединены с одноименными входами цифроаналогового преобразователя; выход цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входом компаратора, на другой вход которого поступает преобразуемое напряжение; выход компаратора через логические элементы подключен к управляющим входам суммировании и вычитания реверсивного счетчика, вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты.
Недостатками устройства являются невозможность преобразования разнополярного напряжения, наличие сложного и дорогого реверсивного счетчика, а также маленький динамический диапазон преобразования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь однополярного напряжения в двоичный код, построенный по методу последовательного счета 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 со 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 С поступления тактовых импульсов двоичного суммирующего счетчика.
Недостатками устройства являются невозможность преобразования разнополярного напряжения и маленький динамический диапазон преобразования.
Основная задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в разработке последовательного преобразователя напряжение-код со ступенчатым пилообразным напряжением, обладающего возможностью преобразования разнополярного напряжения, и увеличение динамического диапазона преобразования.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является возможность преобразования разнополярного напряжения и увеличение динамического диапазона преобразования.
зн
Указанный технический результат достигается тем, что последовательный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код со ступенчатым пилообразным напряжением, включающий n-разрядный двоичный суммирующий счетчик; n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь; компаратор; генератор импульсов тактовой частоты; триггер запуска счета; двухвходовой конъюнктор подачи счетных импульсов, дополнительно содержит знаковый компаратор; аналоговый инвертор; первый аналоговый ключ; второй аналоговый ключ; аналоговый сумматор; первый логический инвертор; двухвходовой дизъюнктор; первый двухвходовой конъюнктор; второй двухвходовой конъюнктор; второй логический инвертор; выход n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя соединен одновременно со входом аналогового инвертора и сигнальным входом второго аналогового ключа, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора; выход аналогового инвертора соединен с сигнальным входом первого аналогового ключа; выход первого аналогового ключа соединен со вторым входом аналогового сумматора; выход аналогового сумматора соединен со вторым входом компаратора, выход которого одновременно соединен с первым входом первого двухвходового конъюнктора и входом второго логического инвертора, выход которого соединен с первым входом второго двухвходового конъюнктора; первый вход компаратора соединен со входом знакового компаратора; выход знакового компаратора одновременно соединен со вторым входом второго двухвходового конъюнктора, с управляющим входом первого аналогового ключа и входом первого логического инвертора, выход которого одновременно соединен с управляющим входом второго аналогового ключа и вторым входом первого двухвходового конъюнктора; выход первого двухвходового конъюнктора соединен с первым входом двухвходового дизъюнктора; выход второго двухвходового конъюнктора соединен со вторым входом двухвходового дизъюнктора, выход которого соединен со входом сброса R триггера запуска счета; причем выход знакового компаратора соединен со знакомым выходом d преобразователя.
Поставленный технический результат достигается за счет введения дополнительных блоков и связей между ними, что позволяет осуществить последовательное преобразование как положительного, так и отрицательного напряжения в двоичный код методом ступенчатого пилообразного напряжения, и в два раза повысить динамический диапазон преобразования без существенных дополнительных затрат на оборудование.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что у аналогов отсутствует совокупность признаков, тождественных признакам заявляемого устройства «Последовательный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код со ступенчатым пилообразным напряжением». 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.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, представленным на фиг. 1.
зн
Последовательный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код со ступенчатым пилообразным напряжением, включающий n-разрядный двоичный суммирующий счетчик 1; n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь 2; компаратор 3; генератор импульсов тактовой частоты 4; триггер запуска счета 5; двухвходовой конъюнктор подачи счетных импульсов 6; знаковый компаратор 7; аналоговый инвертор 8; первый аналоговый ключ 9; второй аналоговый ключ 10; аналоговый сумматор 11; первый логический инвертор 12; двухвходовой дизъюнктор 13; первый двухвходовой конъюнктор 14; второй двухвходовой конъюнктор 15; второй логический инвертор 16; выход n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 2 соединен одновременно со входом аналогового инвертора 8 и сигнальным входом второго аналогового ключа 10, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора 11; выход аналогового инвертора 8 соединен с сигнальным входом первого аналогового ключа 9; выход первого аналогового ключа 9 соединен со вторым входом аналогового сумматора 11; выход аналогового сумматора 11 соединен со вторым входом компаратора 3, выход которого одновременно соединен с первым входом первого двухвходового конъюнктора 14 и входом второго логического инвертора 16, выход которого соединен с первым входом второго двухвходового конъюнктора 15; первый вход компаратора 3 соединен со входом знакового компаратора 7; выход знакового компаратора 7 одновременно соединен со вторым входом второго двухвходового конъюнктора 15, с управляющим входом первого аналогового ключа 9 и входом первого логического инвертора 12, выход которого одновременно соединен с управляющим входом второго аналогового ключа 10 и вторым входом первого двухвходового конъюнктора 14; выход первого двухвходового конъюнктора 14 соединен с первым входом двухвходового дизъюнктора 13; выход второго двухвходового конъюнктора 15 соединен со вторым входом двухвходового дизъюнктора 13, выход которого соединен со входом сброса R триггера запуска счета 5; причем выход знакового компаратора 7 соединен со знакомым выходом d преобразователя.
В качестве генератора импульсов тактовой частоты используют, например, автогенератор, в качестве триггера запуска счета - микросхему К555ТР2, в качестве компаратора - микросхему - AD8564AD, качестве знакового компаратора - микросхему - AD8564AD, в качестве двухвходовых конъюнкторов - микросхему К155ЛИ1, в качестве двоичного суммирующего счетчика - микросхему К155ИЕ4, в качестве двухвходового дизъюнктора - микросхему К155ЛЛ1, в качестве параллельного цифроаналогового преобразователя - микросхему К572ПА1, качестве налогового инвертора - микросхему К140УД7, в качестве логических ключей - микросхему К176КТ1, качестве аналогового сумматора - микросхему К140УД7; качестве логических инверторов - микросхему К155ЛН1 [1], [2].
Последовательный преобразователь двухполярного напряжения в двоичный код со ступенчатым пилообразным напряжением работает следующим образом.
2
вх
Импульсом «сброс», поступающим на вход сброса R двоичного суммирующего счетчика 1, обнуляется содержимое счетчика 1. В результате на выходе n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 2 устанавливается нулевое напряжение, соответствующее коду 000…00, Данное напряжение поступает одновременно на вход аналогового инвертора 8 и сигнальный вход второго аналогового ключа 10. После инверсии отрицательное выходное напряжение аналогового инвертора 8 поступает на сигнальный вход первого аналогового ключа 9. Управление первым аналоговым ключом 9 осуществляется непосредственно выходным напряжением знакового компаратора 7, а управление вторым аналоговым ключом 10 осуществляется инверсным выходным напряжением знакового компаратора 7 с выхода первого инвертора 12. Преобразуемое напряжение U поступает на первый вход компаратора 3.
вх
зн
зн
Если преобразуемое напряжение U положительное, то на выходе знакового компаратор 7 формируется нулевое напряжение и значение знакового разряда становится d=0, которое поступает на выход преобразователя d. Нулевое напряжение с выхода знакового компаратора 7 поступает на вход первого логического инвертора 12, которым преобразуется в логическую единицу. Далее высокое напряжение уровня логической единицы с выхода первого логического инвертора 12 поступает на управляющий вход второго аналогового ключа 10. Аналоговый ключ 10 под действием управляющего высокого напряжения уровня логической единицы открывается и положительное выходное напряжение n-разрядного цифроаналогового преобразователя 2 поступает через второй аналоговый ключ 10 на первый вход аналогового сумматора 11. В это время первый аналоговый ключ 9 закрыт, так как на его управляющем входе действует низкое напряжение уровня логического нуля, поступающее с выхода знакового компаратора 7. В результате выходное напряжение аналогового сумматора 11 поступает на второй вход компаратора 3. При этом на первом входе первого двухвходового конъюнктора 14 действует напряжение логического нуля, а на втором входе - высокое напряжение уровня логической единицы с выхода первого логического инвертора 12. В результате на выходе первого двухвходового конъюнктора 14 появляется низкое напряжение уровня логического нуля, которое через двухвходовой дизъюнктор 13 поступает на вход сброса R триггера запуска счета 5. Одновременно на первом входе второго двухвходового конъюнктора 15 действует высокое напряжение уровня логической единицы с выхода логического инвертора 16, а на втором входе - низкое напряжение уровня логического нуля с выхода компаратора знака 7. В результате на выходе второго двухвходового конъюнктора 15 появляется низкое напряжение уровня логического нуля, которое через двухвходовой дизъюнктор 13 поступает на вход сброса R триггера запуска счета 5. Таким образом сигнал сброса с триггера запуска счета 5 снимается и преобразователь готов к работе.
вх
Далее на вход S триггера запуска счета 5 поступает импульс запуска, на выходе триггера запуска счета 5 устанавливается напряжения уровня логической единицы, которое поступает на вход 2 двухвходового конъюнктора 6, тем самым разрешая прохождение счетных импульсов генератора импульсов тактовой частоты 4 на вход С n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1. В результате подсчета импульсов на выходе n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 формируется линейно нарастающий двоичный код, который n-разрядным параллельным цифроаналоговым преобразователем 2 преобразуется в ступенчато нарастающее положительное напряжение. Данное напряжение через открытый второй аналоговый ключ 10 и аналоговый сумматор 11 поступает на второй вход компаратора 3 и сравнивается с преобразуемым напряжением U.
вх
BX
зн
зн
В момент времени, когда ступенчато нарастающее напряжение с выхода n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 2 становится больше преобразуемого напряжения U, компаратор 3 срабатывает, на его выходе формируется напряжение уровня логической единицы, которое поступает на первый вход первого двухвходового конъюнктора 14 и вход второго логического инвертора 16. В результате на обоих входах первого двухвходового конъюнктора 14 действуют высокие напряжения уровня логической единицы и на выходе первого двухвходового конъюнктора 14 появляется высокие напряжения уровня логической единицы, которое через двухвходовой дизъюнктор 13 поступает на вход сброса R триггера запуска счета 5. Триггер запуска счета 5 сбрасывается, на его выходе формируется низкое напряжение уровня логического нуля, которое поступает на второй вход двухвходового конъюнктора 6, тем самым запрещая прохождение счетных импульсов генератора импульсов тактовой частоты 4 на вход С n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1. На этом процесс преобразования заканчивается. Сформированный на выходах n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 двоичный код является цифровым аналогом преобразуемого напряжения U, знак которого определяется значением знакового разряда d=0 на выходе d преобразователя.
вх
зн
зн
Если преобразуемое напряжение U отрицательное, то на выходе знакового компаратор 7 формируется высокое напряжение уровня логической единицы и значение знакового разряда становится d=1, которое поступает на выход d преобразователя. Высокое напряжение уровня логической единицы с выхода знакового компаратора 7 поступает на вход первого логического инвертора 12, которым преобразуется в логический ноль. Далее низкое напряжение уровня логического нуля с выхода первого логического инвертора 12 поступает на управляющий вход второго аналогового ключа 10. Второй аналоговый ключ 10 под действием управляющего напряжения логического нуля закрывается. В это время первый аналоговый ключ 9 открыт, так как на его управляющем входе действует высокое напряжение уровня логической единицы, поступающее с выхода знакового компаратора 7. В результате отрицательное напряжение с выхода аналогового инвертора 8 через открытый первый аналоговый ключ 9 и аналоговый сумматор поступает на второй вход компаратора 3.
При этом на первом входе первого двухвходового конъюнктора 14 действует высокое напряжение уровня логической единицы, а на втором входе - низкое напряжение уровня логического нуля с выхода первого логического инвертора 12. При этом на выходе первого двухвходового конъюнктора 14 появляется низкое напряжение уровня логического нуля, которое через двухвходовой дизъюнктор 13 поступает на вход сброса R триггера запуска счета 5. Одновременно на первом входе второго двухвходового конъюнктора 15 действует низкое напряжение уровня логического нуля с выхода логического инвертора 16, а на втором входе -высокое напряжение уровня логической единицы с выхода компаратора знака 7. В результате на выходе второго двухвходового конъюнктора 15 появляется низкое напряжение уровня логического нуля, которое через двухвходовой дизъюнктор 13 поступает на вход сброса R триггера запуска счета 5. Таким образом, сигнал сброса с триггера запуска счета 5 снимается и преобразователь готов к работе.
вх
Далее на вход S триггера запуска счета 5 поступает импульс запуска, на выходе триггера запуска счета 5 устанавливается напряжения уровня логической единицы, которое поступает на второй вход двухвходового конъюнктора 6, тем самым разрешая прохождение счетных импульсов генератора импульсов тактовой частоты 4 на вход С n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1. В результате подсчета импульсов на выходе n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 формируется линейно нарастающий двоичный код, который n-разрядным параллельным цифроаналоговым преобразователем 2 преобразуется в ступенчато нарастающее положительное напряжение. Данное напряжение после инверсии в аналоговом инверторе 8 через открытый первый аналоговый ключ 9 и аналоговый сумматор 11 поступает на второй вход компаратора 3 и сравнивается с преобразуемым напряжением U.
вх
BX
зн
зн
В момент времени, когда отрицательное напряжение на входе 2 компаратора 3 становится по абсолютной величине больше преобразуемого напряжения U, компаратор 3 срабатывает, на его выходе формируется напряжение уровня логического нуля, которое поступает на первый вход первого двухвходового конъюнктора 14 и вход второго логического инвертора 16. В результате на обоих входах первого двухвходового конъюнктора 14 действуют низкие напряжения уровня логического нуля и на выходе первого двухвходового конъюнктора 14 появляется низкое напряжение уровня логического нуля. Одновременно на первом и втором входах второго двухвходового конъюнктора 15 появляется высокое напряжение уровня логической единицы, которое через двухвходовой дизъюнктор 13 поступает на вход сброса R триггера запуска счета 5. Триггер запуска счета 5 сбрасывается, на его выходе формируется низкое напряжение уровня логического нуля, которое поступает на вход 2 двухвходового конъюнктора 6, тем самым запрещая прохождение счетных импульсов генератора импульсов тактовой частоты 4 на вход С n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1. На этом процесс преобразования заканчивается. Сформированный на выходах n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 двоичный код является цифровым аналогом преобразуемого напряжения U, знак которого определяется значением знакового разряда d=l на выходе d преобразователя.
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 при минимальном дополнительном оборудовании.
Преобразование двухполярного напряжения в двоичный код достигается за счет того, что в составе преобразователя имеется аналоговый инвертор, позволяющий сравнивать в компараторе положительное преобразуемое напряжение с положительным напряжением с выхода цифроаналогового преобразователя и при отрицательном преобразуемом напряжении - с отрицательным напряжением после инверсии выходного напряжения цифроаналогового преобразователя. 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.