УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В КОД

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), содержащий генератор тактовых импульсов, блок управления, компаратор, прямой вход которого подключен к входной шине, а инверсный подключен к шине опорного напряжения через последовательно соединенные цифро-аналоговые преобразователи; кроме того, в аналого-цифровой преобразователь введены первый и второй элементы И, элемент И-НЕ, реверсивный и двоичный счетчики, элемент запрета, блок ключей и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу компаратора и к первым входам первого и второго элементов И, а выход подключен к входу обратного счета реверсивного счетчика, вход прямого счета которого соединен с выходом первого элемента И, тактовый вход через элемент запрета подключен к выходу генератора тактовых импульсов и второму входу второго элемента И, вход сброса соединен с первым выходом блока управления, с входом сброса двоичного счетчика, а выходы соединены с входами первого цифро-аналогового преобразователя, с входом блока ключей, а n-й выход подключен к третьему входу второго элемента И и первому входу элемента И-НЕ, четвертый вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ и вторым входом блока управления, третий выход которого соединен с вторым входом элемента запрета и с управляющим входом блока ключей; при этом выход элемента И-НЕ соединен с вторым входом первого элемента И, а
выход второго элемента И соединен со счетным входом двоичного счетчика, выходы которого соединены с входами второго цифро-аналогового преобразователя (Авторское свидетельство СССР N 879770, кл. Н03М 1/46, 1979).
Недостатком устройства является невозможность осуществления аналого-цифрового преобразования двухполярных сигналов, низкое быстродействие, большая динамическая погрешность преобразования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятое авторами за прототип, является устройство преобразования напряжения в код, содержащее генератор тактовых импульсов, аналого-цифровой преобразователь параллельного типа, аналоговое запоминающее устройство, основной аналого-цифровой преобразователь, выходы которого являются первой выходной шиной, а вход опорного напряжения соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого является первой шиной опорного напряжения, вход запуска основного аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом блока управления, вход аналогового запоминающего устройства является входной шиной устройства, управляющий вход соединен со вторым выходом блока управления, а выход - с аналоговыми входами основного аналого-цифрового преобразователя и аналого-цифрового преобразователя параллельного типа, выходы которого соединены с соответствующими входами цифро-аналогового преобразователя и являются второй выходной шиной устройства, второй шиной опорного напряжения которого является вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя параллельного типа, тактовый вход которого и тактовый вход основного аналого-цифрового преобразователя соединены соответственно с третьим выходом блока управления и выходом генератора тактовых импульсов, выход которого также соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с выходом "Конец
преобразования" основного аналого-цифрового преобразователя (Патент RU 2019030, Н03М 1/34, 17.04.1991).
Недостатком устройства является избыточная сложность схемы в случае 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 снижению сложности схемы.
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 устройство преобразования напряжения в код, содержащее аналоговое запоминающее устройство, на информационный вход которого подается преобразуемый сигнал, а вход управления соединен с первым выходом блока управления, второй выход блока управления подключен к входу запуска параллельного аналого-цифрового преобразователя, а третий выход блока управления подключен к входу запуска основного аналого-цифрового преобразователя, первый вход блока управления соединен с выходом генератора тактовых импульсов и тактовым входом основного аналого-цифрового преобразователя, второй вход блока управления соединен с выходом сигнала "Конец преобразования" основного аналого-цифрового преобразователя, цифровые выходы параллельного аналого-цифрового преобразователя подключены к соответствующим цифровым входам цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с входом опорного напряжения основного аналого-цифрового преобразователя, причем величина опорного напряжения, подключенного к опорному входу цифро-аналогового
преобразователя, больше величины опорного напряжения, подключенного к опорному входу параллельного аналого-цифрового преобразователя на величину веса его младшего значащего разряда, цифровые выходы параллельного аналого-цифрового преобразователя являются выходами кода, пропорционального масштабу входного напряжения, а цифровые выходы основного аналого-цифрового преобразователя являются выходами кода, несущего информацию о модуле амплитуды сигнала, подвергающегося аналого-цифровому преобразованию, введен блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, причем его первый выход несет информацию о полярности сигнала, подвергающегося аналого-цифровому преобразованию, второй выход соединен с информационным входом основного аналого-цифрового преобразователя, а вход соединен с выходом аналогового запоминающего устройства и входом параллельного 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 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 преобразования напряжения в код.
На фиг.2 приведена структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
На фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Осуществление полезной модели
масш.
мод.
знак.
Устройство преобразования напряжения в код содержит аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) 1, на информационный вход которого подается преобразуемый сигнал, а вход управления АЗУ 1 соединен с первым выходом блока управления (БУ) 2, второй выход БУ 2 подключен к входу запуска параллельного аналого-цифрового преобразователя (ПАЦП) 3, а третий выход БУ 2 подключен к входу запуска основного аналого-цифрового преобразователя (ОАЦП) 4, первый вход БУ 2 соединен с выходом генератора тактовых импульсов (ГТИ) 5 и тактовым входом ОАЦП 4, второй вход БУ 2 соединен с выходом сигнала "Конец преобразования" ОАЦП 4; цифровые выходы ПАЦП 3 подключены к соответствующим цифровым входам цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 6, выход которого соединен с входом опорного напряжения ОАЦП 4, причем величина опорного напряжения, подключенного к опорному входу ЦАП 6 больше величины опорного напряжения, подключенного к опорному входу ПАЦП 3 на величину веса его младшего значащего разряда; цифровые выходы ПАЦП 3 являются выходами кода (N) пропорционального масштабу входного напряжения, а цифровые выходы ОАЦП 4 являются выходами кода (N) несущего информацию о модуле амплитуды сигнала, подвергающегося аналого-цифровому преобразованию; сигнальный выход ОАЦП 4, (сигнал КП) разрешает внешним устройствам осуществить считывание кодов (результатов преобразования); а первый выход блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ И ИОН) 7 (N) несет информацию о полярности сигнала, подвергающегося аналого-цифровому преобразованию; второй выход БОЗ И ИОН 7 соединен с
информационным входом ОАЦП 4, а вход соединен с выходом АЗУ 1 и входом ПАЦП 3.
Структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ И ИОН) 7 приведена на фиг.2.
Вход БОЗ И ИОН 7 соединен с входами второго аналогового ключа (АК) 8, инвертирующего усилителя постоянного тока (ИУПТ) 9 и неинвертирующим входом компаратора (Ком.) 10, выход последнего подключен к входу инвертора (Инв.) 11, входу управления второго АК 8 и первому выходу БОЗ И ИОН 7; выход ИУПТ 9 соединен со входом первого аналогового ключа (АК) 12, выход которого, вместе с выходом второго АК 8 образуют второй выход БОЗ И ИОН 7; выход Инв. 11 подключен к входу управления первого АК 12.
Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.3.
БОЗ И ИОН 7 призван определить знак (полярность) уровня напряжения входного сигнала и ретранслировать сигнал далее с единичным коэффициентом передачи, а в случае отрицательной полярности подвергнуть транслируемый сигнал инверсии.
БОЗ И ИОН 7 работает следующим образом.
знак.
Ком. 10, 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 7 (выход N устройства), а так же управляющего воздействия, поступающего на АК 12 через Инв. 11 и АК 8 непосредственно, обеспечивая взаимообратные состояния АК 12 и АК 8.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 7 сигнала положительной полярности:
- Ком. 10 формирует положительный потенциал;
- на первый выход БОЗ И ИОН 7 поступает сигнал с уровнем логической единицы;
- АК 8 переводится в открытое состояние, АК 12 - закрытое;
- входной сигнал транслируется на второй выход БОЗ И ИОН 7.
В случае поступления на вход БОЗ И ИОН 7 сигнала отрицательной полярности:
- Ком. 10 формирует отрицательный потенциал;
- на первый выход БОЗ И ИОН 7 поступает сигнал с уровнем логического нуля;
- АК 8 переводится в закрытое состояние, АК 12 - открытое;
- входной сигнал, инвертированный ИУПТ 9 транслируется на второй выход БОЗ И ИОН 7.
Таким образом, БОЗ И ИОН 7 фактически формирует знак и модуль транслируемого сигнала.
Устройство преобразования напряжения в код работает следующим образом.
вx
0
1
вx
1
1
3
2
1
2
1
2
На информационный (аналоговый) вход устройства поступает измеряемый сигнал (U), (фиг.3.а). БУ 2 в интервал времени t÷t формирует импульс, по которому уровень входного сигнала (U) записывается в АЗУ 1 (фиг.3.б). К моменту времени t (фиг.3.б) АЗУ 1 завершает процесс запоминания уровня входного сигнала. БУ 2 в интервал времени t÷t формирует запускающий импульс (фиг.3.г) поступающий на вход запуска ПАЦП 3. Одновременно с этим БОЗ И ИОН 7 приступает к анализу уровня, запоминаемого АЗУ 1. Благодаря «открытому» выходу АЗУ 1 обеспечивается режим «мягкой» установки выходного напряжения ИУПТ 9. К моменту времени t (фиг.3.в) напряжение на первом и втором выходах БОЗ И ИОН 7 стабилизируется. В общем случае, интервал t÷t (фиг.3.в) исчисляется долями не. Он определяется прежде всего задержкой, создаваемой ИУПТ 9 (причем, именно временем дополнительного нарастания переходной характеристики ИУПТ 9 с момента t до момента t), (например, сверхскоростной усилитель AD8009 характеризуется скоростью нарастания выходного сигнала 5500 В/мкс, THS3001 - 6500 В/мкс. (Г.
2
1
2
1
3
Волович. Широкополосные интегральные усилители. htttp://www.PLATAN.ru/shem/pdf/str27-1sx.pdf)), так как быстродействие современных компараторов сравнимо с быстродействием АЗУ и к моменту времени t АК 12 и АК 8 уже находятся в заданном состоянии. Иначе говоря, задержка, вносимая БОЗ И ИОН 7 пренебрежимо мала. И в свете того, что интервал t÷t не превышает интервал t÷t, правомерно утверждать, что БОЗ И ИОН 7 не снижает быстродействия прототипа.
3
oп
oп
1
3
По истечении времени преобразования, к моменту t (фиг.3.г), код на цифровых выходах ПАЦП 3 достоверен и поступает на ЦАП 6. В соответствии с этим кодом на выходе ЦАП 6 формируется опорное напряжение U (фиг.3.д), поступающее на вход U ОАЦП 4. Величина опорного напряжения, поступающего на ЦАП 6, выбрана больше величины опорного напряжения, поступающего на ПАЦП 3 на величину веса младшего значащего разряда ПАЦП 3 для исключения переполнения в выходном коде ОАЦП 4. Поскольку формирование этого опорного напряжения происходит до начала запуска ОАЦП 4, то переходный процесс на выходе ЦАП 6 в интервале времени t÷t (фиг.3.д) не влияет на работу ОАЦП 4.
3
oп
вx
4
0
знак
мод
масш.
По достижении момента времени t (фиг.3.е), по сигналу БУ 2 запускается ОАЦП 4. Преобразование модуля уровня входного сигнала, поступающего со второго выхода БОЗ И ИОН 7, происходит с опорным напряжением U (фиг.3.д), пропорциональным масштабу представления зафиксированного АЗУ 1 текущего значения входного напряжения U устройства. По окончании времени преобразования, в момент времени (4 (фиг.3.ж), ОАЦП 4 формирует сигнал "Конец преобразования" (КП) в интервале времени t÷t (фиг.3.ж), поступающий одновременно на вход БУ2 и выход устройства. Сигнал КП разрешает внешним устройствам осуществить считывание кодов N, N, N Далее все процессы, описанные выше, повторяются снова.
Устройство преобразования напряжения в код, служащее прототипом, ориентировано, прежде всего, на работу с однополярными сигналами
(сигналами положительной полярности). Благодаря введению в состав устройства БОЗ И ИОН 7, предлагаемое устройство 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 преобразования напряжения в код относительно прототипа.
Вместе с тем, введение в состав устройства БОЗ И ИОН 7, в случае аналого-цифровой обработки двухполярных сигналов, с сохранением заданной точности аналого-цифрового преобразования, равносильно увеличению разрядности ОАЦП 4 на один разряд, что, например, в случае использования в качестве ОАЦП 5 8-ми разрядного параллельного АЦП эквивалентно дополнительному введению в состав последнего 127 компараторов.
Другими словами, для обеспечения одинаковых требований к точности преобразования в прототипе и предлагаемом устройстве, вместо m-разрядного ОАЦП 5, используемого в прототипе, в предлагаемом устройстве требуются (m-1)-разрядные ОАЦП 5, в силу чего предлагаемое устройство преобразования напряжения в код будет проще, так как наиболее сложный и дорогостоящий узел устройства (ОАЦП 5) может иметь в 2 раза меньше компараторов.
Кроме того, введение БОЗ И ИОН 7 способствует двукратному повышению точности преобразования при сохранении заданного быстродействия (в силу возможности двукратного уменьшения шага квантования ОАЦП 5.
То есть имеет место как расширение функциональных возможностей, так и повышение точности или снижение сложности схемы устройства.