АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЕРЕНОСОМ ЗАРЯДА

Аналого-цифровой преобразователь с переносом заряда
Устройство относится к области цифровой техники, в частности - к устройствам преобразования аналогового напряжения в цифровой код.
В процессе цифровой обработки различного рода сигналов самой первой является задача преобразования аналогового сигнала, например напряжения, в цифровую форму.
Известно большое количество различных схем (см., например, 1-8) аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Основными их характеристиками являются быстродействие (скорость преобразования) и разрядность преобразования (достижимое количество разрядов в выходном цифровом коде) при разумных экономических критериях.
Известны АЦП прямого преобразования 6-7, в которых входной аналоговый сигнал сравнивается в (2 -1) компараторах с таким же количеством опорных напряжений, различающихся на целое число шагов, равных цене младшего разряда выходного кода. Они
МПК: НОЗМ 1/00
обладают самым высоким быстродействием. Их недостаток - сложность и высокая стоимость изготовления, быстро растущие с увеличением числа разрядов. Их разрядность не превышает 8 (3, стр. 3, 9).
Известны интегрирующие АЦП (3, стр. 4, 9, 5), в которых входной сигнал интегрируется в течение фиксированного промежутка времени, а затем дезинтегрируется эталонным напряжением; результат получается как отношение интервала дезинтефирования к интервалу интегрирования. Они могут обеспечить достаточно высокую разрядность интегрирования и хорошую экономическую эффективность, но их основной недостаток - низкое быстродействие.
Известны сигма-дельта АЦП (3, стр. 5, 9, 4), в которых на основе сигма-дельта модуляторов и счета тактовых импульсов, следующих с очень высокой частотой, с последующей цифровой фильтрацией и прореживанием (децимацией) отсчетов получаются требуемые цифровые выборки. Эти АЦП обеспечивают самую высокую разрядность преобразования (24 и более разрядов); их недостатки - низкое быстродействие, лишь немного превышающее быстродействие интегрирующих АЦП, и сложность архитектуры, влекущая за собой высокие требования к технологии производства и соответственно - высокую стоимость.
Известны АЦП с поразрядным взвешиванием, известные также как АЦП последовательного приближения (3, стр. 3, 9, 2), содержащие регистр последовательных приближений (РПП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор и схему управления, в которых формируемый последовательно в старших разрядах РПП код с помощью ЦАП преобразуется в аналоговую величину, которая в компараторе сравнивается с входным сигналом и по знаку выходного напряжения компаратора схема управления вырабатывает сигнал (лог. 1 или 0) для записи в следующий разряд РПП. Эти АЦП обеспечивают разрядность преобразования 10-12 разрядов и достаточно высокое быстродействие при хороших экономических показателях. Однако, дальнейшее повышение разрядности и быстродействия в АЦП этого типа связано с очень большими производственными сложностями, приводящими к резкому возрастанию их стоимости.
Известны конвейерные (pipeline) АЦП (3, стр. 5, 9), содержащие несколько последовательно соединенных каскадов, причем последний каскад нафужен на точный АЦП. Каждый каскад содержит 4-разрядный АЦП, кодовый выход которого подается на логическую схему коррекции и калибровки и на ЦАП, преобразующий этот код в аналоговый сигнал, который вычитается из входного аналогового сигнала, а остаток поступает на усилитель с фиксированным усилением, выход которого соединен со входом следующего каскада. Выход точного ЦАП также подается на схему коррекции и калибровки, в которой производится корректировка кодов из предыдущих каскадов по кодам из последующих и точного АЦП. Выход этой логической схемы через драйверы дает полную кодовую выборку. Согласно 3, этот АЦП имеет бьютродействие, превышающее быстродействие АЦП последовательного приближения, и разрядность выходного кода от 12 до 16 разрядов. Недостатком этого АЦП является сложность архитектуры и вытекающие отсюда проблемы изготовления.
Известный АЦП 1, принятый за прототип, относится к цепочечным (конвейерным) АЦП, и содержит N последовательно соединенных однотипных каскадов по числу разрядов выходного кода и источник эталонного (опорного) напряжения DO (ИЭН), знак которого совпадает со знаком входного напряжения. Каждый из N каскадов
содержит дифференциальный (операционный) усилитель (ДУ) с коэффициентом усиления 2, компаратор (КОМ) и два токовых ключа, вход ДУ первого каскада является входом АЦП, выход ДУ N-oro каскада является аналоговым выходом АЦП, служащим для наращивания цепочки аналого-цифрового преобразования, причем прямой вход ДУ соединен с прямым входом КОМ, инвертирующий вход КОМ соединен с ИЭН, выход КОМ, являющийся одновременно цифровым выходом АЦП, соединен с управляющим входом первого ключа и через инвертор - с управляющим входом второго ключа. Вход первого ключа соединен с ИЭН, вход второго ключа соединен с общей шиной (землей), а выходы ключей соединены  собой и подключены к инвертирующему входу ДУ. Этот АЦП имеет высокое быстродействие, но его главный недостаток - высокие требования к технологическому процессу (очень высокая точность подгонки большого числа компонент), приводящая к снижению экономических показателей.
Сущность предлагаемого устройства заключается в создании адекватного современной технологии АЦП, обеспечивающего наивысшее достижение потенциально возможного показателя критерия «сложность - стоимость - эффективность , т. е. обеспечивающего максимальные быстродействие и разрядность при минимальных стоимости и сложности производства.
Основной технический результат предлагаемого устройства повышение разрядности аналого-цифрового преобразования при сохранении достаточно высокого быстродействия и упрощение его архитектуры - достигается за счет устранения из прототипа цепочки однотипных каскадов (оставлен только один) и введения аналоговых запоминающих устройств (АЗУ), устройства управления (УУ), преобразователя выходного последовательного кода в параллельный (ППКП), и счетчика по модулю М (СМ), где М - число разрядов преобразования.
Технический результат достигается следующим образом.
АЦП содержит первый операционный (дифференциальный) усилитель (ОУ) с коэффициентом усиления 2 и второй ОУ с коэффициентом усиления 1, два АЗУ, КОМ, триггер Шмидта (ТШ), пять токовых ключей, два инвертора, двухвходовый элемент И, УУ, СМ, ППКП и источник эталонного (опорного) напряжения (ИЭН) UQ, причем инверсные входы обоих ОУ соединены с общим проводом (землей), прямой вход первого ОУ соединен с выходом первого ключа, вход которого является входом АЦП, с первым АЗУ и с выходом второго ключа, выход первого ОУ соединен со входом третьего ключа и с прямым входом КОМ, инверсный вход которого соединен с ИЭН, а выход - со входом ТШ, выход последнего соединен с установочным входом ППКП и с первым входом элемента И, выход последнего соединен с управляющим входом четвертого ключа и через инвертор - с управляющим входом пятого ключа, вход третьего ключа соединен с ИЭН, а выход - с верхним выводом второго АЗУ и с прямым входом второго ОУ, выход которого соединен со входом второго ключа, выход четвертого ключа соединен со входом пятого ключа и с нижним выводом второго АЗУ, выход пятого ключа соединен с общим проводом (землей), первый выход УУ соединен с управляющим входом первого ключа, второй выход УУ соединен с управляющим входом второго ключа и через инвертор - со вторым входом элемента И, третий выход УУ соединен с управляющим входом третьего ключа, четвертый выход УУ соединен со счетным входом СМ и с тактовым входом ППКП, выход переполнения СМ соединен со входом
останова УУ, а выход обнуления последнего - со входом обнуления УУ.
Общая блок-схема АЦП с переносом заряда приведена на фиг. 1, на которой изображены: 1-5 - токовые ключи, 6 - операционный усилитель (ОУ) с коэффициентом усиления 2, 7 - ОУ с коэффициентом усиления 1,8- компаратор (КОМ), 9 - триггер Шмидта (ТШ), 10, 11 - аналоговые запоминающие устройства (АЗУ), 12 - двухвходовый элемент И, 13, 14 - инверторы, 15 - устройство управления (УУ), 16 - счетчик по модулю М (СМ), где М - число разрядов преобразования, 17 - преобразователь последовательного кода в параллельный, Uo - эталонное (опорное) напряжение.
Работа АЦП с зарядовой связью поясняется диаграммой выходных сигналов УУ (Фиг. 2).
АЦП работает следующим образом.
Опорное напряжение Uo выбирается равным наивысшему возможному входному напряжению. В исходном состоянии ключи 1 и 3 открыты, ключ 2 закрыт, элемент И 12 отфыт. Входное напряжение UBX проходит на вход ОУ б, усиливается в 2 раза и сравнивается в КОМ 8 с DO; в случае, если оно превышает UQ, на выходе КОМ 8 и соответственно на выходе ТШ 9 и элемента И 12 появляется лог. 1, которая открывает ключ 4 и закрывает ключ 5, благодаря чему нижний вывод АЗУ 11 оказывается подключенным к Uo и оно зарядится до напряжения 2UBx - UQ; в случае же, если напряжение на выходе ОУ 6 окажется меньше Uo, на выходах КОМ 8, ТШ 9 и будет лог. О, который закроет ключ 4 и откроет ключ 5; при этом нижний вывод АЗУ 11 будет подключен к земле и оно зарядится до напряжения 2UBx. После начала работы (команды ПУСК) ключ 1 закрывается на все время преобразования, а в АЗУ 10 запоминается UBX; одновременно закрывается ключ 3, в АЗУ 11 запоминается приложенное к нему напряжение, перепадом тактового сигнала 4 в ППКП 17 записывается лог. 1 или О в соответствии с выходом ТШ 9, а содержимое СМ 16 увеличивается на 1, затем открывается ключ 2 и закрывается элемент И 12; соответственно нижний вывод АЗУ 11 подключается к земле и запомненное на нем напряжение 2UBx - UQ или 2UBX через ОУ 7 и открытый ключ 2 передается в АЗУ 10, заряжая его до такого же напряжения. На этом заканчивается первый такт. В следующем такте закрывается ключ 2 и в АЗУ 10 запоминается приложенное к нему напряжение; одновременнно открывается элемент И 12, разрешая управление ключами 4 и 5. Затем открывается ключ 3 и процесс первого такта повторяется: усиленное ОУ 6 в 2 раза напряжение с АЗУ 10 умножается на 2, сравнивается в КОМ 8 с UQ, в АЗУ 11 запоминается новое напряжение и т. д. до тех пор, пока не будет получено требуемое количество разрядов кода, отсчитываемое счетчиком СМ 16. Как только СМ 16 насчитает установленное число разрядов выходного кода, на его выходе появится импульс переполнения, который воздействует на вход останова УУ, останавливая его работу; при этом УУ вырабатывает сигнал обнуления, который воздействует на вход обнуления СМ 16, сбрасывая поспедний в исходное состояние (нуль).
Как видно из описания, в заявляемом АЦП связь между последовательными разрядами генерируемого кода осуществляется путем переноса зарядов, запоминаемых в АЗУ, отчего этот тип АЦП был назван АЦП с переносом заряда. Из описания также видно, что заявляемый АЦП отличает исключительная простота архитектуры. Его структура не зависит от числа разрядов выходного кода и содержит наименьшее по сравнению с известными АЦП количество регулируемых элементов. Еще одним преимуществом заявляемого
АЦП является то, что он не требует дополнительного внешнего устройства выборки-хранения.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналог.
1.Свидетельство на полезную модель № 18330 МПК НОЗМ 1/00, опубл. 10.06.2001: БИПМ, 2001, № 16, с. 418 (прототип).
2.А.С. СССР № 1677872, МПК НОЗМ 1/18, опубл. 20.08.99: БИ, 1999, № 23, с. 338-339 (аналог).
П. Дополнительные источники по уровню техники:
3.Pipeline ADCs come of age. Maxim Engineering Journal, 1999, vol. 33
4.Заявка РФ № 98101746, МПК НОЗМ 3/00, 3/04, опубл. 20.11.99: БИ, 1999, №32, с. 63.
5.Пат. РФ № 2101859, МПК НОЗМ 1/48, опубл. 10.01.98: БИ, 1998, №1, с. 428.
6.Пат. РФ № 2110886, МПК НОЗМ 1/34, опубл. 10.05.98: БИ, 1998, №13, с. 398
7.Пат. РФ № 2107388, МПК НОЗМ 1/10, опубл. 20.03.98: БИ, 1998, №8, с. 504.
8.Заявка РФ № 96101790, МПК НОЗМ 1/34, опубл. 20.03.98: БИ, 1998, №8, с. 176-177