CS271517B1 - Connection of voltage parallel analog-to-digital converter with feedback - Google Patents

Description

CS 271517 B1

Vynález sa týká zapojenia napáťového paralelného analogovo číslicového prevodníka sospatnou vazbou, ktorý rieši problém převodu analogového signálu na signál číslicový v bi-nárnom kóde priamom, alebo v priamom s posunutím a v doplnkovom kóde, s krátkou doboupřevodu a s minimálnym počtom aktívnych elektronických prvkov.

Doteraz používaný paralelný analogovo číslicový převodník je najrýchlejší a principiál-ně najjednoduchší převodník, avšak pře každú kvantizačnú hladinu má zapojený komparátora odpor v děliči referenčného napátia čo znamená, že počet komparátorov "mK" a'počet odpo -rov "mR" rastie s počtom bitov "n" podl’a vztahu: mK = mR = 2Π - 1

Zvačšovaním počtu bitov rastie neúnosné aj rozsah obvodov dekódera na jeho výstupe. Ostat-ně analogovo číslicové převodníky sa vyznačujú podstatné dlhšou dobou převodu, čo znemož-ňuje převod rýchle sa meniacích analogových signálov a při snímáni viacerých signálov po-stupné pripájaných na jeden převodník, predlžuje dobu medzi snímáním jednotlivých signá-lov .

Vyššie uvedené nedostatky odstraňuje zapojenie napáťového paralelného analogovo čísli-cového prevodníka so spatnou vazbou podl’a vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, žesvorka vstupného signálu je připojená na prvý až n-tý vstupný odpor prvého až n-tého napa -ťového komparátora, kde n je počet bitov napaťového paralelného analogovo číslicového pře -vodníka so spatnou vazbou. Na priamom výstupe každého napaťového komparátora a na inverz-nom výstupe prvého napaťového komparátora je připojený prispósobovací invertor. Na inverz -nom výstupe každého z prvých η - 1 napaťových komparátorov sú připojené riadiace vstupydvoch vazobných spínačov, ktorých analogové vstupy sú připojené striedavo k dvom svorkámreferenčného zdroja a výstupy k druhej až n-tej odporovej rebríčkovej sieti druhého ažn-tého napáťového komparátora. Prvá až n-ťá odporová rebríčková sieť prvého až π-tého na-paťového komparátora je připojená k svorke kladného referenčného zdroja a k výstupem oboďinastvovacích spínačov, ktorých svorka nastavenia je připojená na vstup blokovacieho inver -tóra a na riadiaci vstup prvého nastavovacieho spínača, ktorého analogový vstup je připo-jený na svorku záporného referenčného zdroja. Výstup blokovacieho invertora je připojenýna riadiaci vstup druhého nastavovacieho spínača, ktorého analogový vstup je připojený kzemy, Výhody zapojenia napaťového paralelného analogovo číslicového prevodníka so spatnouvazbou spočívajú v tom, že převod sa uskutočňuje v krátkej době a s minimálnym počtom na-paťových komparátorov, pričom počet odporov "mR" rastie s počtom bitov "n" podl’a vzťahu: mR = 2n2 + 3n Z toho vyplývá, že s rastúcim počtom bitov nad počet 6 prudko klesá počet odporov v porov-nání s paralelným analogovo číslicovým převodníkem. Napaťový paralelný analogovo číslico-vý převodník so spatnou vazbou může pracovat v binárnom kóde priamom, alebo v priamom po-sunutím a v doplnkovom kóde, podlá nastavenia. . Příklad zapojenia napáťového paralelného analogovo číslicového prevodníka so' spatnouvazbou je znázorněný na priloženom výkrese. Z výkresu je zřejmé, že převodník rozšiřujeme o óalšie bity vsúvaním napaťových kom-parátorov s příslušnými prispósobovacími invertormi a s odporovými rebríčkovými sieťámi doriadkov medzi napáťové komparátory 2 a 3, a vsúvaním dvojíc vazobných spínačov s přísluš-nými odpormi, ktoré rozšiřujú odporové rebríčkové siete napaťových komparátorov, do stlp-cov medzi vázobné spínače 11 a 12, do miest vyznačených čiarkovane. CS 271517 B1

Kvůli prehladnosti popisujem zapojenie Stvorbitového napáťového paralelného analógo -vo číslicového prevodníka so spatnou vazbou. Prúdy zo svorky 29 vstupného signálu sú vede -né vstupnými odporami *£, 26, 22’ 28 do súčtových uzlov vstupov jednotlivých napáťovýchkomparátorov 2, í> 2> A· Priame výstupy napáťových komparátorov 2> 2, 2, A a inverzný vý-stup napáťového komparátora jL sú připojené na prispósobovacie invertory _5, 2, θ.> 2, A, ^t)-ré upravujú výstupné napátie napáťových komparátorov _1, 2, 2, A nB úroveň vhodnú pře óal^šie použitie v číslicovej technike. Inverzně výstupy napáťových komparátorov 2» 2> 2 ovlá -dajú vázobné spínače 10, 11, 22, 22> 2A> 22· Pri kladnom napatí na inverzných výstupoch .·'napáťových komparátorov 2, 2> 2 spínajú vázobné spínače 10, 12, 14 Rri zápornom napatí <na inverzných výstupoch napáťových komparátorov 2, 2, 2 spínajú vázobné spínače 22, 22, · 15. Tieto vázobné spínače 10, 22, 22, 22, 2A> 22 pripájajú zo svoriek 22, 20 referenčné-ho zdroja kladné alebo záporné napatie na rebríčkové odporové siete 22, 22, 24 napáťovýchkomparátorov 2, 2, A· Rebríčkovými odporovými sieťami 22, 22> 24 napáťových komparátorov2, 2, A sa pr^dy upravujú tak, že absolutna hodnota prúdov tečúcich do jednotlivých súčto -vých uzlov napátovýcn komparátorov 2, 2, A j® úměrná polovičnej hodnotě váhy bitu napáťo-vého komparáta 2, 2, 2, kťorý tento prúd pomooou vázobného spínača 22, 22> 22, *2, 14. i15 pripája. Okrem toho, sú na vstupy všetkých napáťových komparátorov 2, 2, 2, A cez re-bričkové odporové siete 22, 22, 22, 24 napáťových komparátorov 2> 2> 2> A ťrvale připoje-né prúdy zo svorky 19 kladného referenčného zdroja, ktorých hodnota je úměrná polovičnejhodnotě váhy bitu s najnižšou platnosťou, LSB. Tieto prúdy nastavujú správnu polohu kvan-tizačných hladin. Hodnota prúdov pře jednotlivé súčtové uzly napáťových komparátorov 2, 2 »2, A sa vztahuje na čas preklápania příslušného napáťového komparátora 2, 2, 2, A, zna ~mená na okamih, keá na jeho inverznom vstupe je nulové napatie. Nastavovací spínač 17 ovlá-daný signálem s logickou úrovňou zo svorky 30 nastavovania, pripája zo svorky 20 záporné-ho referenčného zdroja prúdy na rebríčkové odporové siete 21, 22, 23, 24 napáťových kompa-rátorov 2, 2, 2, A· Hodnota týchto prúdov je úměrná hodnotě váhy najplatnejšieho bitu, Mffl.Nimi sa představuje středná hladina preklápania všetkých napáťových komparátorov 2 2, 2,4X Nastavovací spínač 18 ovládaný zo svorky 30 nastavovania cez blokovací invertor 16 při -pája na rebríčkové odporové siete 21, 22, 22, 24 napáťových komparátorov 2, 2, 2, A nulo-vé napatie. Pri zopnutom nastavovacom spínači 17 pracuje napáťový paralelný analogovo čís-licový převodník so spátnou vázbou, v binárnom priamom kpde s výstupom na svorkách 32, 33,34, 35. Pri zopnutom nastavovacom spínači 22, v binárnom priamom kóde s posunutím, výstupje na svorkách 32, 22, 2A> 35 a v doplnkovom kóde, výstup je na svorkách 22, 22, 2A> 22·Rebríčkové odporové siete 21, 22, 3, 24 napáťtívých komparátorov 2, 2, 2, A st* zložené z odporov hodnůt R a 2R podl’a označenia 36 na výkrese. ι»

Kvůli zjednoduáeniu opisu funkcie napáťového paralelného analogovo číslicového pre-vodníka so spátnou vazbou, nazývam preklopenie napáťového komparátora 2, 2> 2> A Ho stavu ,keá na výstupe 31, 22, 2A> 35 príspfisobovacieho invertora 2, 2, 2, 2 Óe logická hodnota H,překlopením do H. Preklopenie napáťového komparátora 2, 2> 2, A Prz ktorom je na výstupe31, 33, 34, 35 prispfisobovacieho invertora 5, 2, 2 logická hodnota L, překlopením do L. V našom příklade předpokládejme 4 bitový napáťový paralelný analogovo číslicový převod-ník so spátnou vázbou (Sálej len převodník). Nastavovací spínač 17 je zopnutý, čo zname-ná že převodník pracuje v binárnom priamom kóde. Prúd,ktorý ^úměrný váhe bitu s najnižšouplatnosťou, LBS má hodnotu 1. Potom prúdy v súčtových uzloch napáťových komparátorov 2, 2, 2, A Pri ktorých dójde k ,preklopeniu příslušného napáťového komparátora 2, 2, 2, Abudú mať hodnoty: 0,5 - 8 + 7,5 0,5 + 4-8 + 3,5 9,5 + 2 + 4-8 + 1,5 0,5+1+2 + 4 - B + 0,5 0 napáťový komparátor 20 napáťový komparátor 20 napáťový komparátor 20 napáťový komparátor 4 3 CS 271517 B1

Rozloženie hodnčt prúdov je zhodné s rozložením miest pripojenia týchto prúdov na výkre-se.· Preto, že prúd je prlamo úměrný napátiu, aj hladiny vstupného napátia pří ktorýchpreklapajú jednotlivé napáťové komparátory 2, 2_, 2, A v poměre prúdov na vstupných od-porech 25. 26, 2Z, 28 a majú hodnoty 7,5 U, 3,5 U, 1,5 U a 0,5 U. Pri nulovom vstupnomnapatí sú všetky napáťové komparátory 2« 2> 1,’A Překlopené do L. Zopnuté sú vázobné spisnače 11, 13, 15 a pripadajú na vstupy napáťových komparátorov 2, 3, 4 cez rebríčkovéodporové slete 22, 23, 24 napátie zo svorky 19 kladného referenčného zdroja. Na výstupeprevodníka 31, 11, 34, 35 3e hodnota 0000. K preklopeniu napáťového komparátora 4 do Hdochadza pri překročení prúdu na vstupnom odpore 28 nad 0,5 I, čo znamená, že napátie nasvorke 29 vstupného signálu překročilo hodnotu 0,5 U. Na výstupe prevodníka 32, 11, 34, 35 je hodnota 0001. Pri zvýšení vstupného napatia nad 1,5 U preklápa napáťový komparátor2 do H. Súčasne s preklápaním napáťového komparátora 2 rozpíná vázobný spínač 15 .spinavázobný spínač 14 a pripája cez rebríčkovú odporovú sieť 24 záporné referenčně napátiena vstup napáťového komparátora 2, ktorý preklápa do L. Na výstupe prevodníka 31, 35, 34, 35 je hodnota 0010. V uzle napáťového komparátora 2 bude nulové napátie při prúdoch:0,5 - 1 + 2 + 4 - 6 + 2,5 = 0.

To znamená, že došlo k posunu hladiny preklápania napáťového komparátora 4. z 0,5 Ina 2,5 I. Pri zvýšeni vstupného napatia nad 2,5 U preklápa napáťový komparátor 4 do H.

Na výstupe prevodníka 31, 33, 1A> 35 je hodnota 0011, Při zvýšení vstupného napatia nad 3,5 U preklápa napáťový komparátor 2 do H. Súčasné rozpíná vázobný spínač 21, spina vá-zobný spínač 12 a pripája cez rebričkové odporové siete 21, 24 záporné referenčně napátiena vstupy napáťových komparátorov 2, A, ktoré preklápajú do L. Súčasne s překlápaním napaťového komparátora 2 do L rozpíná vázobný spínač 2A, spina vázobný spínač 15a pripája cezrebríčkovú odporovú sieť 24 kladné referenčně napátie na vstup komparátora 2· K jeho preklopeniu však nedfijde preto, lebo prúd tečuoi do súčtového uzla napáťového kompsrátora 2od vázobného spínača 12 má dvojnásobné hodnotu prúdu tečúceho do tohto uzla od vazebné-ho spínača 21· Na výstupe prevodníka 31, 33, 12, 35 je hodnota 0100. V uzloch napáťovýchkomparátorov 2, 2 bude nulové napátie pri hodnotách prúdov: 0,5 - 2 + 4 - 8 + 5,5 = 0 napáťový komparátor 2 0,5 +1-2+4-8+ 4,5 = 0 napáťový komparátor 2

Došlo k posunutiu hladin preklápania z 2,5 I na 4,5 I u napáťového komparátora 2 3 z i,51na 5,5 I u napáťového komparátora 2· Při zvýšeni vstupného napatia nad 4,5 (J preklápa na-páťový komparátor 4 do H a na výstupe prevodníka 21, 33, 34, 35 je hodnota 0101. Pri zvýšeni vstupného napatia nad 5,5 U preklápa do H napáťový komparátor 3 Súčasne rozpíná vá-zobný spínač 21, spina vázobný spínač 16 a pripája cez rebríčkovú odporovú sieť 24 záporné referenčně napátie na vstup napáťového komparátora 2, ktorý preklápa do L. Na výstupeprevodníka 31, 11, 22, 35 je hodnota 0110. Nulové napátie v uzle napáťového komparátora 2bude při prúdoch: 0,5-1-2+4-8+6,5=0

Oošlo k áalšiemu posunutiu hladiny preklápania napáťového komparátora 2 z 4,5 I na 6,5 I.Pri zvýšeni vstupného napátia nad 6,5 U preklápa napáťový komparátor 2 do H. Na výstupeprevodníka 21, 11, 22, 35 je hodnota 0111, Pri zvýšeni vstupného napátia nad 7;5 U preklápa napáťový komparátor 2 do H. Súčasne rozpíná vázobný spínač 22, spina vázobný. spínač 21a pripája cez rebríčkové odporové siete 22, 23, 24 záporné referenčně napátie na vstupynapáťových komparátorov 2, 3, 2, ktoré preklápajú do L. Při preklápaní napáťových kompa-rátorov 2, 1 do L rozpínajú vázobné spínače 21, 12, spínajú vázobné spínače 21, 15 a pri-pájajú cez rebríčkové odporové siete 23, 24 kladné referenčně napátie na vstupy napáťo-vých komparátorov 3, 2· K ich preklopeniu však nedfijde preto, že súčet prúdov tečúcich dosúčtovýoh uzloch napáťových komparátorov 2, 2 °d vázobných spínačov 21, 15 má menšiu hod- CS 271517 61 notu ako prúdy tečúce do týchto uzlov od vazobného spínača 10. Na výstupe prevodníka 31,33, 34, 35 je hodnota 1000. V U2loch napaťových komparátorov 2_> 2> A bude nulové napatiepři hodnotách prúdov: 0,5 - 4 - 8 +11,5 = 0 napaťový komparátor 20,5 + 2 - 4 - 6 + 9,5 = 0 napaťový komparátor 30,5 + 1 + 2- 4- 8 + 8,5 = 0 napaťový komparátor 4_ sř

Došlo k posunutiu hladin preklápania z é,5 I na 8,5 Ina 9,5 I u napaťového komparátora 2 a z 5>5 I na 11,5 u napaťového komparátora 4_> z 5,5 II u napaťového komparátora 2_. Z doterajšieho popisu je zřejmé, že rovnakým spůsobom můžeme pokračovat až po maximálnuhodnotu na výstupe prevodníka 31, 33,34, 35, 1111. Pri znižovaní vstupného napatia pře-bieha postup preklápania napaťových komparátorov 2, í> 2, A v opačnom slede, až po nulovúhodnotu vstupného napatia. Při zopnutom nastavovaoom spínači 18 pracuje převodník v binárnom priamom kóde s po-sunutím a v doplnkovom kóde. Prúdy v súčtových uzloch napaťových komparátorov 2> 2, 2> Apri ktorých důjde k preklopeniu příslušného napaťového komparátora 2> 2i 2> A budú maťhodnoty: 0,5 + 0 - 0,5 = 0 napaťový komparátor 2 0,5 - 4 + 0 + 3,5 = 0 napaťový komparátor 2_ 0,5 + 2 - 4 + 0 + 1,5 = 0 napaťový komparátor 2 0,5 +1+2-4+0+ 0,5 = 0 napaťový komparátor £ Při nulovom vstupnom napatí je napaťový komparátor 2 překlopený do H a pripája pomocou va -zobného spínača 10, cez rebríčkové odporové siete 22, 22, 24 na vstupy napaťových kompa-rátorov 2, 2> A záporné referenčně napatie a tieto sú překlopené do L. Napáťové komparáto -ry 2, 2. pripájajú pomocou vazobných spínačov 13, 15 cez rebríčkové odporové siete 23, 24kladné referenčně napatie na vstupy napaťových komparátorov 3, 2· Na výstupe prevodníka ' 31, 33, 34, 35 v binárnom priamom kóde s posunutím je hodnota 1000. Na výstupe prevodníka 32, 33, 34, 35 v doplnkovom kóde je hodnota 0000. Z rozloženia vstupných prúdov je zřejmé ,že napaťový komparátor 2 najplatnejšieho bitu, MSB určuje znamienko polarity vstupného sig-nálu v oboch kódech. Qstatné napaťové komparátory 2, 2> A pracujú pri stúpani vstupnéhonapatia rovnako, ako pri práci prevodníka v binárnom priamom kóde. V dalšom popise uvádzanprácu prevodníka v binárnom priamom kóde s posunutím a při klesáni<vstupného napatia. Pripoklese vstupného napatia pod - 0,5 U preklápa napaťový komparátor 2 do L. Súčasne rozpí-ná vazobný spínač 10, spina vazobný spínač 11 a pripája cez rebríčkové odporové siete 22,23, 24 kladné referenčně napatie na vstupy napaťových komparátorov 2j 2> A> ktoré preklá-pajú do H. Súčasne s preklápaním napaťových komparátorov 2, 2 do H rozpínajú vazobné spí-nače 22» 22, spínajú vazobné spínače 12, 14 a pripájajú cez rebríčkové odporové siete 23,24 záporné referenčně napatie na vstupy napaťových komparátorov 2ι Α· K ich preklopeniuvšak nedůjde preto, že prúdy připojené vazobným spínačom 11 na vstupy napaťových kompará-torov 2. A roajá váčšiu hodnotu než súčet prúdov připojených na tieto vstupy spínačmi 22 a 14 Na výstupe prevodníka 31, 22> 34, 55 je hodnota 0111. Prúdy v súčtových uzloch na-paťdvých komparátorov 2, 2> 2, A Pri ktorých důjde k preklopeniu jednotlivých napaťovýchkomparátorov 2, 2> 2> A budú mať hodnoty: .0(5 + 0 - 0,5 = 0 napaťový komparátor 2 0,5 + 4 + o - 4,5 = 0 napaťový komparátor 2 0,5 - 2 + 4 + 0 - 2,5 = 0 napaťový komparátor 3 0,5 -1-2+4+0- 1,5 = 0 napaťový komparátor 4 CS 271517 B1

Došlo k posunutiu hladin preklápania: z 3,5 I na - 4,5 I u napáťového komparátora 2_ z 1,5 I na - 2,5 I u napaťového komparátora 2 a z 0,5 I na - 1,5 I u napaťového komparátora 2·

Pri poklese vstupného napátia pod - 1,5 U preklápa napáťový komparátor 4 do L. Na výstupeprevodníka 31, 53, 54, 22. íe hodnota 0110. Prl poklese vstupného napátia pod - 2,5 U pre-klápa napaťový komparátor 3 do L. Súčasne rozpíná vázobný spínač 14, spina vázobný spí-nač 15 a pripája cez rebríčkovú odporová sleť 24 kladné referenčné napátie na vstup na-paťového komparátora £, ktorý preklápa do H. Na výstupe prevodníka 31, 53, 54, 55 je,hod-nota 0101. na vstupe napaťového komparátora 4. bude nulové napátie při prúdoch: 0,5 + 1 - 2 + 4 + 0 - 3,5 = 0

Došlo k posunutiu hladiny preklápania napaťového komparátora 2 z -1>5 I na -3,5 I. Při po-klese vstupného napátia pod -3,5 U preklápa napaťový komparátor 4 do L a na výstupe pre-vodníka 31.) 33, 22> 55 Je hodnota 0100. Pri poklese vstupného napátia pod -4,5 U preklá-pa napáťový komparátor 2 do L. Súčasne rozpíná vázobný spínač 12, spina vázobný spínač13 a pripája cez rebríčkové odporové siete 23, 22 kladné referenčně napátie na vstupy na-páťových komparátorov 2> 2 ktoré preklápajú do H. Pri preklápaní napaťového komparátora 2do H rozpíná vázobný spínač 12, spina vázobný spínač 14 a pripája cez rebríčkovú odporovúsieť 24 záporné referenčně napátie na vstup napáťového komparátora £. K jeho preklopeniuvšak nedůjde preto, že prúd tečúci do súčtového uzla napáťového komparátora 2 od vázobné-ho spínača 13 má dvojnásobnú hodnotu prúdu tečúceho do tohto uzla od vázobného spínača 14.Na výstupe prevodníka 31, 53, 22> 55 je hodnota 0011. Na vstupoch napáťových komparátorov2, 2 bude nulové napátie pri prúdoch: 0,5 + 2 + 4 + 0 - 6,5 = 0 napáťový komparátor 2 0,5 -1+2+4+0- 5,5 = 0 napáťový komparátor 2

Došlo k posunutiu hladin preklápania: z - 2,4 I na - 6,5 I u napáťového komparátora 2a z - 3,5 I na - 5,5 I u napáťového komparátora 2· Z doterajšieho popisu je zřejmé, že napáťový paralelný analogovo číslicový převodník sospátnou vázbou pracuje rovnako pri kladnom aj zápornom vstupnom signále.

Zapojenie napáťového paralelného analogovo číslicového prevodníka so spátnou vázbouje možné použit všade tam, kde je potřebné previesť analogový signál na signál číslicovýv binárnom kóde priamom, alebo priamom s posunutím či v doplnkovom kóde. Jeho použitie jemožné rozšířit zapojením·komparátora pre znamienko polarity a obvodu absolútnej hodnotypřed svorku 29 vstupného signálu. Při zopnutom nastavovacím spínači 17 tak získáme převod-ník analogovo číslicový s výstupom v binárnom kóde priamom so·znamienkom.

Claims (1)

1. CS 271517 B1 PREOMET VYNÁLEZU Zapojenle napaťového paralelného analogovo číslicového prevodníka so spatnou vazbouvyznačené tým, že svorka (29) vstupného signálu je připojené na prvý až n-tý vstupný od-por (25, 26, 27, 28) prvého až n-tého napaťového komparátora (1, 2, 3, 4), kde n je početbitov napaťového paralelného analogovo číslicového prevodníka so spatnou vazbou, pričomna priamom výstupe každého napaťového komparátora (1, 2, 3,4) a na inverznom výstupe prvého napaťového komparátora (1) je připojený prispůsobovací invertor (5, 7, 8, 9, 6), a nainverznom výstupe každého z prvých η - 1 napaťových komparátorov (1, 2, 3) sú připojenériadiace vstupy dvoch vazobných spínačov (10, 11, 12, 13, 14, 15), ktorých analogovévstupy sú připojené striedavo k dvom svorkám (19, 20) referenčného zdroje a výstupy k druhej až n-tej odporovej rebríčkovej sieti (22, 23, 24) druhého až n-tého napaťového kompa-rátora (2, 3, 4), pričom prvá až n-tá odporová rebríčková sieť (21, 22, 23, 24) prvého ažn-tého napaťového komparátora (1, 2, 3, 4) je připojená k svorke (19) kladného referenčněho zdroja a k výstupom oboch nastavovacích spínačov (17, 18), ktorých svorka (30) nastavovania je připojená na vstup blokovacieho invertora (16) a na riadiaci vstup prvého nasta-vovacieho spínača (17), ktorého analogový vstup je připojený na svorku (20) záporného re-ferenčného zdroja, pričom výstup blokovacieho invertora (16) je připojený na riadiacivstup druhého nastavovacieho spínača (18), ktorého analogový vstup je připojený k zemi. 1 výkres