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 (АЦП) с время мпульсной модуляцией, содержащий последовательно соединенные входное устройство, генератор пилообразного напряжения, формирующий импульс линейно-спадающего напряжения с амплитудой, равной измеряемому, блок сравнения напряжений, сравнивающий напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения с некоторым пороговым напряжением, триггер, ключ и счетчик, а также блок управления и генератор опорной частоты; триггер управляет ключом, через который импульсы с генератора импульсов опорной частоты поступают на счетчик, а схема управления предназначена для выработки сигналов начала преобразования и сброса счетчиков; информация на выходе счетчика в конце цикла преобразования является цифровым эквивалентом измеряемого напряжения. (Богданов В.В. и др. Цифровые электроизмерительные устройства. / Под ред. Бахтиарова Г.Д. М.: Сов. радио, 1980 г.).
Недостатком устройства является невозможность осуществления аналого-цифрового преобразования двухполярных сигналов, малое быстродействие.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип, является аналого-цифровой преобразователь, содержащий последовательно
включенные входное устройство, генератор пилообразного напряжения и блок сравнения, а также блок управления, генератор опорной частоты, арифметический сумматор и аккумулятор; информационный вход аккумулятора подключен к выходу сумматора, вход первого операнда сумматора подключен к выходу блока сравнения, вход второго операнда сумматора подключен к выходу аккумулятора, один из выходов блока управления подключен к генератору пилообразного напряжения, другой - к генератору опорной частоты, выход которого подключен к управляющему входу аккумулятора, а третий - к установочному входу аккумулятора; блок сравнения выполнен как многопороговое устройство, а выход аккумулятора является выходом устройства. (Патент РФ, №2110886 от 06.10.93 г.).
Недостатком устройства является невозможность осуществления аналого-цифрового преобразования двухполярных сигналов и сигналов отрицательной полярности.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению функциональных возможностей, повышению точности или быстродействия или снижению сложности аналого-цифрового преобразователя.
Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности аналого-цифрового преобразования не только однополярных положительных, но так же однополярных отрицательных и двухполярных сигналов.
Технический результат достигается тем, что в известный аналого-цифровой преобразователь, содержащий последовательно включенные генератор пилообразного напряжения и блок сравнения, а также блок управления, генератор опорной частоты, арифметический сумматор и аккумулятор, информационный вход которого подключен к выходу арифметического сумматора, вход первого операнда арифметического
сумматора подключен к выходу блока сравнения, вход второго операнда арифметического сумматора подключен к выходу аккумулятора, второй выход блока управления подключен к генератору опорной частоты, выход которого подключен к управляющему входу аккумулятора, а третий - к установочному входу аккумулятора; блок сравнения выполнен как многопороговое устройство, а выход аккумулятора является группой из (m-1) (разрядов кода модуля преобразованного сигнала) выходов устройства, введены схема выборки-хранения, блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, элемент задержки, причем аналоговый вход устройства соединен с первым входом схемы выборки-хранения, второй вход которой соединен с первым выходом блока управления и входом элемента задержки, выход которого подключен к входу управления генератора пилообразного напряжения, выход схемы выборки-хранения соединен со входом блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, первый выход которого является m-ным выходом (знаковым разрядом выходной кодограммы) устройства, а второй выход через генератор пилообразного напряжения подключен к сигнальному входу блока сравнения, на первый и второй входы опорного напряжения которого подается соответственно опорное напряжение высокого и низкого уровней.
Блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений содержит два аналоговых ключа, инвертирующий усилитель постоянного тока, компаратор напряжения, инвертор; вход блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений соединен с входами второго аналогового ключа, инвертирующего усилителя постоянного тока и неинвертирующим входом компаратора напряжения, выход последнего подключен к входу инвертора, входу управления второго аналогового ключа и первому 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 второй выход блока определения знака
и инвертирования отрицательных напряжений.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена структурная схема устройства аналого-цифрового преобразователя.
На фиг.2 приведена структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
На фиг.3 и 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Осуществление полезной модели
Аналого-цифрового преобразователь состоит из схемы выборки-хранения (СВХ) 1, первый вход которой соединен с аналоговым входом устройства, второй вход СВХ 1 соединен с первым выходом блока управления (БУ) 2 и входом элемента задержки (ЭЗ) 3, выход которого подключен к входу управления генератора пилообразного напряжения (ГПН) 4; выход СВХ 1 соединен со входом блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ И ИОН) 5, первый выход которого является m-ным выходом (знаковым разрядом выходной кодограммы) устройства, а второй выход через ГПН 4 подключен к сигнальному входу блока сравнения (БС) 6, на первый и второй входы опорного напряжения которого подается соответственно опорное напряжение высокого и низкого уровней; выход БС 6 подключен к входу первого операнда арифметического сумматора (АС) 7, выход которого соединен с информационным входом аккумулятора 8, выход которого подключен к входу второго операнда АС 7; второй выход БУ 2 подключен к генератору опорной частоты (ГОЧ) 9, выход которого подключен к управляющему входу аккумулятора 8, а третий выход БУ 2 - к установочному входу аккумулятора 8; БС 6 выполнен как многопороговое устройство, а выход аккумулятора 8 является группой из (m-1) (разрядов
кода модуля преобразованного сигнала) выходов устройства.
СВХ 1 предназначена для выборки уровня напряжения входного сигнала по команде БУ 2 и хранения данного уровня в течении времени преобразования.
Структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ И ИОН) 5 приведена на фиг.2.
Вход БОЗ И ИОН 5 соединен с входами второго аналогового ключа (АК) 10, инвертирующего усилителя постоянного тока (ИУПТ) 11 и неинвертирующим входом компаратора напряжения (КН) 12, выход последнего подключен к входу инвертора 13, входу управления второго аналогового ключа (АК) 10 и первому выходу БОЗ И ИОН 5, выход ИУПТ 11 соединен со входом первого АК 14, выход которого, вместе с выходом второго АК 10 образуют второй выход БОЗ И ИОН 5.
БОЗ И ИОН 5 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 5 работает следующим образом.
КН 12, в зависимости от полярности входного сигнала, формирует положительный или отрицательный порог, играющий роль знакового разряда (логической единицы или нуля, поступающих на первый выход БОЗ И ИОН 5, и поступающих в последствии на первый выход (выход знакового разряда) устройства, а так же управляющего воздействия, поступающего на АК 14 через инвертор 13, и АК 10 непосредственно, то есть состояния АК 14 и АК 10 взаимообратны.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 5 сигнала положительной полярности:
- КН 12 формирует положительный потенциал;
- на первый выход БОЗ И ИОН 5 поступает сигнал с уровнем логической
единицы;
- АК 10 переводится в открытое состояние, АК 14 - закрытое;
- входной сигнал транслируется на второй выход БОЗ И ИОН 5.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 5 сигнала отрицательной полярности:
- КН 12 формирует отрицательный потенциал;
- на первый выход БОЗ И ИОН 5 поступает сигнал с уровнем логического нуля;
- АК 10 переводится в закрытое состояние, АК 14 - открытое;
- входной сигнал, инвертированный ИУПТ 11 транслируется на второй выход БОЗ И ИОН 5.
Таким образом, БОЗ И ИОН 5 фактически формирует знак и модуль транслируемого сигнала.
n
N
OB
OH
БС 6 представляет собой сравнивающее устройство с 2 порогами сравнения, равномерно делящими диапазон измерения (U-U), где n>0, и преобразователем унитарного (термометрического) кода, имеющего место на выходе компараторов БС 6, в двоичный n-разрядный код (параллельный АЦП). Число разрядов аккумулятора 8 и АС 7 равно n+N, при этом 2 - число тактов суммирования (количество слагаемых, образующих результат в аккумуляторе). При этом время преобразования АЦП фактически равно времени изменения линейно спадающего напряжения между двумя порогами сравнения многопорогового БС 6.
Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.3 и 4. Устройство работает следующим образом.
BX
На аналоговый вход устройства поступает измеряемый сигнал U (фиг.3а).
0
0
1
В момент времени t БУ 2 формирует импульс запуска («Пуск») длительностью t÷t (фиг.3.б).
BX
Формирование импульса «Пуск» обеспечивает запоминание уровня входного сигнала U CBX 1. Одновременно с этим, БОЗ И ИОН 5
1
0
1
приступает к анализу уровня сигнала, запоминаемого СВХ 1. К моменту времени t (фиг.3.б) СВХ 1 завершает процесс запоминания. В общем случае, интервал t÷t (фиг.3.б) исчисляется единицами нс. (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.m/html.cgi/arhiv/00_01/stat_34.htm)).
2
1
2
1
2
2
К моменту времени t (фиг.3.в) напряжение на первом (сигнал знака полярности отсчета входного сигнала) и втором (напряжение модуля уровня входного сигнала) выходах БОЗ И ИОН 5 стабилизируется. В общем случае, интервал t÷t (фиг.3.в) исчисляется долями нc. Он определяется прежде всего задержкой, создаваемой ИУПТ 11 (причем, именно временем дополнительного нарастания переходной характеристики ИУПТ 11 с момента t до момента t), (например, сверхскоростной усилитель AD8009 характеризуется скоростью нарастания 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 14 и 10 уже находятся в заданном состоянии. Иначе говоря, задержка, вносимая БОЗ И ИОН 5 пренебрежимо мала.
Н
BX
n
n
N
В момент времени 1 ч (фиг.3.в, г), - момент времени Т (фиг.4) с выхода ЭЗ 3 на управляющий вход ГПН 4 поступает импульс, разрешающий ГПН 4 приступить к выработке напряжения, линейно спадающего от уровня, равного измеряемому напряжению U. Одновременно происходит запуск ГОЧ 9 и установка в ноль аккумулятора 8. Напряжение с выхода ГПН 4 поступает на вход 2-порогового БС 6, содержащего внутри 2 компараторов. За время измерения, равное 2N периодов тактового генератора, происходит К=2 актов:
- сравнение выходного напряжения ГПН 4 с порогами многопорогового БС 6;
- суммирование полученного результата в АС 7 с содержимым аккумулятора 8;
- запись полученного результата в аккумулятор 8.
К
3
O
К
Н
O
Измерение заканчивается в момент времени Т (фиг.4), - момент времени t (фиг.3.в, г). Период импульсов ГОЧ 9 Т выбирается таким, чтобы время измерения, равное Т-Т=К·Т было бы равно времени изменения напряжения на входе БС 6 между двумя соседними порогами.
N
Н
К
О
О
Для определенности, например, предположим, что n=6, а N=4, т.е. многопороговое сравнивающее устройство имеет 64 уровня сравнения, а число тактов измерения равно К=2=16. Измерение начинается в момент времени Т, а заканчивается в момент времени Т (фиг.4). Время измерения выбрано равным времени изменения линейно уменьшающегося напряжения между двумя соседними уровнями сравнения и равно 16·Т, где Т - период ГОЧ 9. В результате измерения в аккумуляторе 8 окажется записанным число А, равное:
1
2
А=К·62+K·61
1
2
BX
1
2
при этом K+К=16. Это число А и является результатом преобразования. При изменении величины измеряемого напряжения U, изменяется соотношение между количествами слагаемых K и К в результирующей сумме А. Например, результаты двух измерений на границе разрешающей способности могут быть равными:
1
1
2
А=10·62+6·61=986 при К=10 и К=6.
2
1
2
А=9·62+7·61=985 при К=9 и К=7.
O
К
Н
пор.i
пор.i-1
Несоблюдение точного равенства К·Т=Т-Т приводит к увеличению дифференциальной нелинейности преобразователя, а неточности в межпороговых напряжениях (U-U) приводят к увеличению интегральной нелинейности преобразователя.
К
Итак, процесс преобразования напряжения, поступающего со второго выхода БОЗ И ИОН 5, в код в момент времени Т (фиг.4), - момент времени
3
t (фиг.3.в, г) закончится.
На выход устройства поступит результат преобразования:
- с первого выхода БОЗ И ИОН 5 - код знака полярности входного аналогового сигнала;
- с выходов аккумулятора 8 - код уровня модуля напряжения входного сигнала.
3
Иными словами, в момент t (фиг.3.в, г) на выходе устройства формируется m-разрядный код. Старший разряд которого несет информацию о полярности входного сигнала, остальные (m-1) разрядов являются кодом уровня модуля напряжения входного сигнала.
Введение СВХ 1, ЭЗ 3 и БОЗ И ИОН 5, в силу безусловного выполнения условии
фактически не вносит дополнительной задержки в процесс преобразования, то есть не снижает быстродействия АЦП, а более того их использование способствует расширению функциональных возможностей, повышению точности или быстродействия или снижению сложности устройства.
Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности аналого-цифрового преобразования не только однополярных положительных, как в прототипе, но так же однополярных отрицательных и двухполярных сигналов.
Введение СВХ 1, ЭЗ 3 и, прежде всего, БОЗ И ИОН 5, в случае аналого-цифровой обработки двухполярных сигналов, ввиду возможности пересчета динамического диапазона входных сигналов и шага квантования БС 6 (увеличению их в два раза), с учетом:
а) сохранения сложности устройства (разрядности БС 6, АС 7 и аккумулятора 8) приводит к существенному увеличению точности аналого-цифрового преобразования входных сигналов в связи с повышением помехоустойчивости компараторов, входящих в состав БС 6 (фактическому уменьшению шага квантования в два раза);
б) сохранения заданной точности аналого-цифрового преобразования входных сигналов, приводит:
1) к существенному упрощению устройства в связи с возможностью-уменьшения разрядности БС 6, АС 7 и аккумулятора 8 на 1 разряд (в случае n=6, это 32 высокоточных компараторов в составе БС 6);
О
O
2) к существенному повышению быстродействия устройства в связи с возможностью уменьшения разрядности АС 7 и аккумулятора 8 на 1 разряд (уменьшения N на 1, то есть в случае N=4, это соответствует уменьшению длительности интервала анализа с 16·T до 8·Т).
В любом случае, введение в состав устройства БОЗ И ИОН 5, при аналого-цифровой обработки двухполярных сигналов, приводит к увеличению разрядности АЦП на один разряд (старший разряд кода, несущий информацию о полярности входного сигнала, формирует БОЗ И ИОН 5).
То есть имеет место как расширение функциональных возможностей так и повышение точности или быстродействия или снижение сложности устройства.