CS258992B1

CS258992B1 - Wiring ^ differential four quadrant analog digital multipliers

Info

Publication number: CS258992B1
Application number: CS864467A
Authority: CS
Inventors: Kamil Vrba
Original assignee: Kamil Vrba
Priority date: 1986-06-17
Filing date: 1986-06-17
Publication date: 1988-09-16
Also published as: CS446786A1

Abstract

Zapojení se týká diferenční čtyčkvadrantové analogově číslicové násobičky. Podstatou řešení je, že první napětí se zavede na vstup pro záporné referenční na·» pěti prvního číslicově analogového převodníku (6) a druhé napětí se zavede na vstup pro záporné referenční napětí druhého číslicově analogového převodníku (7). Na číslicové vstupy obou číslicově analogových převodníků (6, 7) se přivede kodova kombinace úměrná absolutní hodnotě násobeného signálu. Informace o znaménku tohoto signálu se zavede na řídicí vstupy obou elektronických přepínačů (8, 9). V závislosti na přepnutí těchto elektronických přepínačů (8, 9) jsou přímé proudové výstupy číslicově analogových převodníků (6, 7) střídavě připojovány k invertujíoímu nebo neinvertujícímu vstupu rozdílového převodníku proudu na napětí s operačním zesilovačem (13). Výstupní napětí je úměrné součinu rozdílu prvního a druhého napětí s číslicově zadaným signálem. Zapojení má obecné využití pro přístrojové a průmyslové aplikace, zejména ho lze využít jako stavební jednotku pro realizaci kmitočtových analyzátorů využívajících principu Fourierovy analýzy nebo pro realizaci korelátorů.The connection concerns a differential four-quadrant analog-digital multiplier. The essence of the solution is that the first voltage is applied to the input for the negative reference voltage of the first digital-to-analog converter (6) and the second voltage is applied to the input for the negative reference voltage of the second digital-to-analog converter (7). A code combination proportional to the absolute value of the multiplied signal is applied to the digital inputs of both digital-to-analog converters (6, 7). Information about the sign of this signal is applied to the control inputs of both electronic switches (8, 9). Depending on the switching of these electronic switches (8, 9), the direct current outputs of the digital-to-analog converters (6, 7) are alternately connected to the inverting or non-inverting input of the differential current-to-voltage converter with an operational amplifier (13). The output voltage is proportional to the product of the difference of the first and second voltages with the digitally specified signal. The circuit has general use for instrumentation and industrial applications, in particular it can be used as a building block for implementing frequency analyzers using the Fourier analysis principle or for implementing correlators.

Description

Vynález se týká zapojení diferenční čtyřkvadrantové analogově číslicové násobičky.The invention relates to the connection of a differential four-quadrant analog-to-digital multiplier.

Je známo několik uspořádání číslicově analogových čtyřkvadrantových násobiček. Uspořádání- se liší podle typu použitého násobícího číslicově analogového převodníku.Several configurations of numerically analog four-quadrant multipliers are known. The arrangement varies according to the type of digital-to-analog converter used.

První z nich využívá číslicově analogový převodník, který sestává pouze z rezistorové váhové sítě a elektronických spínačů. Kódová kombinace odpovídající jednomu z násobených signálů se přivede na číslicový vstup číslicově analogového převodníku a druhý signál, kterým se má násobit, se přivede na vstup pro referenční napětí. Přímý proudový výstup Číslicově analogového převodníku se převede na napětí pomocí převodníku proudu na napětí s operačním zesilovačem. Toto napětí se pak sečte se signálem, kterým se má násobit, ve sčítacím zesilovači s dalším operačním zesilovačem. Na výstupu dostáváme napětí, které je úměrné součinu násobených signálů.The first one uses a digital-to-analog converter, which consists only of a resistor weighing network and electronic switches. The code combination corresponding to one of the multiplied signals is applied to the digital input of the DAC and the other signal to be multiplied is applied to the reference voltage input. Direct Current Output The digital-to-analog converter is converted to voltage using a current to voltage converter with an operational amplifier. This voltage is then summed with the signal to be multiplied in the addition amplifier with another opamp. At the output we get a voltage that is proportional to the product of the multiplied signals.

Jiná modifikace tohoto uspořádání využívá ke své činnosti i komplementární proudový výstup číslicově analogového převodníku, který se pomocí převodníku proudu na napětí-s operačním zesilovačem převede na odpovídající napětí. Toto napětí je přivedeno do sčítacího zesilovače s operačním zesilovačem, který současně slouží jako převodník přímého proudového výstupu číslicově analogového převodníku na napětí. Na výstupu opět dostáváme napětí úměrné součinu násobených signálů, přičemž vstupní signály mohou být obou polarit.Another modification of this arrangement also utilizes the complementary current output of a digital-to-analog converter, which is converted to a corresponding voltage by means of a current-to-voltage converter with an operational amplifier. This voltage is applied to an addition amplifier with an operational amplifier, which also serves as a converter of the direct current output of the digital-to-analog converter to voltage. At the output again we get voltage proportional to the product of multiplied signals, while the input signals can be both polarities.

Nevýhodou obou uspořádání je snížení přesnosti násobení, protože 1 bit vstupní kódové kombinace je nutno vyhradit in258 992 formaci o znaménku tohoto signálu.The disadvantage of both arrangements is the reduction of the multiplication accuracy, because 1 bit of the input code combination has to be reserved in infor.

Další uspořádání využívá ke své Činnosti opět číslicově analogový převodník, sestávající pouze z rezistorové váhové si tě a elektronických spínačů. Na číslicový vstup Číslicově analogového převodníku se přivádí kódová kombinace úměrná absolut ní hodnotě prvního vstupního signálu, přičemž do vstupu pro referenční napětí se zavádí druhý ze signálů. Přímý proudový výstup číslicově analogového převodníku se pomocí operačního zesilovače převede na napětí. Vynásobení známénkem prvního ze signálů se provádí až v následném střídači sestávajícím z elek tronického přepínače a jednoho nebo pro přesnější účely ze · dvou operačních zesilovačů. Při tomto uspořádání nedochází ke snížení přesnosti, protože informace o znaménkovém bitu prvního ze signálů vstupuje až do elektronického střídace.Another arrangement uses again a digital-to-analog converter, consisting only of a resistor weighing network and electronic switches. A code combination proportional to the absolute value of the first input signal is applied to the digital input of the D / A converter, and the second signal is input to the reference voltage input. The direct current output of the digital-to-analog converter is converted to voltage using an operational amplifier. The multiplication of the first of the signals is only performed in a subsequent inverter consisting of an electronic switch and one or, for more precise purposes, two operational amplifiers. With this arrangement, the accuracy is not reduced because the sign bit information of the first of the signals enters the electronic inverter.

Nevýhodou tohoto uspořádání je skutečnost, že zapojení je vázáno na použití číslicově analogového převodníku, sestávajícího pouze z váhových rezistorů a elektronických spínačů. V ně kterých případech může být na závadu velký počet operačních zesilovačů.A disadvantage of this arrangement is the fact that the wiring is tied to the use of a digital-to-analog converter consisting of only weight resistors and electronic switches. In some cases, a large number of operational amplifiers may be defective.

V případech, kdy je nutno použít jako stavebního prvku násobičky číslicově analogový převodník využívající ke své čin nosti přepínané zdroje proudu, je situace složitější, protože u těchto převodníků je možno aplikovat do vstupu pro referenční napětí signál pouze jedné polarity, např. převodníky čs. produkce MDAC08, MDAC566. Přesněji řečeno vstupy pro kladné a záporné referenční napětí jsou vyvedeny na samostatné svorky. Proto je nutno použít ke konstrukci čtyřkvadrantové násobičky dva číslicově analogové převodníky. Vstupní kódová informace o jednom z násobených signálů se zavádí současně do obou číslicově analogových převodníků. Napětí, kterým chceme násobit se zavede na vstup pro záporné referenční napětí prvního z čís licově analogových převodníků. Vstup pro záporné referenční napětí druhého číslicově analogového převodníku se připojí na nulový potenciál. Připojíme-li však i tento vstup na nějakéIn cases where it is necessary to use a digital-to-analog converter as a building component using switched current sources for their operation, the situation is more complicated, because in these converters it is possible to apply only one polarity signal to the input for reference voltage. production of MDAC08, MDAC566. More specifically, the inputs for the positive and negative reference voltages are connected to separate terminals. Therefore, two digital-to-analog converters must be used to construct four-quadrant multipliers. The input code information of one of the multiplied signals is fed simultaneously to both digital-to-analog converters. The voltage we want to multiply is applied to the input for the negative reference voltage of the first of the analog-to-analog converters. The input for the negative reference voltage of the second D / A converter is connected to zero potential. But if we connect this input to some

-3258 992 napětí, bude násobička pracovat jako diferenční čtyřkvadrantová. Přímý proudový výstup prvního číslicově analogového převodníku je spojen s komplementárním výstupem druhého číslicově analogového převodníku a s invertujícím vstupem rozdílového převodníku proudu na napětí s operačním zesilovačem. Komplementární proudový výstup prvního číslicově analogového převodníku je spojen s přímým proudovým výstupem druhého číslicově analogového převodníku a s neinvertujícím vstupem rozdílového převod niku proudu na napětí.-3258 992 voltage, the multiplier will work as a differential quadrant. The direct current output of the first digital-to-analog converter is coupled to the complementary output of the second digital-to-analog converter and to the inverting input of the differential-to-voltage converter with the operational amplifier. The complementary current output of the first digital-to-analog converter is coupled to the direct current output of the second digital-to-analog converter and to the non-inverting differential-to-voltage input.

Nevýhodou tohoto uspořádání je opět skutečnost, že znaménkovému bitu je nutno ve vstupní kódové kombinaci vyhradit 1 bit čímž se snižuje dosažitelná přesnost násobičky.The disadvantage of this arrangement is again that the 1 bit bit must be reserved for the sign bit in the input code combination, thus reducing the achievable accuracy of the multiplier.

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje zapojení diferenční čtyřkvadrantové analogově číslicové násobičky podle vynálezu, tvořené dvěma číslicově analogovými převodníky, elektronickými přepínači, a operačním zesilovačem. Jeho podstatou je, že číslicový vstup prvního číslicově analogového převodníku je propojen s číslicovým vstupem druhého číslicově analogového převodníku, vstup záporného referenčního napětí prvního číslicově analogového převodníku je spojen s invertující vstupní svorkou a vstup záporného referenčního napětí druhého číslicově analogového převodníku s neinvertující vstupní ísvorkou. Vstup kladného referenčního napětí prvního číslicově analogového převodníku je přes první referenční rezistor spojen se zdrojem referenčního napětí a taktéž vstup kladného referenčního napětí druhého číslicově analogového převodníku je přes druhý referenční rezistor spojen se zdrojem referenčního napětí.These disadvantages are largely overcome by the wiring of the differential four-quadrant analog-to-digital multipliers of the invention, consisting of two digital-to-analog converters, electronic switches, and an operational amplifier. In essence, the digital input of the first digital-to-analog converter is connected to the digital input of the second digital-to-analog converter, the negative reference voltage of the first digital to analog converter is connected to the inverting input terminal and the negative reference voltage of the second digital to analog converter. The positive reference voltage input of the first digital-to-analog converter is connected to the reference voltage source through the first reference resistor, and also the positive reference voltage input of the second digital-to-analog converter is connected to the reference voltage source via the second reference resistor.

Přímý proudový výstup prvního číslicově analogového převodníku je spojen se vstupem prvního elektronického přepínače, jehož první výstup je spojen s invertujícínvvstupem operačního zesilovače a druhý výstup s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače. Obdobně přímý proudový výstup druhého číslicově analogového převodníku je spojen se vstupem druhého elektronického přepínače, jehož první výstup je spojen s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače a druhý výstup s invertujícím vstupem operačního zesilovače. Řídící vstupy obou elektronic- 4 258 992 kých přepínačů jsou připojeny na výstup informace o znaménku násobeného signálu. Mezi neinvertující vstup operačního zesilovače a společný vodič je zapojen rezistor a mezi invertující vstup operačního zesilovače a jeho výstup je zapojen zpětnovazební rezistor. Výstup operačního zesilovače je spojen s výstupní svorkou.The direct current output of the first digital-to-analog converter is connected to the input of the first electronic switch, the first output of which is connected to the inverting input of the operational amplifier and the second output to the non-inverting input of the operational amplifier. Similarly, the direct current output of the second digital-to-analog converter is coupled to the input of the second electronic switch whose first output is coupled to the non-inverting input of the operational amplifier and the second output to the inverting input of the operational amplifier. The control inputs of both the 4 258 992 electronic switches are connected to the output of the sign signal of the multiplied signal. A resistor is connected between the non-inverting input of the operational amplifier and the common conductor, and a feedback resistor is connected between the inverting input of the operational amplifier and its output. The output of the operational amplifier is connected to the output terminal.

Výhody zapojení diferenční čtyřkvadrantové analogové číslicové násobičky podle vynálezu spočívájí zejména v tom, že nedochází ke snížení přesnosti násobení, protože znaménkovému bitu číslicového* signálu není nutno ve vstupní kódové kombinaci vyhrazovat zvláštní místo. Informace o znaménku se zavádí až za číslicově analogové převodníky. Další výhodou uspořádání je okolnost, že elektronické přepínače jsou zařazeny přímo do proudových výstupů číslicově analogových převodníků a proto se neuplatňují jejich nežádoucí reálné vlastnosti jako je zbytkový odpor přepínače v sepnutém stavu a změny tohoto zbytkového odporu v závislosti na protékajícím proudu či na teplotě. Výhodou také je, že mimo operace násobení obvod umožňuje také realizovat nejprve rozdíl obou signálů,a ten pak násobit třetím signálem.The advantages of connecting the differential four-quadrant analogue digital multiplier according to the invention are, in particular, that the accuracy of multiplication is not reduced because the sign bit of the digital * signal does not have to be allocated a separate space in the input code combination. Sign information is entered after the D / A converters. Another advantage of the arrangement is the fact that the electronic switches are incorporated directly into the current outputs of the D / A converters and therefore their undesirable real properties such as the residual resistance of the switch in the closed state and changes in residual resistance depending on the current flow or temperature do not apply. The advantage is also that in addition to the multiplication operation, the circuit also allows to realize the difference of both signals first and then multiply it by the third signal.

Vynález bude v dalším blíže popsán podle přiloženého obrázku, na němž je znázorněno příkladné provedení zapojení diferenční čtyřkvadrantové analogové číslicové násobičky.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which an exemplary embodiment of a differential four-quadrant analogue digital multiplier is shown.

Zapojení využívá dvou číslicově analogových převodníků 6,The connection uses two digital to analog converters 6,

7. Číslicový vstup prvního číslicově analogového převodníku 6 je propojen s číslicovým vstupem druhého číslicově analogového převodníku 7. Vstup záporného referenčního napětí prvního číslicově analogového převodníku 6 je spojen s invertující vstupní svorkou 1 a vstup záporného referenčního napětí druhého číslicově analogového převodníku 7 s neinvertující vstupní svorkou7. The digital input of the first D / A converter 6 is coupled to the digital input of the second D / A converter 7. The negative reference voltage input of the first D / A converter 6 is connected to the inverting input terminal 1 and the negative reference voltage input of the second D / A converter is connected to the non-inverting input terminal.

2. Vstup kladného referenčního napětí prvního číslicově analogového převodníku 6 je přes první referenční rezistor 4 spojen se zdrojem 2 referenčního napětí. Taktéž vstup kladného referenčního napětí druhého číslicově analogového převodníku 7, je přes druhý referenční rezistor 5 spojen se zdrojem 2 referend- 5 258 992 ního napětí. Přímý proudový výstup prvního číslicově analogové ho převodníku 6 je spojen se vstupem prvního - elektronického přepínače 8, jehož první výstup je spojen s invertujícím vstupem operačního zesilovače 15 a druhý výstup s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače 15. Obdobně přímý proudový výstup druhého číslicově analogového převodníku 7 je spojen se vstupem druhého elektronického přepínače 9, jehož první výstup je spojen s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače 15 a druhý výstup s invertujícím vstupem operačního zesilovače 15. Mezi neinvertující vstup operačního zesilovače 15 a společný vodič 12 je zapojen třetí rezistor 11 amezi invertující vstup operačního zesilovače 15 a jeho výstup je zapojen zpětnovazební rezistor IQ. Výstup operačního zesilovače 15 je spojen s vý stupni svorkou 14.2. The positive reference voltage input of the first digital-to-analog converter 6 is connected to the reference voltage source 2 via the first reference resistor 4. Also, the positive reference voltage input of the second digital-to-analog converter 7 is connected via a second reference resistor 5 to a reference voltage source 2 5,258,992. The direct current output of the first digital-to-analog converter 6 is connected to the input of the first electronic switch 8, the first output of which is connected to the inverting input of the operational amplifier 15 and the second output to the non-inverting input of the operational amplifier. connected to the input of the second electronic switch 9, the first output of which is connected to the non-inverting input of the operational amplifier 15 and the second output to the inverting input of the operational amplifier 15. A third resistor 11 is connected between the non-inverting input of the operational amplifier and its output is connected by a feedback resistor IQ. The output of the operational amplifier 15 is connected to the output terminal 14.

V činnosti se první napětí přivede na invertující vstupní svorku 1 proti společnému vodiči 12 a druhé napětí na neinvertující vstupní svorku 2 opět proti společnému vodiči 12. Na číslicové vstupy obou číslicově analogových převodníků 6, 7 se přivede kódová kombinace D úměrná absolutní hodnotě násobeného signálu. Informace ZNA o znaménku tohoto signálu se zavede na řídící vstupy obou elektronických přepínačů 8, 9· Budou-li oba elektronické přepínače 8, 2 signálem ZNA přepnuty do první polohy, bude pro výstupní napětí U odebírané z výstupní svorky 14 proti společnému vodiči 12 platitIn operation, the first voltage is applied to the inverting input terminal 1 against the common conductor 12 and the second voltage to the non-inverting input terminal 2 is again applied to the common conductor 12. The code combination D proportional to the absolute value of the multiplied signal is applied to the digital inputs. The ZNA sign information of this signal is applied to the control inputs of both electronic switches 8, 9 · If both electronic switches 8, 2 are switched to the first position by the ZNA signal, the output voltage U taken from the output terminal 14 against common wire 12 will apply

U ~ - D₁₀ ^1 ~ ^U2/« kde Uj. značí první napětí přivedené na invertující vstupní svorku 1 proti společnému vodiči 12, U2 druhé napětí přivedené na neinvertující vstupní svorku 2 proti společnému vodiči 12 a D_lo dekadický ekvivalent kódové kombinace D úměrný absolutní hodnotě uvedeného signálu. Při přepnutí obou elektronických přepínačů 8, 9 do druhé polohy bude platitU ~ - D ₁₀ ^ 1 ~ ^U 2 / where Uj. denotes the first voltage applied to the inverting input terminal 1 against the common conductor 12, U2 the second voltage applied to the non-inverting input terminal 2 against the common conductor 12 and D _{lo is the} decimal equivalent of the code combination D proportional to the absolute value of said signal. When the two electronic switches 8, 9 are switched to the second position, they will be valid

U ~ D_lo - u₂/, přičemž význam veličin je shodný jako v předchozím případě.U ~ D _lo - u ₂ /, where the meanings are the same as in the previous case.

Použijeme-li příkladně pro realizaci zapojení diferenční čtyřkvadrantové analogově číslicové násobičky podle vynálezuIf, for example, we employ differential four-quadrant analog-to-digital multipliers according to the invention to realize the circuitry

- 6 258 992 osmibitové binární číslicově analogové převodníky a budou-li odpory všech rezistorů 4, 5, 10, 11 shodné, lze pro výstupní napětí odvodit vztah u = -£lj _Λι-υ₂/.- 6 258 992 8-bit binary digital-to-analog converters and if the resistances of all resistors 4, 5, 10, 11 are the same, the u = - £ lj _Λι -υ ₂ / can be derived for the output voltage.

resp. po přepnutí obou elektronických přepínačů 8, 9 signálemrespectively. after switching both electronic switches 8, 9 with a signal

ZNA bude _ ^D10 ^u ~ 256 ^1 ~ ^U2^*ZNA will be _ ^D 10 ^u ~ 256 ^ 1 ~ ^U 2 ^ *

Přitom dekadický ekvivalent D]_q osmibitového binárního čísla je z intervalu celých čísel O až 255·The decimal equivalent of D1_q of the 8-bit binary number is from the range of integers 0 to 255 ·

Pro správnou činnost násobičky musí být splněny následují cí podmínkyThe following conditions must be met for the multiplier to function properly

Ur > Οχ , Ur > U₂ .Ur> U, Ur> U ₂ .

Zde Ur značí napětí zdroje 3 referenčního napětí a význam veli čin U]_, Ug je shodný jako v předchozím, S výhodou je možno jako zdroj 3 referenčního napětí použít neznázorněné kladné napájecí napětí celého zařízení. Na kolísání napětí Ur zdroje 3 referenčního napětí totiž příliš nezáleží, protože veličina Ur nevstupuje do výsledných vztahů pro výstupní napětí.Here, Ur denotes the voltage of the reference voltage source 3 and the meaning of the value U1, Ug is the same as in the previous. Preferably, the positive supply voltage of the whole device (not shown) can be used as the reference voltage source 3. The fluctuation of the voltage Ur of the reference voltage source 3 does not matter much, since the quantity Ur does not enter the resulting relations for the output voltage.

Má-li zapojení diferenční čtyřkvadrantové analogově čísli cové násobičky podle vynálezu pracovat jako normální čtyřkvadrantová násobička, stačí neinvertující vstupní svorku 2 spojit se společným vodičem 12 a násobičku budit do invertující vstup ní svorky 1. Obdobně lze spojit invertující vstupní svorku 1 se společným vodičem 12 a násobičku budit do neinvertující vstupní svorky 2.If the differential 4-quadrant analog-to-multiplier circuit of the present invention is to function as a normal 4-quadrant multiplier, it is sufficient to connect the non-inverting input terminal 2 to the common conductor 12 and drive the multiplier to inverting input terminal 1. drive the multiplier into the non-inverting input terminal 2.

Zapojení diferenční čtyřkvadrantové analogově číslicové násobičky podle vynálezu má obecné využití pro přístrojové a průmyslové aplikace. Zejména lze zapojení použít jako stavební jednotku kmitočtových analyzátorů pracujících na principu Fourierovy analýzy signálu. Obdobně lze zapojení použít jako stavební jednotku korelátorů.The circuit of the differential four-quadrant analog-to-digital multiplier of the invention has general application for instrument and industrial applications. In particular, the circuit can be used as a building unit of frequency analyzers working on the principle of Fourier signal analysis. Similarly, the wiring can be used as a building unit for correlators.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

258 992

Connection of a four-quadrant analog / digital multiplier consisting of two digital / analogue converters, two electronic switches and an operational amplifier, characterized in that the digital input of the first digital / analogue converter (6) is connected to the digital input of the second digital / analogue converter The input voltage of the first digital-to-analog converter (6) is connected to the inverting input terminal (1) and the negative reference input of the second to digital-to-analog converter (7) with the non-inverting input terminal (2). via the first reference resistor (4) · connected to the reference voltage source (3) and also the positive reference voltage input of the second digital-to-analog converter (7) is connected via the second reference resistor (5) to by a reference voltage source (3), the direct current output of the first digital-to-analog converter (6) is connected to the input of the first electronic switch (8), the first output of which is connected to the inverting input of the operational amplifier amplifier (13), the direct current output of the second digital-to-analog converter (7) is connected to the input of the second electronic switch (9), the first output of which is connected to the non-inverting input of the operational amplifier (13) and and the control inputs of both electronic switches (8, 9) are connected to the output of the multiplication signal information, wherein a resistor (11) is connected between the non-inverting input of the operational amplifier (13) and the common conductor (12) and the inverting input of the operational amplifier / and its output is connected with feedback r the resistor (10) and the output of the operational amplifier (13) are coupled to the output terminal (14).