АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (АЦП)
ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER (ADC)

Предлагаемое изобретение относится к устройствам параллельного преобразования аналогового сигнала в цифровые сигналы (коды) и может быть использовано в составе систем обработки и управления сигналами.
Известен [патент РФ №2066923 С1, кл. H03M 1/36 от 20.09.1996, автор Гельман М.М.] параллельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), содержащий первый и второй дешифраторы единичного кода, выходы которых являются выходной шиной, первый и второй источники опорного напряжения, два блока кодирования, каждый из которых выполнен на резистивном делителе и компараторах, первые входы которых в первом блоке кодирования подключены к соответствующим нечетным выходам резистивного делителя, а во втором блоке кодирования к каждому выходу резистивного делителя; вторые входы компараторов обоих блоков кодирования объединены и являются входной шиной; третьи входы объединены и в первом блоке кодирования подключены к шине стробирования; первый вход резистивного делителя первого блока кодирования является шиной нулевого потенциала, второй выход подключен к выходу первого источника опорного напряжения; между первым и вторым входами резистивного делителя второго блока кодирования включен второй источник опорного напряжения, а выходы компараторов обоих блоков кодирования соединены со входами соответствующих дешифраторов единичного кода, отличается тем, что в него дополнительно введены аналоговый суммирующий блок, источник напряжения смещения, формирователь импульса, элемент временной задержки, элементы НЕ, элементы И и элемент ИЛИ, а первый блок кодирования выполнен на группе из Z компараторов, и в него введены Z аналоговых ключей, информационные входы которых подключены к соответствующим четным выходам резистивного делителя данного блока кодирования, а выходы объединены и подключены к первому входу аналогового суммирующего блока, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, а вход управления каждого i-го аналогового ключа, где  соединен с выходом соответствующего (i-1)-го элемента И, первый вход которого, за исключением последнего элемента И, объединен через i-й элемент НЕ со вторым входом i-го элемента И и соединен непосредственно с выходом i-го компаратора группы, второй вход (i-1)-го элемента И через (i-1)-й элемент НЕ соединен с выходом (i-1)-го компаратора группы, который соединен с управляющим входом (i-1)-го аналогового ключа, а выход i-го компаратора группы подключен к первому входу последнего элемента И непосредственно и через последний элемент НЕ к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом последнего элемента И, а выход соединен с управляющим входом i-го аналогового ключа, выход суммирующего блока подключен к первому входу резистивного делителя второго блока кодирования, объединенные третьи входы компараторов которого подключены через элемент временной задержки к выходу формирователя импульса, вход которого подключен к шине стробирования.
Недостатками являются наличие большого количества компараторов, резисторов и аналоговых ключей, что ведет к увеличению габаритных размеров, энергоемкости и делает невозможным реализацию АЦП с большим количеством разрядов.
N
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является параллельный АЦП [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. - 2-е изд. - М.: «Додека», 2007, с.436, рис.9.4], включающий 2-1 компараторов, где N - разрядность АЦП, включенных параллельно источнику входного сигнала, источник опорного напряжения, с выхода которого с помощью резистивных делителей формируется эквидистантное опорное напряжение для компараторов. Сигналы с выходов компараторов преобразуются в двоичное число с помощью приоритетного шифратора, выход которого является выходом АЦП.
Недостатками описанного устройства являются, во-первых, малая точность из-за сложности реализации многоразрядного ЦАП, так для реализации 16-разрядного АЦП в прототипе потребуется 65535 компараторов и 65536 резисторов. С увеличением разрядности (числа уровней квантования) возрастает число ступеней резистивного делителя, на котором формируется шкала опорных уровней квантования, и усиливается влияние входных токов компараторов на рост погрешности преобразования. При этом образуются паразитные, различные по значениям падения напряжений на ступенях делителя, вызывающие различные паразитные смещения нулевого уровня каждого из компараторов. Для их уменьшения используют низкоомные делители, что вызывает увеличение тока, а значит и увеличение температуры элементов, что, в свою очередь, обусловливает возникновение дополнительной погрешности. Одновременно с увеличением числа ступеней резистивного делителя возрастают паразитные реактивности. Во-вторых, из-за большого количества компараторов и резисторов возрастает энергопотребление и габаритные размеры. Так 8-разрядный АЦП МАХ108 потребляет более 5 Вт [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. - 2-е изд. - М.: «Додека», 2007, с.437]. В-третьих, недостаточная надежность из-за отсутствия гальванической развязки между входом и выходом.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности, надежности, снижение энергоемкости и миниатюризации его исполнения.
Технический результат достигается тем, что в ЦАП, содержащий приоритетный шифратор, выход которого является выходом АЦП, введен блок преобразования напряжения - ток, вход и выход которого являются входами АЦП по напряжению и току соответственно, светодиод, подключенный к токовому входу, зеркало, располагающееся параллельно плоскости фотопринимающей матрицы, состоящей из линейки светочувствительных сенсоров, расположенных по радиусу светового пятна, сформированного отражением излучения светодиода от зеркала.
N
На чертеже представлена функциональная схема АЦП, состоящего из блока преобразования напряжения - ток 1, который выполнен по известным схемам источников тока, управляемых напряжением [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. - 2-е изд. - М.: «Додека», 2007, с.85], вход которого является входом по напряжению АЦП, а выход входом по току, к которому подключается светодиод 2, излучение от которого, распространяясь по телесному углу 3, отражается от зеркала 4, располагающегося параллельно плоскости фотопринимающей матрицы 5. Фотопринимающая матрица 5 состоит из линейки светочувствительных сенсоров в количестве 2, располагающихся по радиусу светового пятна, сформированного отражением излучения светодиода 2 от зеркала 4 и транзисторов. В качестве светочувствительных сенсоров в матрице используются быстродействующие фотодиоды, которые подключаются к затворам транзисторов, включенных в ключевом режиме, так чтобы при засветке фотодиода на выходе фотопринимающей матрицы установилось единичное состояние. Фотодиоды располагаются друг от друга на расстоянии, при котором увеличение тока на шаг квантования вызывает увеличение количества засвеченных светочувствительных элементов на один. Это возможно благодаря увеличению интенсивности излучения светодиода при увеличении тока [Шуберт Ф. Светодиоды: Пер. с англ. Под ред. А.Э.Юновича. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, с.105, рис.4.13] и снижению интенсивности излучения с увеличением телесного угла 3 при Ламбертовском распределении излучения [Шуберт Ф. Светодиоды: Пер. с англ. Под ред. А.Э.Юновича. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, с.121]. К выходу фотопринимающей матрицы 5 подключен приоритетный шифратор 6, выход которого является выходом АЦП.
Работа АЦП осуществляется следующим образом. Светодиод 2 управляется током, который либо подается с токового входа АЦП, либо с блока преобразования напряжения - ток 1. В нулевом состоянии светодиод отключен, все светочувствительные сенсоры фотопринимающей матрицы 5 не засвечены (находятся в нулевом состоянии). На выходе приоритетного шифратора 6 нулевое состояние. С изменением значения на входе АЦП светодиод 2 испускает излучение продолжительностью, равной продолжительности входного сигнала. Излучение, отражаясь от зеркала 4, фокусируется на фотопринимающей матрице 5 и засвечивает часть светочувствительных сенсоров. На выходе транзисторов, подключенных к этим сенсорам, устанавливается единичное состояние, таким образом на вход приоритетного шифратора 6 будет поступать десятичный код, аналогичный коду в прототипе [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. - 2-е изд. - М.: «Додека», 2007, с.437, таб.9.1]. Этот код преобразуется приоритетным шифратором в выходной двоичный сигнал.
Точность преобразования повышается увеличением разрядности АЦП и соответственно количеством светочувствительных элементов в фотопринимающей матрице. В прототипе реализация АЦП с большим количеством разрядов затруднена, так для реализации 16-разрядного АЦП в прототипе потребуется 65535 компараторов и 65536 резисторов, поэтому для них недостижимы АЦП выше 10 разрядов.
Надежность работы АЦП достигается тем, что в устройстве выполнена гальваническая развязка входов и выходов, это ведет к скрытности передали информации по оптическому каналу связи и функционированию цифровых микроэлектронных устройств спецназначения в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.
N
N
Снижение энергоемкости и миниатюризации исполнения АЦП достигается тем, что оптический канал связи позволит исключить 2-1 компараторов и 2 резисторов, на работу которых требуется наибольшая потребляемая мощность и достаточно большая площадь расположения.
Таким образом, предлагаемое изобретение цифроаналогового преобразователя выгодно отличается от известных, так как при высоком быстродействии, присущем параллельным преобразователям, способно выполнять преобразования с высокой точностью, сочетая при этом миниатюрное исполнение и низкую энергию потребления.