СПОСОБ КАСКАДНО-КОНВЕЙЕРНОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
METHOD FOR CASCADE-PIPELINE ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERSION

Изобретение относится к способам аналого-цифрового преобразования и может быть использовано при построении аналого-цифровых преобразователей для высокоточных исследований быстропротекающих процессов.
Известен способ аналого-цифрового преобразования путем последовательного приближения. Данный способ основан на последовательной оценке значения каждого разряда выходного кода [Применение высокоточных систем. Под ред. Уолта Кестера / Москва: Техносфера, 2009. - 368 с. ISBN 978-5-94836-199-4].
Недостатком известного способа является недостаточная точность преобразования, определяемая нелинейностью внутреннего цифроаналогового преобразования.
За прототип принят способ конвейерного аналого-цифрового преобразования [Rudy van Plassche, CMOS Integrated Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Converters, Second Edition, Kluwer Academic Publishers, 2003, ISBN 1-40-20-7500-6]. Он основан на поэтапном аналого-цифровом преобразовании входного сигнала и объединении результатов всех преобразований в выходной двоичный код, при этом на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, осуществляется его аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование, а во втором и последующих этапах преобразования аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование осуществляется над усиленной ошибкой квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования. Ошибку квантования на каждом этапе аналого-цифрового преобразования формируют как разность входного аналогового сигнала текущего этапа аналого-цифрового преобразования и значения выходного аналогового сигнала с цифроаналогового преобразователя текущего этапа.
Аналого-цифровое преобразование, основанное на конвейерной архитектуре, обеспечивает недостаточную точность и быстродействие для его использования в высокоточных исследованиях быстропротекающих импульсных процессов, что обусловлено наличием на каждом этапе цифроаналогового преобразования двоичного кода.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени аналого-цифрового преобразования за счет применения одних и тех же значений уровней квантования на всех этапах аналого-цифрового преобразования, использующихся для определения ошибки квантования на каждом, кроме оконечного, этапах аналого-цифрового преобразования.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования, основанного на поэтапном аналого-цифровом преобразовании входного сигнала, при котором на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, и осуществляется его аналого-цифровое преобразование, а во втором и последующих этапах аналого-цифрового преобразования преобразуется усиленная ошибка квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования, и объединении результатов преобразований со всех этапов в выходной двоичный код, ошибку квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования формируют как разность сохраненного значения входного аналогового сигнала и значения уровня квантования, соответствующего текущему этапу аналого-цифрового преобразования.
Сущность поясняется следующими рассуждениями.
В известном способе аналого-цифрового преобразования, взятого за прототип, на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, а на втором и последующих этапах сохраняется значение усиленной ошибки квантования предыдущего этапа, которое сравнивается с формируемыми на каждом этапе значениями уровней квантования. Результат сравнения на каждом этапе выражается в виде «единичного» кода, который преобразуется в двоичный, и используется для формирования общего результата аналого-цифрового преобразования в виде К-разрядного двоичного кода, где К=n·(k+1); n - разрядность двоичного кода формируемого на каждом этапе аналого-цифрового преобразования; k - количество этапов преобразования, учитывающих формирование ошибки квантования. Ошибка квантования определяется на всех этапах аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного. На первом этапе аналого-цифрового преобразования ошибка квантования формируется как разность значения полученного после цифроаналогового преобразования двоичного кода текущего этапа и сохраненного значения входного аналогового сигнала, а на втором и последующих этапах аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, ошибка квантования текущего этапа формируется как разность значения полученного после цифро-аналогового преобразования двоичного кода текущего этапа и значения усиленной ошибки квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования.
n
Применение цифроаналогового преобразования характеризуется нелинейностью преобразования (Цифровые устройства и микропроцессоры/ Д.А. Безуглов, И.В. Калиенко. - Изд. 2-е - Ростов н/Д: Феникс, 2008. - 468 с.: ил.), т.е. разностью реального напряжения, соответствующего полученному значению двоичного кода, и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в идеальном случае (опорному напряжению, формирующемуся резистивной линейкой). Одновременно с усилением полезного сигнала усиливается и значение нелинейности, вносимой цифроаналоговым преобразователем. При увеличении этапов аналого-цифрового преобразования, нелинейность, вносимая цифроаналоговыми преобразованиями, на каждом этапе усиливается и накладывается на нелинейность цифроаналогового преобразования последующего этапа, и общая погрешность преобразования увеличивается. На фиг. 1 представлена последовательность действий, необходимых для осуществления первого этапа аналого-цифрового преобразования входного аналогового сигнала в прототипе, где: 1 - сохранение значения входного аналогового сигнала; 2 - формирование N значений уровней квантования, где N=2; 3 - формирование N-разрядного «единичного» кода путем сравнения значения сохраненного входного на данном этапе аналогового сигнала с N значениями уровней квантования; 4 - формирование n-разрядного двоичного кода из N-разрядного «единичного» кода; 5 - цифроаналоговое преобразование сформированного двоичного кода; 6 - сохранение значения двоичного кода; 7 - определение и усиление ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования.
Момент формирования значения усиленной ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования по отношению к моменту сохранения входного аналогового сигнала на данном этапе характеризуется задержкой:
зад.
ком.
шиф.
s
ву
t=t+t+t+t,
ком.
шиф.
s
ву
шиф
где t - интервал времени, необходимый для осуществления формирования N-разрядного «единичного» кода путем сравнения значения сохраненного входного аналогового сигнала с N значениями уровней квантования; t - интервал времени, в течение которого N-разрядный «единичный» код преобразуется в n-разрядный двоичный; t - интервал времени, необходимый для осуществления цифроаналогового преобразования, т.е. от момента изменения двоичного кода до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины квантования; t - время определения и усиления ошибки квантования на текущем этапе аналого-цифрового преобразования. При увеличении на каждом этапе разрядности аналого-цифрового преобразования, t. будет увеличиваться соответственно, следовательно, время аналого-цифрового преобразования будет увеличиваться.
Реализация предлагаемого способа заключается в следующем. На фиг. 2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования, где: 8 - устройство сохранения отсчета входного аналогового сигнала; 9 - устройство формирования N значений уровней квантования; 10 - формирователь N-разрядного «единичного» кода первого блока аналого-цифрового преобразования; 11 - формирователь n-разрядного двоичного кода первого блока аналого-цифрового преобразования; 12 - коммутатор значения уровня квантования первого блока аналого-цифрового преобразования; 13 - устройство определения ошибки квантования первого блока аналого-цифрового преобразования; 14 - усилитель значения ошибки квантования первого блока аналого-цифрового преобразования; 15 - формирователь N-разрядного «единичного» кода k-го блока аналого-цифрового преобразования; 16 - формирователь n-разрядного двоичного кода k-го блока аналого-цифрового преобразования; 17 - коммутатор значения уровня квантования k-го блока аналого-цифрового преобразования; 18 - устройство определения ошибки квантования k-го блока аналого-цифрового преобразования; 19 - усилитель значения ошибки квантования k-го блока аналого-цифрового преобразования; 20 - формирователь N-разрядного «единичного» кода оконечного блока аналого-цифрового преобразования; 21 - формирователь n-разрядного двоичного кода оконечного блока аналого-цифрового преобразования; 22 - устройство формирования выходного К-разрядного двоичного кода. При этом входной аналоговый сигнал подается на вход устройства сохранения отсчета входного аналогового сигнала 8, выход которого соединен с первым входом формирователя N-разрядного «единичного» кода первого блока аналого-цифрового преобразования 10 и с первым входом устройств определения ошибки квантования аналого-цифрового преобразования во всех блоках аналого-цифрового преобразования кроме оконечного 13 и 18, соответственно, выход устройства формирования N значений уровней квантования 9 соединен со вторым входом формирователя N-разрядного «единичного» кода во всех блоках аналого-цифрового преобразования 10, 15, и 20, соответственно, и с первым входом коммутатора значений уровней квантования во всех блоках аналого-цифрового преобразования. кроме оконечного 12 и 17, соответственно, выход формирователя N-разрядного «единичного» кода во всех блоках аналого-цифрового преобразования 10, 15 и 20 соединен с первым входом формирователя n-разрядного двоичного кода во всех блоках аналого-цифрового преобразования 11, 16 и 21, соответственно, а также со вторым входом коммутатора значений уровней квантования 12 и 17 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, соответственно, выход коммутатора значений уровней квантования 12 и 17 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, соответственно, соединен со вторым входом устройства определения ошибки квантования 13 и 18 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного соответственно, выход устройства определения ошибки квантования 13 и 18 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, соединен с входом усилителя значения ошибки квантования 14 и 19 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, соответственно, выход которого соединен с первым входом формирователя N-разрядного «единичного» кода очередного блока аналого-цифрового преобразования 15 и 20, а выход формирователя n-разрядного двоичного кода 11, 16 и 21 во всех блока аналого-цифрового преобразования соединен с входом устройства формирования выходного К-разрядного двоичного кода 22, соответственно, на выходе которого формируется выходной К-разрядный двоичный код.
В каждом блоке аналого-цифрового преобразования реализуется этап аналого-цифрового преобразования, где на первом этапе формируется n-разрядный двоичный код, использующийся для формирования общего результата аналого-цифрового преобразования в виде выходного К-разрядного двоичного кода, при этом на всех этапах преобразования используются одни и те же значения уровней квантования, а определение ошибки квантования осуществляется на всех этапах аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного. Путем сравнения значения входного аналогового сигнала с формируемыми N значениями уровней квантования формируется N-разрядный «единичный» код, который одновременно используется для формирования n-разрядного двоичного кода, а также выбора значения коммутируемого уровня квантования, использующегося для определения ошибки квантования. Ошибка квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования, определяемая как разность сохраненного значения входного аналогового сигнала и значения коммутируемого уровня квантования, соответствующего «единичному» коду определенному на текущем этапе аналого-цифрового преобразования, усиливается в (N-1) раз и подается на следующий этап аналого-цифрового преобразования.
На фиг. 3 представлена последовательность действий необходимых для осуществления первого этапа предлагаемого каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования входного аналогового сигнала, где: 23 - сохранение значения входного аналогового сигнала; 24 - формирование N значений уровней квантования; 25 - формирование N-разрядного «единичного» кода путем сравнения значения сохраненного входного аналогового сигнала с N значениями уровней квантования; 26 - коммутация значения уровня квантования, соответствующего сформированному на данном этапе N-разрядному «единичному» коду; 27 - формирование n-разрядного двоичного кода из N-разрядного «единичного» кода; 28 - сохранение значения двоичного кода; 29 - определение и усиление в (N-1) раза ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования.
Момент времени сохранения входного аналогового сигнала по отношению к моменту времени формирования значения усиленной ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования на одном этапе аналого-цифрового преобразования характеризуется задержкой:
зад.
ком.
кл.
ву
t=t+t+t,
кл.
зад.
где t - время коммутации значения уровня квантования, соответствующего сформированному на текущем этапе «единичному» коду. Из данного выражения видно, что при увеличении на каждом этапе разрядности аналого-цифрового преобразования t остается постоянной.
Применение предлагаемого способа каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования позволяет увеличить точность и уменьшить общее время преобразования входного аналогового сигнала в выходной двоичный код.