ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЕ-КОД СО СТУПЕНЧАТЫМ ПИЛООБРАЗНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
SERIES VOLTAGE-TO-CODE CONVERTER WITH STEPPED SAW-TOOTH VOLTAGE

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при цифровой обработке сигналов для преобразования напряжения в цифровой двоичный код с повышенным быстродействием и минимальным объемом оборудования.
Известен последовательный аналого-цифровой преобразователь напряжение-код, реализующий метод последовательного приближения (Зиатдинов С.И., Суетина Т.А., Поваренкин Н.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебник. М: Академия, 2016. С. 218, рис. 8.3).
Устройство предназначено для преобразования напряжения в двоичный код. Преобразователь содержит n триггеров; n-разрядный сдвигающий регистр; n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь; генератор тактовых импульсов и компаратор. Управляющие входы триггеров соединены с соответствующими выходами сдвигающего регистра; выходы триггеров соединены с соответствующими входами параллельного цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с одним из входов компаратора; выход компаратора соединен с управляющим входом сдвигающего регистра и выход генератора тактовых импульсов соединен со входом подачи импульсов сдвига сдвигающего регистра.
Недостатком данного устройства является сложность схемы управления триггерами и большое количество оборудования.
Известен последовательный преобразователь напряжение-код следящего типа (Микропроцессорные системы автоматического управления. Под общей ред. В.А. Бесекерского. Л.: Машиностроение, 1998. С. 300, рис. 12.6). В состав преобразователя входят реверсивный n-разрядный счетчик; n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь; генератор импульсов тактовой частоты; компаратор и логические двухвходовые конъюнкторы управления направлением счета. В преобразователе выходы реверсивного счетчика соединены с одноименными входами цифроаналогового преобразователя; выход цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входом компаратора, на второй вход которого подается преобразуемое напряжение; выход компаратора через логические элементы подключен к управляющим входам суммировании и вычитания реверсивного счетчика, вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты.
Недостатком устройства является наличие сложного и дорогого реверсивного счетчика, а также большое время начальной установки режима слежения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь напряжение-код, построенный по методу последовательного счета со ступенчатым пилообразным напряжением (Гитис Э.И., Пискунов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Энергоиздат, 1981. С. 218, рис. 6.4)
Устройство состоит из n-разрядного двоичного суммирующего счетчика; n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; компаратора; генератора импульсов тактовой частоты; триггера запуска счета; двухвходового конъюнктора подачи счетных импульсов; выходы двоичного суммирующего счетчика соединены с одноименными входами параллельного цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к одному из входов компаратора; на другой вход компаратора подается преобразуемое напряжение; выход компаратора соединен со входом сброса триггера запуска счета; выход триггера запуска счета подключен к одному из входов конъюнктора подачи счетных импульсов; другой вход конъюнктора подачи счетных импульсов соединен с выходом генератора импульсов тактовой частоты; выход конъюнктора подачи счетных импульсов подключен ко входу поступления тактовых импульсов двоичного суммирующего счетчика.
Недостатком устройства является большое время преобразования напряжения в код.
Основная задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке последовательного преобразователя напряжение-код со ступенчатым пилообразным напряжением, обладающего повышенным быстродействием при минимальном количестве оборудования.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение быстродействия цифровых устройств обработки меняющихся во времени сигналов.
n-2
0
n-1
n-1
Указанный технический результат достигается тем, что последовательный преобразователь напряжение-код со ступенчатым пилообразным напряжением, включающий n-разрядный двоичный суммирующий счетчик; n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь; компаратор; генератор импульсов тактовой частоты; триггер запуска счета; двухвходовой конъюнктор подачи счетных импульсов, при этом выход генератора импульсов тактовой частоты соединен с первым входом двухвходового конъюнктора подачи счетных импульсов; выход двухвходового конъюнктора подачи счетных импульсов соединен со входом С поступления тактовых импульсов двоичного суммирующего счетчика; выходы d, … ,d n-разрядного двоичного суммирующего счетчика соединены с одноименными входами n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; выход n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом компаратора; выход компаратора соединен со входом сброса R триггера запуска счета, выход которого соединен со вторым входом двухвходового конъюнктора подачи счетных импульсов; вход сброса R n-разрядного двоичного суммирующего счетчика служит для подачи импульса сброса; первый вход компаратора служит для подачи преобразуемого напряжения; вход S триггера запуска счета служит для подачи импульса начала преобразования, дополнительно содержит триггер установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; линию задержки; двухвходовой конъюнктор управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя и двухвходовой дизъюнктор; выход старшего разряда d n-разрядного двоичного суммирующего счетчика соединен со вторым входом двухвходового дизъюнктора, первый вход которого подключен к выходу триггера установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; выход двухвходового дизъюнктора соединен со входом старшего разряда d n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; выход n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом компаратора; выход компаратора одновременно соединен со входом сброса R триггера запуска счета и первым входом двухвходового конъюнктора управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; выход двухвходового конъюнктора управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя соединен со входом сброса R триггера установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; выход линии задержки соединен со вторым входом двухвходового конъюнктора управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя; вход сброса R n-разрядного двоичного суммирующего счетчика одновременно соединен со входом линии задержки и входом S триггера установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя.
Поставленный технический результат достигается за счет введения дополнительных блоков и связей между ними, что позволяет весь диапазон возможных изменений преобразуемого напряжения разбить на два равных поддиапазона. При этом последовательное преобразование напряжения в код методом ступенчатого пилообразного напряжения осуществляется в пределах лишь того поддиапазона, в котором находится текущее значение напряжения, что позволяет в среднем практически в два раза повысит скорость преобразования без существенных дополнительных затрат на оборудование.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что у аналогов отсутствует совокупность признаков, тождественных признакам заявляемого устройства «Последовательный преобразователь напряжение-код со ступенчатым пилообразным напряжением». Следовательно, заявляемое устройство соответствует условию «новизна».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
n-2
0
n-1
n-1
Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг. 1. Последовательный преобразователь напряжение-код со ступенчатым пилообразным напряжением включает n-разрядный двоичный суммирующий счетчик 1; n-разрядный параллельный цифроаналоговый преобразователь 2; компаратор 3; генератор импульсов тактовой частоты 4; триггер запуска счета 5; двухвходовой конъюнктор подачи счетных импульсов 6; триггер установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 7; линию задержки 8; двухвходовой конъюнктор управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 9 и двухвходовой дизъюнктор 10; выходы d, … ,d n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 соединены с одноименными входами n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 2; выход старшего разряда d n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 соединен со вторым входом двухвходового дизъюнктора 10, первый вход которого подключен к выходу триггера установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 7; выход двухвходового дизъюнктора 10 соединен со входом старшего разряда d n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 2; выход n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 2 соединен со вторым входом компаратора 3; выход компаратора 3 одновременно соединен со входом сброса R триггера запуска счета 5 и первым входом двухвходового конъюнктора управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 9; выход двухвходового конъюнктора управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 9 соединен со входом сброса R триггера установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 7; выход линии задержки 8 соединен со вторым входом двухвходового конъюнктора управления триггером установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 9; вход сброса R n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 соединен одновременно со входом линии задержки 8 и входом S триггера установки старшего разряда n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 7; вход сброса R n-разрядного двоичного суммирующего счетчика служит для подачи импульса сброса; первый вход компаратора служит для подачи преобразуемого напряжения; вход S триггера запуска счета служит для подачи импульса начала преобразования.
В качестве генератора импульсов тактовой частоты можно использовать, например, автогенератор, в качестве триггера - микросхему К555ТР2, в качестве компаратора - микросхему - AD8564AD, в качестве двухвходового конъюнктора - микросхему К1555ЛИ1, в качестве линии задержки -последовательно соединенные буферные элементы К155ЛН4, в качестве двоичного суммирующего счетчика - микросхему К155ИЕ4, в качестве двухвходового дизъюнктора - микросхему К155 ЛЛ1, в качестве параллельного цифроаналогового преобразователя - микросхему К572ПА1 [1], [2].
Последовательный преобразователь напряжение-код со ступенчатым пилообразным напряжением работает следующим образом.
2
вx
вх
вх
вх
Импульсом «сброс», подаваемым на вход сброса R двоичного суммирующего счетчика 1, обнуляется содержимое счетчика 1. Одновременно импульс «сброс» поступает на вход S триггера 7 и в триггер 7 записывается логическая единица, которая через дизъюнктор 10 поступает в старший разряд параллельного цифроаналогового преобразователя 2. В результате на выходе параллельного цифроаналогового преобразователя 2 устанавливается напряжение, соответствующее коду 100 … 00, которое делит весь диапазон возможных значений преобразуемого напряжения U на два равных поддиапазона. Данное напряжение поступает на второй вход компаратора 3, в котором сравнивается с преобразуемым напряжением U, поступающим на первый вход компаратора 3. Если преобразуемое напряжение U меньше напряжения, поступающего на второй вход компаратора 3, то компаратор 3 срабатывает, на его выходе устанавливается напряжение логической единицы, которое поступает на первый вход двухвходового конъюнктора 9. Одновременно с выхода линии задержки 8 задержанный импульс сброса поступает на второй вход двухвходового конъюнктора 9. При этом на выходе двухвходового конъюнктора 9 устанавливается уровень логической единицы, которым по входу сброса R сбрасывается триггер 7 и на выходе параллельного цифроаналогового преобразователя 2 формируется нулевое напряжение. Это означает, что преобразование входного напряжения U будет вестись в нижнем поддиапазоне возможных значений преобразуемого напряжения.
вх
вх
вх
В противном случае, когда преобразуемое напряжение U больше напряжения, поступающего после сигнала сброса с параллельного цифроаналогового преобразователя 2, компаратор 3 не срабатывает. То на первом входе и выходе двухвходового конъюнктора 9 присутствует напряжение уровня логического нуля; триггер 7 не сбрасывается с уровня логической единицы. В результате в старшем разряде параллельного цифроаналогового преобразователя 2 присутствует логическая единица и напряжение на выходе параллельного цифроаналогового преобразователя 2 равняется половине уровня возможных значений преобразуемого напряжения U. Это означает, что преобразование входного напряжения U будет вестись в верхнем поддиапазоне возможных значений преобразуемого напряжения.
вх
Далее на вход S триггера 5 поступает импульс запуска, на выходе триггера 5 устанавливается напряжения уровня логической единицы, которое поступает на второй вход двухвходового конъюнктора 6, тем самым разрешая прохождение счетных импульсов генератора импульсов тактовой частоты 4 на вход С n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1. В результате подсчета импульсов на выходе n-разрядного двоичного суммирующего счетчика 1 формируется линейно нарастающий двоичный код, который параллельным цифроаналоговым преобразователем 2 преобразуется в ступенчато нарастающее напряжение. Данное напряжение поступает на второй вход компаратора 3 и сравнивается с преобразуемым напряжением U.
вх
В момент времени, когда ступенчато нарастающее напряжение с выхода параллельного цифроаналогового преобразователя 2 становится больше преобразуемого напряжения U, компаратор 3 срабатывает, на его выходе формируется напряжение уровня логической единицы, которое поступает на вход сброса R триггера 5. Триггер 5 сбрасывается и через двухвходовой конъюнктор 6 прекращается поступление счетных импульсов на n-разрядный двоичный суммирующий счетчик 1. На этом процесс преобразования заканчивается. Код, установившийся на входах n-разрядного параллельного цифроаналогового преобразователя 2 в момент прекращения счета, является цифровым аналогом преобразуемого напряжения.
В результате предложенный последовательный преобразователь напряжение-код со ступенчатым пилообразным напряжением позволяет повысить быстродействие аналого-цифрового преобразования напряжения в двоичный код по сравнению с прототипом при минимальном дополнительном оборудовании.
Увеличение скорости преобразования достигается за счет того, что весь диапазон возможных изменений преобразуемого напряжения разбивается на два равных поддиапазона. При этом последовательное преобразование напряжения в код методом ступенчатого пилообразного напряжения осуществляется в пределах лишь того поддиапазона, в котором находится текущее значение напряжения.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемое устройство и прототип, позволяют сделать вывод о том, что заявляемое устройство обеспечивает более высокую скорость преобразования напряжение-код.
Приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленной модели выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в вычислительной технике, а именно в цифровых устройствах обработки сигналов;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретния, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное устройство соответствует условию «промышленная применимость».
Источник информации:
1. Зиатдинов С.И., Суетина Т.А., Поваренкин Н.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебник. М: Академия, 2016.
2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь, 1988.