АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области цифровой техники, в частности, к устройствам преобразования аналогового напряжения в цифровой код.
Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), включающий в себя М-разрядный АЦП1 с последовательным резистивным делителем и М-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), подключенные к опорному источнику Vref с синфазным уровнем Vcm, устройство выборки и хранения разностного сигнала входа АЦП и выходного напряжения ЦАП с коэффициентом усиления F и АЦП2 с дифференциальным опорным напряжением Vref2, меньшим Vref. М-разрядный ЦАП включает две группы ключей, коммутирующих к дифференциальным выходам ЦАП выбранную пару симметрично расположенных отводов последовательного резистивного делителя, выходные напряжения устройства выборки и хранения и дифференциальное опорное напряжение АЦП2 имеют синфазный уровень Vcm2, a Vref2 равно F·Vref/2 M-1, причем F не превышает 2 (RU, №2341017, H03M 1/14, 29.09.2006).
Недостатком известного технического решения является наличие в его составе инерционных элементов: аналоговых ключей, аналоговой памяти и цифро-аналогового преобразователя, что приводит к значительному снижению быстродействия аналого-цифрового преобразования.
Известен аналого-цифровой преобразователь динамического типа, содержащий источник опорного напряжения и группу компараторов, количество «n» которых равно разрядности двоичного кода, представляющего преобразуемое аналоговое напряжение в цифровом виде, упорядоченных по порядку номеров разрядов двоичного кода так, что некоторый k-й компаратор формирует k-й разряд выходного кода. Первые одноименные входы компараторов соединены и на них подается напряжение входного сигнала. Устройство содержит группу цифро-аналоговых преобразователей, количество которых равно количеству компараторов, опорные входы которых соединяются с источником опорного напряжения. Выход первого цифро-аналогового преобразователя подключается ко второму входу компаратора младшего разряда, а выход каждого последующего цифро-аналогового преобразователя подключается ко второму входу компаратора следующего разряда. Количество входов цифро-аналогового преобразователя, подключенного к компаратору с k-м порядковым номером, равно разности между количеством разрядов преобразователя и порядковым номером компаратора. Цифровой вход старшего разряда цифро-аналогового преобразователя с k-м порядковым номером соединяется с выходом компаратора старшего разряда, каждый последующий вход k-го цифро-аналогового преобразователя соединяется с выходом последующего компаратора, а цифровые входы младших значащих разрядов цифро-аналоговых преобразователей соединяются и на них подается значение логической единицы, при этом цифро-аналоговый преобразователь компаратора старшего разряда является делителем на два опорного напряжения (RU, №2389133, H03M 1/12, H03M 1/36, 23.12.2008).
Недостатком известного технического решения является низкое быстродействие аналого-цифрового преобразования, обусловленное наличием в составе аналого-цифрового преобразователя цифро-аналоговых преобразователей.
Известен аналого-цифровой преобразователь последовательного действия, содержащий дифференциальные усилители, компаратор, усилитель постоянного тока, аналоговые запоминающие устройства, устройство управления, преобразователь последовательного кода в параллельный, счетчик по модулю М, ключи, инвертор, входной каскад определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (RU, №2245000, H03M 1/36, 11.02.2003).
Недостатком известного аналого-цифрового преобразователя является низкое быстродействие, обусловленное присутствием в нем инерционных элементов, таких как аналоговые ключи и аналоговая память. Проведение данным преобразователем поразрядного анализа делает его характеристики идентичными характеристикам аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения и приводит к снижению его быстродействия.
Задачей полезной модели является повышение эффективности процесса преобразования аналогового сигнала в цифровой код.
Техническим результатом, достигаемым при решении задачи, является повышение быстродействия процесса преобразования аналогового сигнала в цифровой код.
Задача решается, а технический результат обеспечивается аналого-цифровым преобразователем, содержащим генератор весовых функций, программируемую логическую матрицу и многоканальный модуль формирования сигналов, каждый канал которого включает в себя масштабный усилитель и последовательно соединенные формирователь весовых коэффициентов, блок адаптации и блок компараторов, при этом в каждом канале выход масштабного усилителя подключен к соответствующему входу блока адаптации, выход которого соединен с первым входом блока компараторов, подключенного выходами к соответствующим входам программируемой логической матрицы, все информационные выходы блока адаптации каждого канала соединены с соответствующими управляющими входами блоков адаптации всех каналов, имеющих последующие порядковые номера, соответствующий выход блока адаптации каждого канала, кроме последнего, подключен к входу масштабного усилителя канала, имеющего следующий порядковый номер, вход формирователя весовых коэффициентов и второй вход блока компараторов каждого канала соединены с соответствующими выходами генератора весовых функций, а число информационных выходов и управляющих входов каждого блока адаптации многоканального модуля формирования сигналов определяется зависимостями
где Кинф и Купр - число информационных выходов и управляющих входов каждого блока адаптации, соответственно,
N и n - количество каналов и номер канала, соответственно,
при этом вход масштабного усилителя первого канала предназначен для подключения к внешнему источнику аналогового сигнала, а питающие входы составных элементов и блоков аналого-цифрового преобразователя выполнены с возможностью подключения к внешнему блоку питания.
На фигуре изображена функциональная схема аналого-цифрового преобразователя.
Аналого-цифровой преобразователь содержит генератор 1 весовых функций, программируемую логическую матрицу 2 и многоканальный модуль 3 формирования сигналов, каждый канал которого включает в себя масштабный усилитель 4 и последовательно соединенные формирователь 5 весовых коэффициентов, блок 6 адаптации и блок 7 компараторов. В каждом канале выход масштабного усилителя 4 подключен к соответствующему входу блока 6 адаптации, выход которого соединен с первым входом блока 7 компараторов, подключенного выходами к соответствующим входам программируемой логической матрицы 2. Все информационные выходы И1, И2, И3, …, Иn блока 6 адаптации каждого канала соединены с соответствующими управляющими входами Y1, Y2, Y3, …, Yn блоков 6 адаптации всех каналов, имеющих последующие порядковые номера. Соответствующий выход блока 6 адаптации каждого канала, кроме последнего, подключен к входу масштабного усилителя 4 канала, имеющего следующий порядковый номер, вход формирователя 5 весовых коэффициентов и второй вход блока 7 компараторов каждого канала соединены с соответствующими выходами генератора 1 весовых функций. Число информационных выходов И1, И2, И3, …, Иn и управляющих входов Y1, Y2, Y3, …, Yn каждого блока 6 адаптации многоканального модуля 3 формирования сигналов определяется зависимостями
где Кинф и Купр - число информационных выходов и управляющих входов каждого блока 6 адаптации, соответственно,
N и n - количество каналов и номер канала, соответственно.
Вход масштабного усилителя 4 первого канала предназначен для подключения к внешнему источнику аналогового сигнала (на фигуре не показан), а питающие входы составных элементов и блоков аналого-цифрового преобразователя выполнены с возможностью подключения к внешнему блоку питания (на фигуре не показан). Масштабный усилитель 4 построен на операционном усилителе фирмы Analog Device AD8036.
Аналого-цифровой преобразователь функционирует следующим образом.
1
n
От внешнего блока питания (на фигуре не показан) напряжение питания поступает на питающие входы составных элементов и блоков аналого-цифрового преобразователя. На вход масштабного усилителя 4 первого канала, который предназначен для подключения к внешнему источнику аналогового сигнала (на фигуре не показан), поступает аналоговый сигнал, подлежащий последующему преобразованию. Генератор 1 весовых функций и формирователь 5 весовых коэффициентов задают и формируют аналоговые сигналы v={v…v} для соответствующих блоков 6 адаптации и постоянные значения опорных напряжений для блока 7 компараторов каждого канала многоканального модуля 3 формирования сигналов. Формирование постоянных коэффициентов и постоянных значений опорных напряжений производится при настройке аналого-цифрового преобразователя в зависимости от измеряемого диапазона входного сигнала и от разрядности аналого-цифрового преобразователя. Масштабный усилитель 4 производит нормализацию (масштабирование) входного сигнала (или соответствующего входного) в зависимости от заданных параметров аналого-цифрового преобразователя. Блок 6 адаптации каждого канала многоканального модуля 3 формирования сигналов производит:
- функциональные преобразования аналогового сигнала в зависимости от значений напряжения, полученных на предыдущих блоках 6 адаптации, и значений напряжения, получаемых с генератора 1 весовых функций и формирователя 5 весовых коэффициентов;
- преобразование (адаптацию) аналогового сигнала для выдачи его с соответствующих информационных выходов И1, И2, И3, …, Иn блока 6 адаптации на соответствующие управляющие входы Y1, Y2, Y3, … Yn блоков 6 адаптации каналов, имеющих последующие порядковые номера, и масштабный усилитель 4 последующего канала;
- преобразование (формирование) аналогового сигнала для подачи его на блок 7 компараторов соответствующего канала.
1
n
1
вх
2
1
2
n-1
вх
k
вх
Блок 7 компараторов преобразуют аналоговые сигналы, получаемые с блоков 6 адаптации, в цифровой вид (пороговые значения 1/0). На выходах с блока 7 компараторов получаются цифровые сигналы, описываемые двумя последовательностями {x…x} и . В общем случае значения входных сигналов на каждом из n блоков 7 компараторов определяются следующим образом: B=F(U), B=F(B, B, … B, U), где F - функция, линейным образом зависимая от значений, подаваемых с формирователя 5 весовых коэффициентов и масштабного усилителя 4. Таким образом, F=F(B, C, K), где C и K - константы, задаваемые соответственно масштабными усилителями 4 и формирователями 5 весовых коэффициентов. В частном случае, при отсутствии перекрестных связей, значение входного сигнала на k-ом блоке 7 компараторов определяется следующим образом: B=G(G…G(U)…), где G - некоторая функция, которая берется ровно k раз, и аналогичным образом, как и F, имеет линейную зависимость от констант C и K. G=G(B, C, K).
k
k
k
k
1
k
Сигналы с выходов блока 7 компараторов поступают на соответствующие входы программируемой логической матрицы 2. Значения последовательностей на ее входах определяются следующим образом: xk=0, если B>v, и 1 - в противном случае. Значения , если B=v и 0, когда значения различны. Значения последовательности {v…v) задаются генератором 1 весовых функций. Программируемая логическая матрица 2 осуществляет преобразование цифрового кода, получаемого с блоков 7 компараторов, в последовательность бит, представляющих исходный сигнал в цифровом коде.
Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь не содержит инерционных элементов, таких как цифро-аналоговые преобразователи, аналоговые коммутаторы, счетчики, генераторы и т.п. В предложенном техническом решении все коэффициенты, вырабатываемые генератором 1 весовых функций, формируются при настройке под соответствующий класс аналого-цифрового преобразователя в зависимости от разрядности и диапазона измерения. Все функциональные преобразования, осуществляемые блоками 6 адаптации, производятся с аналоговыми сигналами на аналоговых элементах (транзисторах). Цифровая часть схемы (программируемая логическая матрица 2), по существу, является дешифратором, что способствует технологичности предложенного технического решения, так как отсутствует необходимость развязки цифровой части схемы от аналоговой. Время преобразования незначительно зависит от числа разрядов аналого-цифрового преобразователя и определяется временами обработки сигнала масштабными усилителями 4 и блоками 6 адаптации. Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь отличает простота архитектуры. Его структура содержит наименьшее, по сравнению с известными аналого-цифровыми преобразователями, количество регулируемых элементов. Количество элементов предлагаемого аналого-цифрового преобразователя, как и у преобразователя последовательного типа, пропорционально количеству разрядов.