АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использована в системах контроля, сбора и обработки информации.
Уровень техники
Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжение-частота и блок выбора диапазона преобразования (Патент US, №4357999, Н 03 М 1/00, 1982 г.).
Недостатком устройства является малое быстродействие.
Известен аналого-цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту, содержащий преобразователь напряжение-частота, на вход которого подается измеряемое напряжение, а выход подключен к входу счетчика, который находится в режиме счета фиксированный интервал времени, задаваемый формирователем фиксированного интервала времени, выход которого подключен к входу разрешения счета счетчика. (Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. /Под ред. У.Томпкинса, Дж.Уэбстера. М.: Мир, 1992, с.195-196).
Недостатком устройства является невозможность осуществления аналого-цифрового преобразования двухполярных сигналов, малое быстродействие и низкая точность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип, является аналого-цифровой преобразователь, содержащий 2 канала, каждый из которых содержит преобразователь напряжение-частота и счетчик, при этом входы преобразователей напряжение-частота объединены, выходы
преобразователей напряжение-частота подключены к входам счетчиков, входы счетчиков соединены с выходом таймера, а выходы счетчиков соединены с входами сумматора. (Патент РФ, №2231922 от 29.01.93 г.).
Недостатком устройства является невозможность осуществления аналого-цифрового преобразования двухполярных сигналов и низкая точность преобразования, прежде всего, быстропротекающих процессов.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению функциональных возможностей, повышению точности или быстродействия аналого-цифрового преобразователя.
Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности аналого-цифрового преобразования как однополярных, так и двухполярных сигналов, как медленно протекающих, так и быстропротекающих процессов.
Технический результат достигается тем, что в известный аналого-цифровой преобразователь, содержащий 2 канала, каждый из которых содержит преобразователь напряжение-частота и счетчик, а так же сумматор, формирователь фиксированного интервала времени (таймер), объединенные в блок преобразования, при этом вход блока преобразования параллельно подключен к входам преобразователей напряжение-частота, выходы которых подключены к входам счетчиков, которые находятся в режиме счета фиксированный интервал времени, задаваемый таймером, выход которого параллельно подключен к первому выходу блока преобразования и входам разрешения счета счетчиков, выходы счетчиков соединены с входами сумматора, выходы которого являются информационными выходами блока преобразования, введены схема выборки-хранения, одноразрядный регистр памяти, блок из m ключей, блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, блок синхронизации, вход управления, причем
информационный (аналоговый) вход соединен с первым входом схемы выборки-хранения, вход управления соединен с первым входом блока синхронизации и со вторым входом схемы выборки-хранения, выход которой соединен со входом блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, первый выход которого подключен к первому входу блока преобразования, а второй выход подключен к входу одноразрядного регистра памяти, вход управления записью которого подключен ко второму выходу блока синхронизации, третий выход которого подключен к входам управления сбросом счетчиков блока преобразования и одноразрядному регистру памяти, выход которого служит входом старшего разряда блока ключей, вход управления которым подключен к первому выходу блока синхронизации, информационные выходы блока преобразования подключены к m-1 входам блока ключей, m выходов которого являются выходами аналого-цифрового преобразователя.
Блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений содержит два аналоговых ключа, инвертирующий усилитель постоянного тока, компаратор, инвертор; вход блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений соединен с входами второго аналогового ключа, инвертирующего усилителя постоянного тока и неинвертирующим входом компаратора, выход последнего подключен к входу инвертора, входу управления второго аналогового ключа и второму выходу блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, выход инвертирующего усилителя постоянного тока соединен со входом первого аналогового ключа, выход которого, вместе с выходом второго аналогового ключа образуют первый выход блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
Блок синхронизации содержит две дифференцирующие цепи, элемент задержки, RS триггер, инвертор; первый вход блока синхронизации через вторую дифференцирующую цепь подключен к входу элемента задержки, входу R (сброса) RS триггера и третьему выходу блока синхронизации;
второй вход блока синхронизации через последовательно соединенные инвертор и первую дифференцирующую цепь подключен к входу S (установки в единичное состояние) RS триггера, выход которого является первым выходом блока синхронизации, а выход элемента задержки подключен ко второму выходу блока синхронизации.
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 приведена структурная схема блока синхронизации.
На фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Осуществление полезной модели
Аналого-цифровой преобразователь состоит из схемы выборки-хранения (СВХ) 1, первый вход которой соединен с информационным (аналоговым) входом устройства; вход управления устройства соединен с первым входом блока синхронизации (БС) 2 и со вторым входом СВХ 1, выход которой соединен со входом блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ И ИОН) 3, первый выход БОЗ И ИОН 3 подключен к первому входу блока преобразования (БП) 4, который параллельно подключен к входам состоящих в нем преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) 5 и 6, выходы которых подключены к входам счетчиков (Сч.) 7 и 8, находящихся в режиме счета фиксированный интервал времени, задаваемый таймером (Тм.) 9, выход которого параллельно подключен к первому выходу БП 4 и входам разрешения счета счетчиков 7 и 8, выходы которых соединены с входами сумматора (Сум.) 10, выходы которого являются информационными выходами блока преобразования;
второй выход БОЗ И ИОН 3 подключен к входу одноразрядного регистра памяти (ОРП) 11, вход управления записью которого подключен ко второму выходу БС 2, третий выход которого подключен к входам управления сбросом Сч.7, 8 блока преобразования 4 и ОРП 11, выход которого служит входом старшего разряда блока ключей (БК) 12, вход управления которым подключен к первому выходу БС 2, информационные выходы БП 4 подключены к m-1 входам БК 12, m выходов которого являются выходами аналого-цифрового преобразователя.
Структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ И ИОН) 3 приведена на фиг.2.
Вход БОЗ И ИОН 3 соединен с входами второго аналогового ключа (АК) 13, инвертирующего усилителя постоянного тока (ИУПТ) 14 и неинвертирующим входом компаратора (Ком.) 15, выход последнего подключен к входу инвертора (Инв.) 16., входу управления второго аналогового ключа АК 13 и второму выходу БОЗ И ИОН 3, выход ИУПТ 14 соединен со входом первого аналогового ключа АК 17, выход которого вместе с выходом второго АК 13 образуют первый выход БОЗ И ИОН 3.
Структурная схема блока синхронизации (БС) 2 приведена на фиг.3.
Первый вход БС 2 через вторую дифференцирующую цепь (ДЦ) 18 подключен к входу элемента задержки (ЭЗ) 19, входу R (сброса) RS триггера (RS Т) 20 и третьему выходу БС 2; второй вход БС 2 через последовательно соединенные инвертор (Инв.) 21 и первую дифференцирующую цепь ДЦ 22 подключен к входу S (установки в единичное состояние) RS Т 20, выход которого является первым выходом БС 2, а выход ЭЗ 19 подключен ко второму выходу БС 2.
Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.4.
БОЗ И ИОН 3 призван определить знак (полярность) уровня напряжения входного сигнала и ретранслировать сигнал далее с единичным коэффициентом передачи в случае его положительной полярности, а в случае
отрицательной полярности, дополнительно подвергнуть транслируемый сигнал инверсии.
БОЗ И ИОН 3 работает следующим образом.
Ком.15, в зависимости от полярности входного сигнала, формирует положительный или отрицательный порог, играющий роль знакового разряда (логической единицы или нуля, поступающих на второй выход БОЗ И ИОН 3 и записываемых, в последствии, в ОРП 11), а так же управляющего воздействия, поступающего на АК 17 через Инв.16 и АК 13 непосредственно, то есть состояния АК 17 и АК 13 взаимообратны.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 3 сигнала положительной полярности:
- Ком.15 формирует положительный потенциал;
- на второй выход БОЗ И ИОН 3 поступает логическая единица;
- АК 13 переводится в открытое состояние, АК 17 - закрытое;
- входной сигнал поступает на первый выход БОЗ И ИОН 3.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 3 сигнала отрицательной полярности:
- Ком.15 формирует отрицательный потенциал;
- на второй выход БОЗ И ИОН 3 поступает логический ноль;
- АК 13 переводится в закрытое состояние, АК 17 - открытое;
- входной сигнал, инвертированный ИУПТ 14, поступает на первый выход БОЗ И ИОН 3.
Таким образом, БОЗ И ИОН 3 фактически формирует знак и модуль транслируемого сигнала.
БС 2 синхронизирует работу блоков устройства, переводя их на интервалах работы фактически в статический режим по входному сигналу, тем самым максимально повышая помехоустойчивость, точность и достоверность аналого-цифрового преобразования в целом, при максимально сниженных временных задержках, создаваемых в процессе функционирования блоков устройства.
БС 2 работает следующим образом.
1
2
1
Сигнал (импульс) по входу управления длительностью t÷t (фиг.4.а) путем дифференцирования, осуществляемого ДЦ 18, преобразуется в короткий импульс - момент t (фиг.4.б), ДЦ 18 формирует сигналы:
1
- сброса RS Т 20 - в момент t RS Т 20 переходит в нулевое состояние ( фиг.4.в);
- сброса Сч.7, 8 и ОРП 11, поступающий на третий выход БС 2.
3
Выходной сигнал ДЦ 18 задерживается ЭЗ 19 до момента t (фиг.4.г), ЭЗ 19 формирует сигнал управления записью ОРП 11 и запуска Тм.9, поступающий на второй выход БС 2.
4
4
Сигнал с выхода Тм.9 (первого выхода БП 4) (фиг.4.д) поступает на второй вход БС 2, инвертируется Инв. 21 (фиг.4.е) и в момент переключения Тм.9 преобразуется ДЦ 22 в короткий импульс - момент t (фиг.4.ж), переводящий RS Т 20 в единичное состояние - момент t (фиг.4.в).
4
1
RS Т 20 формирует сигнал управления БК 12 - высокий потенциал длительностью t÷*t (фиг.4.в), поступающий на первый выход БС 2.
1
2
В момент поступления следующего сигнала (импульса) по входу управления длительностью *t÷*t (фиг.4.а), алгоритм работы БС 2 повторяется.
БП 4 работает следующим образом.
Напряжение, поступающее на вход БП 4, поступает одновременно на вход каждого ПНЧ 5 и 6, на выходе которых формируется последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна величине входного напряжения. ПНЧ 5 и 6 работают независимо друг от друга с индивидуальными коэффициентами преобразования напряжение-частота.
Тм.9 с разрешения БС 2 формирует управляющий сигнал, обеспечивающий режим счета Сч.7 и 8.
Сч.7 и 8 подсчитывают количество импульсов, поступающих с выходов соответствующих ПНЧ 5 и 6 за фиксированный интервал времени. С
выходов Сч.7 и 8 результат счета поступает на вход Сум.10.
Сум.10 осуществляет суммирование результатов счета Сч.7 и 8 и на своем выходе формирует результат аналого-цифрового преобразования модуля уровня напряжения входного сигнала.
4
3
4
Момент завершения аналого-цифрового преобразования - момент t (фиг.4.д) определяется Тм.9. Длительность интервала t÷t (фиг.4.д), в конечном итоге прямо пропорциональна точности и обратно пропорциональна длительности аналого-цифрового преобразования. Причем количество каналов, содержащих ПНЧ и Сч. играет существенную роль. Что и показано в прототипе.
Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.
1
Импульс, поступающий по входу управления устройства, в момент t (фиг.4.а) разрешает СВХ 1 произвести выборку и запоминание уровня напряжения входного сигнала. Одновременно с этим:
а) ДЦ 18 формирует сигналы:
1
- сброса RS Т 20, в момент t RS Т 20 переходит в нулевое состояние (фиг.4.в);
- сброса ОРП 11 и Сч.7 и 8, поступающий на третий выход БС 2;
б) БОЗ И ИОН 3 приступает к анализу уровня, запоминаемого СВХ 1.
2
1
2
К моменту времени t (фиг.4.а) СВХ 1 завершает процесс запоминания. В общем случае, интервал t÷t (фиг.4.а) исчисляется единицами не. (В АЦП AD9059 апертурное время составляет 2,7 нс. (http://www.gaw.ru/pdf/ AD/adc/ ad9059.pdf), время выборки встроенной схемы выборки-хранения составляет 1 нс. (www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/00 01/stat 34. htm)).
3
3
4
2
4
К моменту времени t (фиг.4.г) напряжение на первом выходе БОЗ И ИОН 3 стабилизируется. В общем случае, интервал t÷t (фиг.4.г) исчисляется долями нс. Он определяется прежде всего задержкой, создаваемой ИУПТ 14 (причем, именно временем дополнительного нарастания переходной характеристи ИУПТ 14 с момента t до момента t), (например, сверхскоростной усилитель AD8009 характеризуется скоростью нарастания
2
выходного сигнала 5500 В/мкс, THS3001 - 6500 В/мкс. (Г.Волович. Широкополосные интегральные усилители. htttp://www.PLATAN.ru/shem/pdf/ str27-1sx.pdf)), так как быстродействие современных компараторов сравнимо с быстродействием СВХ и к моменту времени t АК 17 и 13 уже находятся в заданном состоянии.
3
В момент времени t (фиг.4.г) БС 2 посредством импульса, поступающего со второго выхода БС 2 на:
а) вход управления записью ОРП 11, записывает в ОРП 11 информацию о полярности аналогового входного сигнала; данная информация в виде логического нуля или логической единицы поступает со второго выхода БОЗ И ИОН 3 на вход ОРП 11;
б) второй вход БП 4 (вход управления запуском Тм.9), запускает Тм.9 (фиг.4.д).
По команде Тм.9, БП 4 осуществляет аналого-цифровое преоразование модуля уровня напряжения входного сигнала.
4
По окончании момента преобразования, в момент времени t (фиг.4.е, ж) БС 2 посредством Инв.21, ДЦ 22 и RS Т 20 формирует потенциал высокого уровня (фиг.4.в), поступающий с первого выхода БС 2 на вход управления БК 12. Его поступление обеспечивает прохождение на выход АЦП кодов:
а) с выхода ОРП 11 - знака полярности напряжения входного сигнала;
б) с выхода Сум.10 - модуля уровня напряжения входного сигнала.
4
1
При работе АЦП в циклическом режиме, информация о преобразованном отсчете входного сигнала будет сохраняться на выходе АЦП в течении интервала t÷*t (фиг.4.в, ж).
Благодаря введению в состав устройства схемы выборки-хранения (СВХ 1) и жесткой синхронизации режимов работы устройства (БС 2), удалось избежать изменения уровня напряжения входного сигнала в ходе преобразования быстропротекающих процессов, а значит, удалось достичь повышения точности аналого-цифрового преобразования быстропротекающих процессов.
Преобразователи напряжение-частота блока преобразования 4, фактически являющегося прототипом, ориентированы на работу с однополярными сигналами. Благодаря введению в состав устройства БОЗ И ИОН 3, предлагаемый аналого-цифровой преобразователь может работать как с однополярными сигналами (причем как положительной так и отрицательной полярности), так и двухполярными сигналами, то есть имеет место расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства АЦП относительно прототипа.
Вместе с тем, введение в состав устройства БОЗ И ИОН 3, в случае аналого-цифровой обработки двухполярных сигналов, с сохранением заданной точности аналого-цифрового преобразования и необходимостью их обязательного предварительного преобразования в однополярные (как используемые в прототипе), равносильно увеличению коэффициента преобразования ПНЧ.
Другими словами, для обеспечения одинаковых требований к точности аналого-цифрового преобразования в прототипе и предлагаемом устройстве, вместо ПНЧ с коэффициентом преобразования m, используемых в прототипе, в предлагаемом устройстве требуются ПНЧ 5 и 6 с коэффициентом преобразования m/2, в силу чего предлагаемое устройство будет проще, так как наиболее сложными и дорогостоящими узлами устройства являются ПНЧ.
Кроме того, с учетом безусловного выполнения условия
3
1
4
3
|t-t|≪|t-t|,
введение в состав устройства БОЗ И ИОН 3, в случае аналого-цифровой обработки двухполярных сигналов, равносильно:
3
4
а) сокращению длительности интервала t÷t (времени счета Сч.7 и 8) в два раза, а значит фактически и повышению быстродействия АЦП в два раза при заданной точности преобразования;
б) двукратному повышению точности преобразования при заданном быстродействии.
То есть имеет место как расширение функциональных возможностей, так и повышение точности или быстродействия АЦП.