АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код.
Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) следящего типа, содержащий компаратор напряжения, генератор тактовых импульсов, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (Джонс М.X. Электроника - практический курс. - М.: Техносфера, 2006. - С.467, рисунок 14.22). Недостатком устройства является увеличение времени преобразования при резких изменениях преобразуемого напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является аналого-цифровой преобразователь, содержащий вычитатель, на один вход которого подается входное преобразуемое напряжение, а ко второму входу подключен выход цифроаналогового преобразователя, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, выходы которого являются выходами устройства, тактовый генератор, выход которого подключен к счетному входу реверсивного счетчика, и схему переключения направления счета, ко входу которой подключен выход вычитателя, а выход соединен с управляющим входом реверсивного счетчика (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - С.461, рисунок 24.26). С помощью вычитателя входное преобразуемое напряжение сравнивается с выходным напряжением ЦАП. Если модуль разности этих напряжений больше половины младшего разряда, счетчик работает либо в суммирующем режиме (при положительной разности), либо в вычитающем режиме (при отрицательной разности). Если модуль разности меньше половины младшего разряда, счетчик останавливается. Недостатком устройства является увеличение времени преобразования при резких изменениях преобразуемого напряжения.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение быстродействия АЦП за счет применения дополнительного параллельного аналого-цифрового преобразователя небольшой разрядности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в следящем АЦП, содержащем вычитатель, на один вход которого подается входное преобразуемое напряжение, а ко второму входу подключен выход цифроаналогового преобразователя, соединенного с выходом реверсивного счетчика, выходы которого являются выходами устройства, тактовый генератор, выход которого подключен к счетному входу реверсивного счетчика, и схему переключения направления счета, к входу которой подключен выход вычитателя, а выход соединен с управляющим входом реверсивного счетчика, согласно изобретению введены дополнительный параллельный АЦП небольшой разрядности, выходы которого подключены к входам ЦАП, вход подключен к входу устройства, и формирователь импульсов установки реверсивного счетчика, на вход которого подаются импульсы с выхода младшего разряда дополнительного АЦП, а выход подключен к установочному входу реверсивного счетчика. Выходы реверсивного счетчика и дополнительного АЦП являются цифровыми выходами всего устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известной тем, что в нее дополнительно введены параллельный АЦП небольшой разрядности и формирователь импульсов установки счетчика, которые являются стандартными узлами электронной техники. В качестве параллельного АЦП малой разрядности может, например, быть использовано устройство, описанное в справочнике: Никамин В.А. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Справочник. - СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А», 2003. - С.77, рисунок 2.14. В качестве формирователя импульсов установки счетчика может быть использовано устройство выделения фронта импульсов, описанное в книге: Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. - Москва: Техносфера, 2009. - С.359, рисунок 10.7. Однако несмотря на то введенные узлы являются стандартными узлами электронной техники, их введение, а также появление новых функциональных связей межу ними и существующими блоками дает возможность проявиться в предлагаемом устройстве новому свойству. Это свойство заключается в повышении быстродействия.
Структурная схема устройства приведена на чертеже. Устройство содержит вычитатель 1, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 2, схему переключения направления счета 3, реверсивный счетчик 4, дополнительный параллельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, тактовый генератор 6, формирователь импульсов установки счетчика 7.
ВХ
ЦАП
Вычитатель 1 предназначен для сравнения входного преобразуемого напряжения U с выходным напряжением ЦАП 2 - U. ПОД воздействием выходного сигнала, представляющего разность этих напряжений, работает схема переключения направления счета 3. Выходной сигнал схемы переключения направления счета 3 является цифровым и управляет направлением счета реверсивного счетчика 4. ЦАП 2 предназначен для преобразования выходного цифрового сигнала в соответствующий уровень аналогового напряжения. Разрядность ЦАП равна сумме разрядностей реверсивного счетчика 4 и параллельного АЦП 5. Тактовый генератор 6 задает частоту работы реверсивного счетчика. АЦП 5 вырабатывает старшие разряды выходного цифрового кода. Реверсивный счетчик 4 вырабатывает младшие разряды выходного цифрового кода. Именно при такой организации устройства обеспечивается наибольшее быстродействие всего устройства. Формирователь импульсов установки счетчика 7 устанавливает старший разряд счетчика 4 в состояние логической «1». Этим обеспечивается возможность работы счетчика в процессе преобразования, как в режиме вычитания, так и в режиме суммирования. Кроме того, этим обеспечивается коррекция смещения нуля параллельного АЦП.
Рассмотрим работу устройства (см. чертеж).
вх
ЦАП
вх
вх
вх
ЦАП
вх
вх
,
.
Преобразуемое напряжение U поступает на один вход вычитателя 1. На другой вход вычитателя подается аналоговое напряжение с выхода ЦАП 2, Uкоторое эквивалентно выходному цифровому сигналу всего устройства. На выходе вычитателя формируется сигнал, равный разности этих напряжений. Если модуль разности этих напряжений больше половины младшего разряда, счетчик 4 работает либо в суммирующем режиме (при положительной разности), либо в вычитающем режиме (при отрицательной разности). Если модуль разности меньше половины младшего разряда, счетчик 4 останавливается. Скорость переключений счетчика задается тактовым генератором 6. Выходы реверсивного счетчика подключены к младшим разрядам ЦАП 2. К старшим разрядам ЦАП 2 подключены выходы параллельного АЦП небольшой разрядности 5. На вход АЦП 5 поступает преобразуемое напряжение U. В процессе работы устройства на выходах параллельного АЦП практически мгновенно устанавливается цифровой код, соответствующий U. Этим обеспечивается высокое быстродействие предлагаемого АЦП. В дальнейшем, с поступлением каждого следующего тактового импульса, реверсивный счетчик 4 уменьшает разность напряжений U и UПри малых изменениях U код на выходе АЦП 5 не меняется. Слежение за U осуществляется только реверсивным счетчиком.
Таким образом, предложенный АЦП позволяет повысить быстродействие и уменьшить время преобразования благодаря применению дополнительного АЦП небольшой разрядности и формирователя импульсов установки реверсивного счетчика.