АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ANALOGUE-DIGITAL TRANSDUCER

Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике, а также может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами и системах автоматизации научных исследований.
Известен аналого-цифровой преобразователь последовательного счета, содержащий счетчик, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор, схему управления, генератор тактовых импульсов (ГТИ) [1].
n
Недостатком этого устройства является переменное время преобразования и наибольшее количество тактов преобразования - 2 для n-разрядного АЦП.
Наиболее близким по технической сущности является аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения, содержащий регистр последовательного приближения, цифро-аналоговый преобразователь, компаратор, схему управления и генератор тактовых импульсов [2].
Недостатком прототипа является требование n тактов преобразования для n разрядного ЛЦП. При этом в некоторых случаях выходной код формируется менее чем за n тактов полного цикла преобразования. В этих случаях можно уменьшить количество тактов в цикле преобразования.
Задача изобретения - уменьшение среднего количества тактов в цикле преобразования.
вх
1
n
1
1
1
n
1
2
3
2
2
1
2
2
3
3
3
3
вх
1
n
n+1
n+1
n+1
n+1
Это достигается тем, что аналого-цифровой преобразователь содержит регистр последовательных приближений (РПП), цифровые выходы которого соединены с соответствующими выходами "результирующий код" устройства, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), первый компаратор, первый вход которого соединен с входом преобразуемого напряжения U устройства, а выход подключен к информационному входу РПП, схему управления, первый логический вход которой соединен с входом сигнала "Пуск" устройства, а выход подключен к управляющему входу РПП, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовому входу РПП, причем ЦАП содержит источник опорного напряжения (отрицательное напряжение), n масштабных резисторов (2R,…,2R), первые выводы которых подключены к источнику опорного напряжения, а вторые выводы масштабных резисторов через соответствующие ключи (k…k) подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала устройства, а выход подключен ко второму входу первого компаратора и через первый резистор R к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ, при этом управляющие входы ключей (k…k) подключены к соответствующим цифровым выходам РПП, (n+1)-й масштабный резистор (2R), который вместе с ЦАП образуют блок суммирования, первый вывод (n+1)-го масштабного резистора (2R) подключен к источнику опорного напряжения, а второй вывод подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ, блок вычитания, включающий второй операционный ОУ и третий дифференциальный ОУ усилители, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы (R) и резистор (2-1)R, причем неинвертирующий вход второго операционного усилителя ОУ соединен с шиной нулевого потенциала устройства, инвертирующий вход второго операционного усилителя ОУ через второй резистор (R) подключен к выходу первого операционного усилителя ОУ и через третий резистор (R) к выходу второго операционного усилителя ОУ, выход второго операционного усилителя ОУ через четвертый резистор (R) подключен к инвертирующему входу третьего дифференциального усилителя ОУ, неинвертирующий вход которого через резистор (2-1)R подключен к источнику опорного напряжения, а через пятый резистор (R) к шине нулевого потенциала устройства, инвертирующий вход третьего дифференциального усилителя ОУ через шестой резистор (R) подключен к выходу третьего дифференциального усилителя ОУ, выход третьего дифференциального усилителя ОУ подключен ко второму входу второго компаратора, первый вход которого соединен с входом преобразуемого напряжения U устройства, а выход подключен к первому логическому входу элемента "исключающее ИЛИ-НЕ", второй вход которого подключен к выходу первого компаратора, а выход элемента "исключающее ИЛИ-НЕ" подключен ко входу генератора тактовых импульсов ГТИ.
Предлагаемый преобразователь имеет существенное отличие от прототипа. Существенным отличием является то, что в заявляемое устройство дополнительно введены блоки: (n+1)-й масштабный резистор, блок вычитания, второй компаратор и элемент "исключающее ИЛИ-НЕ". Существенное отличие заявляемого устройства позволяет достичь эффекта, заключающегося в уменьшении среднего количества тактов преобразования. В данном предлагаемом устройстве среднее количество тактов преобразования уменьшается за счет того, что цикл преобразования прекращается раньше в тот момент, когда входное напряжение находится между выходными напряжениями блока суммирования и вычитания. Уменьшение среднего относительного количества тактов преобразования зависит от разрядности АЦП. Например, для 4-разрядного АЦП относительное количество тактов сокращения составляет 0.7, а для 16 разрядного АЦП составляет 0.9997. Предлагаемое устройство позволяет сократить количество тактов преобразования, и при увеличении количества разрядов количество сокращаемых тактов увеличивается и приближается к единице. Сокращение количества тактов преобразования, которое обеспечивается в предлагаемом устройстве, приводит к улучшению такой важной характеристики АЦП, как время преобразования. Например, для 4-разрядного АЦП среднее относительное время преобразования уменьшается на 17.5%, а для 16 разрядного АЦП позволяет уменьшить на 6.25%. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить существенный эффект, заключающийся в сокращении среднего времени преобразования.
На фиг. 1 представлена структурная схема АЦП, где: 1 - регистр последовательных приближений (РПП), 2 - блок суммирования, 3 - блок вычитания, 4, 5 - компараторы, 6 - элемент "исключающее" ИЛИ-НЕ, 7 - схема управления, 8 - генератор тактовых импульсов (ГТИ).
n+1
1
n
1
1
n
На фиг.2 представлен блок суммирования, включающий 14 - (n+1)-й масштабный резистор (2R) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где: 9 - источник опорного напряжения (отрицательное напряжение), 10 - операционный усилитель ОУ, 11 - n масштабных резисторов (2R,…,2R), 12 - коммутатор, имеющий n ключей (k…k), 13 - резистор (R).
На фиг.3 представлен блок вычитания, где: 15 - второй операционный усилитель
2
3
n+1
ОУ, 16 - третий операционный усилитель ОУ, 17-21 - второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы (R), 22 - резистор (2-1)R.
1
n
n+1
n+1
n+1
n+1
1
n
1
1
1
1
n
вх
2
3
2
2
1
2
2
3
3
3
3
вх
Преобразователь содержит РПП 1, блок суммирования 2, блок вычитания 3, первый и второй компараторы 4, 5, элемент "исключающее" ИЛИ-НЕ 6, схему управления 7, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 8. Причем блок суммирования 2, включающий цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который содержит источник опорного напряжения (отрицательное напряжение) 9, n масштабных резисторов 11 (2R…2R), первые выводы которых подключены к источнику 9 опорного напряжения, а вторые выводы масштабных резисторов 11 через соответствующие n ключей {k…k) коммутатора 12 подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя 10 ОУ, (n+1)-й масштабный резистор 14 (2R), первый вывод (n+1)-го масштабного резистора (2R) подключен к источнику 9 опорного напряжения, а второй вывод подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала устройства, а выход подключен через первый резистор (R) 13 к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ, при этом управляющие входы ключей (k…k) подключены к соответствующим цифровым выходам РПП 1, выход блока суммирования 2 подключен ко второму входу первого компаратора 4, первый вход первого компаратора 4 соединен с входом преобразуемого напряжения Uустройства, а выход подключен к информационному входу РПП 1, блок вычитания 3, включающий второй 15 операционный ОУ и третий 16 дифференциальный ОУусилители, второй 17, третий 18, четвертый 19, пятый 21, шестой 20 резисторы (R) и резистор (2-1)R 22, причем неинвертирующий вход второго операционного усилителя 15 ОУ соединен с шиной нулевого потенциала устройства, инвертирующий вход второго операционного усилителя 15 ОУ через второй резистор (R) 17 подключен к выходу первого операционного усилителя 10 ОУ и через третий резистор (R) 18 к выходу второго операционного усилителя 15 ОУ, выход второго операционного усилителя 15 ОУ через четвертый резистор (R) 19 подключен к инвертирующему входу третьего дифференциального усилителя 16 ОУ, неинвертирующий вход которого через резистор (2-1)R 22 подключен к источнику 9 опорного напряжения, а через пятый резистор (R) 21 к шине нулевого потенциала устройства, инвертирующий вход третьего дифференциального усилителя 16 ОУ через шестой резистор (R) 20 подключен к выходу третьего дифференциального усилителя 16 ОУ, выход третьего дифференциального усилителя 16 ОУ подключен ко второму входу второго компаратора 5, первый вход которого соединен с входом преобразуемого напряжения U устройства, а выход подключен к первому логическому входу элемента 6 "исключающее ИЛИ-НЕ", второй логический вход которого подключен к выходу первого компаратора 4, а выход элемента 6 "исключающее ИЛИ-НЕ" подключен ко входу генератора тактовых импульсов ГТИ, первый логический вход схемы управления 7 соединен с входом сигнала "Пуск" устройства, а выход схемы управления 7 подключен к управляющему входу РПП 1, при этом выход ГТИ 8 подключен к тактовому входу РПП1.
Устройство работает следующим образом.
вых1
На первом этапе на схему управления 7 поступает внешний сигнал "Пуск"; одновременно на вход генератора тактовых импульсов 8 с элемента 6 "исключающее ИЛИ-НЕ" поступает сигнал, разрешающий прохождение тактовых импульсов, так как на выходе U блока суммирования 2 присутствует нулевое напряжение и на выходах блоках компараторов 4, 5 присутствуют одинаковые логические сигналы; при этом со схемы управления 7 на управляющий вход РПП 1 поступает сигнал, разрешающий подбор кода. В результате в старшем разряде выходного кода РПП 1 устанавливается "1", код с РПП 1 подается на ЦАП. Тогда на каждом шаге (такте) напряжение на выходе блока суммирования 2 будет
,
где ,
i
N - бит управления операцией суммирования.
Напряжение на выходе блока вычитания 3
.
вых1
вых2
вх
вх
вых1
вх
вых2
вх
Напряжение U с выхода блока суммирования 2 и напряжение U с выхода блока вычитания 3 сравниваются с входным аналоговым сигналом U соответственно с помощью компараторов 4, 5. Если напряжения на выходах блоков суммирования и вычитания оба меньше или оба больше входного напряжения U, то производится следующий шаг. Если U>U на входах первого компаратора 4 и U≤U на входах второго компаратора 5, то на выходах компараторов 4, 5 присутствуют разноименные логические сигналы; при этом с элемента 6 "исключающее ИЛИ-НЕ" на вход генератора тактовых импульсов 8 поступает сигнал, запрещающий прохождение тактовых импульсов, и преобразование прекращается. Управление продолжением подбора кода осуществляется элементом 6 "исключающее ИЛИ-НЕ", на который поступают выходные сигналы компараторов. В результате получается двоичный код на выходе РПП 1.
Цикл преобразования содержит уменьшенное количество тактов на некоторых значениях входного (преобразуемого) напряжения.
Среднее количество тактов, на которое уменьшаются циклы преобразования, оценивается
n
где N=2 - количество дискретов напряжения;
у∑
Ц - суммарное количество тактов, на которое уменьшаются циклы преобразования для всех возможных значений входного напряжения.
При этом
где τ - количество разрядов.
у∑
у∑
уСр
Пример конкретного выполнения: Для 8 разрядов Ц=247, а для 16 разрядов Ц=65519. Тогда среднее количество тактов, на которое уменьшаются циклы преобразования, можно оценить по формуле (1). Отсюда для 16 разрядов Ц=0,999≈1.
Таким образом, в предлагаемом АЦП цикл преобразования содержит, в среднем, меньшее количество тактов преобразования по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. С.В.Якубовский, - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. с 357-358, рис.6.85.
2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом « Додэка-XXI », 2005. с 444-446, рис.9.11 (прототип).