SU1361713A1 - След щий аналого-цифровой преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, предназначено дл  измерений амплитуд широкополосных динамических сигналов и позвол ет рас- ширить диапазон допустимых скоростей изменени  входных сигналов. Дл  этого в преобразователь, содержащий.тактовый генератор 5, N-разрйдный накапливающий сумматор 7, двупол рный цифг- роаналоговый преобразователь 8, аналого-цифровой преобразователь 1 разностного сигнала (АЦПР), введен инвертор 6, а АЦПР выполнен на М параллельных К разр дных аналого-цифровых преобразовател х 2, аналоговых сумматорах 4, блоке 3 адаптации, масштабирующем усилителе 9. При этом т-й аналоговый сумматор 4 имеет по первому и второму входам коэффициенты передачи , равные соответственно и +2 1-1П а по третьему входу - единичный коэффициент передачи, где m 1,2,.,,,МиМ K+i-K.l з.п. ф-лы,3кл I (Л

Description

1

1361

Изобретение относитс  к измери- тельной технике и предназначено дл  измерений амплитуд широкополосных динамических сигналов.

Цель изобретени  - расширение диа пазона допустимых скоростей измене- НИН входного сигнала.

На фиг. 1 изображена функциональ на  схема устройства; на фиг. 2 вариант функциональной схемы блока адаптации; на фиг. 3 - временные диаграммы , по сн ющие работу устройст- ва.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1 разностного сигнала, содержащий К-раз- р дные АЦП 2.1 - 2.М, блок 3 адаптации , аналоговые сумматоры 4.1 - 4.М, тактовый генератор 5, инвертор 6, накапливаюцщй сумматор 7, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 8 (N- paзp дный, двухпол рный масштабирующий усилитель 9.

Блок 3 адаптации содержит М+1 посто нных запоминающих устройств (ПЗУ) 10.1 - 10.М+1, при этом каждый т-ана логовый сумматор 4 по второму и третьему входам имеет козффициенты Передачи, равные соответственно -2 и +2, и по первому входу -

единичный коэффициент передачи, где m 1,2,...., а количество АЦИ М выбирают следующим образом МбР и М W-K+1, где К и Р - числа разр дов АЦП и младших разр дов ПЗУ соответственно . В одном варианте довый блок адаптации содержит М ПЗУ. Устройство работает следующим об- .разом. I .

На первые два входа всех М аналоговых сумматоров поступают измер е- . мый сигнал Uiclt) и компенсируюш;ий сигнал ,(t;) двухпол рного ЦАП 8,  вл ющийс  аналоговым эквивалентом кода S(t ., ) накапливающего сумматора , а на третьи входы поступает выходной сигнал UQ масштабирующего усилител , равный половине напр жени  UQ источника опорного сигнала, определ ющего величину амплитудного диапазона каждого из М идентичных К-разр дных АЦП.Амплитудные диапазоны UQI входных сигналов параллельных К-разр дных АЦП св заны с амплитудным диапазоном ±U устройства через параметры N и К следующим соотношением Uon /±Uj-2 .

13 -2

Схема каждого из М трехвходовых сумматоров построена таким образом, что по входу суммировани  усилител 

. т-го аналогового сумматора дл  его.

третьего входа образован делитель из

резисторов сопротивлением R и R, , дл  его второго входа - делитель из резисторов сопротивлением

-Н, и R,, а по входу вычитани  операционного усилител  входное сопротивление равно { сопротивление обратной св зи равно R, что обеспечивает по второму и третьему

5 входам т-го аналогового сумматора коэффициенты передачи, равньге соответственно - и а по первому входу - единичнь1й коэффициент передачи. Соответственно,выходной

0 сигнал ) m-ro аналогового сумматора равен )-Uu,o(n( t Л/2

+ Uon/2.

Такое смещение сигнала LU,i(t)

- и

цап

(t)l/2

m-i

на величину, рав

5

5 ную половине амплитудного диапазона

UQ К-разр дного АЦП 2.т, обеспечи- вает как измерение двухпол рных раз- ностных сигналов . EUx(t) - Um,(t)J/2 , так и представление

0 цифровых эквивалентов х (t- ) на его выходе в виде двоичных чисел со знаком в старшем К-м разр де, так как в этом случае К-й разр д несет информацию не о величине, а о пол рности разностного сигнала.

Таким образом, така  схема, содержаща  М К-разр дных АЦП с одинаковыми амплитудными диапазонами Ug входных сигналов обеспечивает измере-

0 ние двухпол рных разностных сигналов с представлением цифровых эквивалентов в виде двоичных чисел со знаком и обеспечивает М измерительных каналов с различными приведенными к вхо-

g дам аналоговых сумматоров амплитудными диапазонами от iUop/2 в первом канале до ±(/2} 2 - 1 М-М канале, что позвол ет получать достоверные, т.е. без динамической

Q погрешности, результаты измерений в широком диапазоне скоростей изменени  измер емого сигнала вплоть до величины , где f - частота импульсов тактового генератора.

gg Кроме того, схема реализуетс  на стандартных микросхемах АЦП, так как она или предполагает дифференциальную нелинейность К-разр дного преобразовател  с амплитудными диапазона-

ми Ugj, ВО много раз меньше величи Hbij:Uon/2 , или же допускает входное напр жение его компараторов во много раз больше величины и , в то врем  как стандартна  микросхема, например, шестиразр дного параллель- ного АЦП имеет дифференциальную нелинейность не лучше ± U , а величина дифференциального входного напр жени  его компараторов, больша  чем величина напр жени  U +0,7 В,выводит схему из стро .

Поскольку выходной результат X (t| ) m-ro параллельного АЦП  вл етс  цифровым эквивалентом разностного сигнала и,(ti)-Uy,gn(t; ) очевидно, чтобы получить цифровой эквивалент сигнала ± U(t; ) - и цап (t; )J , необходимо двоичное число x(t; ) умножить на коэффициент масштабировани  т-го канала , что осуществл етс  блоком адаптации, на групповые входы которого поступают М К-разр дных двоичных результатов , полученных в момент t; при измерении одного и того же разностного сигнала, только поделенного аналоговыми сумматорами на соответствующие коэффициенты , где m 1,2,.,., М. С целью эффективного умножени  с минимальными задержками (не более дес тков не), а также обеспечени  регул рной структуры блока адаптации, который кроме функции умножени  также выполн ет операции декодировани  и коммут ации двоичных К-разр дных чисел, используетс  таб- личньш способ умножени , что  вл етс  целесообразным, так как получаютс  таблицы умножени  с небольшим числом произведений, В пг-м ПЗУ содержимое младших разр дов J-и  чейки равно результату от перемножени  двоичного кода коэффициента на код адреса этой j-й  чейки, интепретируе- мому как К-разр дное двоичное число со знаком в старшем разр де, причем произведени  положительных чисел представлены пр мым, а произведени  отрицательных чисел - дополнительным N-разр дным двоичным кодом числа со знаком.

Содержимое Р старших разр дов кажг дои  чейки т-го ПЗУ равно двоичному коду числа т-1, т.е. коду показател  степени коэффициента масшта(5ировани  2 . Запрограммированное таким образом т-е ПЗУ включаетс  в блок адагг

тации как т-е ПЗУ произведений 10 т, где ш 1,2,...,М.

Так как коэффициенты делени  раз ностного сигнала± и (t;) - U (t,) кратны степени двойки, то равный единице (К-1)-й разр д в коде в случае Uy(t; )-Uцg„(t; ) О или равный нулю (К-1)-й разр д в коде

0 .. (;) в U,(t;)-U(t, соответствует перегрузке по амплитудному диапазону в т-м канале, т.е.если сигнал , Зидп/4 или сигнал и , и„„

5 или соответственно. Следова-- тельно, путем анализа значений знако-- вого разр да и (К-1)-го разр да в каждом из М результатов, полученных в момент tj по М каналам параллель-

0 но, просто определить тот канал, который не перегружен по амплитудному диапазону и имеет минимальный приведенный ко входам аналоговых сумматоров амплитудный диапазон из всех

5 неперегруженных по амцпитудному диа- пазону каналов.

Такую функцию декодировани  номера канала выполн ет М+1-е ПЗУ блока адаптации. Например, . в первом ва0 рианте (фиг,2) ПЗУ управлени   вл етс  преобразователем М-разр дного унитарного кода числа со знаком в код 1 из м. Поскольку увеличение .амплитудного диапазона измерительноg го канала при неизменном числе К разр дов параллельного АЦП приводит также к увеличению погрешности квантовани , приведенна  к входу т-го аналогового сумматора величина кото-

0

рой равна +(и„/2) -2 , то выбором результатов x,(tj ) канала обеспечиваетс , во-первых, достоверный результат измерени , так как зтот канал не. перегружен по амплитудному

g диапазону и, соответственно, в результате измерени  отсутствует ди- . намическа  ошибка, а во-вторых,этот результат получен с минимальной (дл  данной на интервале t, - t ,, скорое-

Q ти измер емого сигнала) погрешностью квантовани  1 () 2 , так как канал имеет минимальный амплитудный диапазон из всех неперегруженных по амплитудному диапазону каналов.Таким образом, така  схема обеспечивает оптимальную по метрологическим характеристикам адаптацию скорости слежени  устройства к скорости изменени  измер емого сигнал U, (t).

Результаты измерений x,(t;) .- X,(L;) адресуют в  чейки ПЗУ 10.1 - 1L),M, содержимое N младших разр дов которых равно х (t; ) 2°.-x(t;) , а содержимое Р старших разр дов равно двоичному коду чисел О - M-l, соответственно . Однако выходной код M+l-го ПЗУ разрешает выборку содер-

жимого только одного из первых М ПЗУ, 10 литудному диапазону каналов. Этот ре-

в результате чего на первые выходы блока адаптации поступает код N(t;) , равный Xj,(t; ) , а на его вторые выходы - код Р (t;), равный У-1,Вьгзультат 3Ci,(t ;) умножаетс  в блоке адаптации на коэффициент 2 « этого. канала Y и код N(t;)s равный u( fc, ) 2 ° и эквивалентный сип

ходной-код N(t; ) блока адаптации 15 налу (t;) - Uu,qn (t,) t (t; ), суммируетс  с содержимым S(t;, ) на- поступает с первых выходов блока

адаптации на входы накапливающего сумматора, где суммируетс  с его содержанием s(t,-, ).

ш,его сумматора. В соответствии -с. ко- 20 В момент t передним фронтом про-

инвертированного импульса тактового генератора результат суммировани  S(t ) S(t;., ) + N(t; ) заноситс 

каплив ающего сумматора и в момент t( результат S(t;) -S(t ;, ) + N(t-) заноситс  в аккумул тор накапливаю- ш,его сумматора. В

дЬм S(t| ) сигнал ) к моменту t;Vi устанавливаетс  равным U(t;)± i(tj), где 6(t) - погрешность измерени , не превьшающа  величины (и„/2.). .25

Представление результатов N(t ) на выходе блока адаптации в виде пр мых и дополнительных двоичных кодов соответственно положительных , и отрицательных чисел позвол ет one- 30 маетс  с первых выходов устройства.

в аккумул тор накапливающего сумматора и с его выходов поступает на входы двухпол рного ЦДЛ. В соответствии с кодом S(t ) сигнал Uцo,г,(t, ) У танавливаетс  равным U)((tj )i fCt,). Также, в момент t ;, код S(t ) снирации суммировани  и операции вычитани  выполн ть посредством только операции суммировани , требующей наличи  накапливающего сумматора-вы- читател , т.е. АЛУ-процессора, а способность двухпол рного ЦА11 обра- батывать такие двоичные числа со знаком обеспечивает компенсацию зна-. копеременных приращений входного сигнала Uy(t) во всем амплитудном диапазоне ±U устройства.

В момент t, код S(t;), эквивалентный сигналу U(t;} ±6(t.) снимаетс  с первых выходов устройства, а с вторых его выходов снимаетс  код P(t. ) который несет информацию о величине погрешности, с которой получен результат измерений S(tJ). Например, временные диаграммы на фиг. 3 иллюстрируют работу такого трехканального устройства при измерении импульсного сигнала U(t). В моменты t- передним фронтом импульса G стробируетс  пам ть компараторов

а с вторых его выходов снимаетс  код P(ti ), несущий информацию о величине погрешности, с которой получен результат S(t; ),  вл ющийс  цифровым 35 эквивалентом сигнала Uj((t;).

Например, в момент t, результат получен с точностью ±() «2°,так как все три канала не перегружены

40 по скорости слежени , в момент t, - с точностью ± () 2 так как первый и второй каналы перегружены по скорости слежени , в момент t, - с точностью () -2 , так как

45 первый канал имеет перегрузку по скорости слежени  и т.д. Несмотр  на то, что, например, в момент t, погрешность квантовани  в четыре ра- за больше погрешности квантовани 

5Q N-разр дного устройства, относительна  погрешность измерени  разностного сигнала U(tj.) -Uцд„(t) не пре- вьш1ает относительной погрешности пер вого канала, приведенной к середине

каждого из трех параллельных К-раз- 55 амплитудного диапазона/± , р дных А1ДП и в трех измерительных каналах получаютс  результаты измерений Xj (t ;),... ,X.,(t; ) разностных СИГ

налов 5-tU,(t; )-ицс.п (ti )1/2°

так как в момент t величина сигна ла U(t.2 )-Um,(t.2) также по меньшей мере в четыре раза больше величины Uon/4.

...;и, (t; ) - и,„(;)/2.

Из трех результатов x,(t; ),..., X (t|) в блоке адаптации выбираетс  один результат ) того канала Y, который не перегружен по амплитудному диапазону (скорости слежени ) и имеет минимальный амплитудный диапазон из всех неперегруженных по амп-

маетс  с первых выходов устройства.

в аккумул тор накапливающего сумматора и с его выходов поступает на входы двухпол рного ЦДЛ. В соответствии с кодом S(t ) сигнал Uцo,г,(t, ) У танавливаетс  равным U)((tj )i fCt,). Также, в момент t ;, код S(t ) сниа с вторых его выходов снимаетс  код P(ti ), несущий информацию о величине погрешности, с которой получен результат S(t; ),  вл ющийс  цифровым 35 эквивалентом сигнала Uj((t;).

Например, в момент t, результат получен с точностью ±() «2°,так как все три канала не перегружены

40 по скорости слежени , в момент t, - с точностью ± () 2 так как первый и второй каналы перегружены по скорости слежени , в момент t, - с точностью () -2 , так как

45 первый канал имеет перегрузку по скорости слежени  и т.д. Несмотр  на то, что, например, в момент t, погрешность квантовани  в четыре ра- за больше погрешности квантовани 

5Q N-разр дного устройства, относительна  погрешность измерени  разностного сигнала U(tj.) -Uцд„(t) не пре- вьш1ает относительной погрешности первого канала, приведенной к середине

55 амплитудного диапазона/± ,

амплитудного диапазона/± ,

так как в момент t величина сигнала U(t.2 )-Um,(t.2) также по меньшей мере в четыре раза больше величины Uon/4.

7 ,13

Claims (2)

1. Формула изобретени  I . След щий аналого -цифровой преобразователь , содержащий последова- тельно соединенные аналого-цифровой преобразователь разностного сигнала, накапливающий сумматор, цифроанало- говый преобразователь, выход которого соединен с первым входом аналого- цифрового преобразовател  разностно- го сигнала, второй вход которого  вл етс  входной шиной, а третий вход соединен с выходом тактового генератора , выходы накапливающего суммато ра  вл ютс  первой выходной шиной, отли ч ающи йс  тем, что, с целью расширени  диапазона допустимых скоростей изменени  входного сигнала, введен инвертор, выход которого соединен с тактовым входом на- капливающего сумматора, вход соединен с выходом тактового генератора и  вл етс  второй выходной шиной, третьей выходной шиной  вл ютс  вторые выходы аналого-цифрового преобра- зовател  разностного сигнала, выполненного на М аналого-цифровых преобразовател х , М аналоговых сумматорах, блоке адаптации, масштабирующем усилителе , вход которого объединен пер- выми входами.аналого-цифровых преобразователей , аналоговых сумматоров и  вл етс  шиной опорного сигнала, а выход соединен с вторыми входами аналоговых сумматоров, третьи и чет- вертые входы которых соответственно- объединены и  вл ютс  вторым и третьим входами аналого-цифрового

   8

   преобразовател  разностного сигнала, третьим входом которого  вл ютс  объединенные вторые входы аналого- цифровых преобразователей, третьи входы которых соединены с выходами соответствующих аналоговых сумматоров , а выходы соединены с соответствующими группами входов блока адаптации , первые и вторые выходь которо го  вл ютс  первыми и вторыми выходами аналого-цифрового преобразовател 

   разностного сигнала.

   I
2. 2. Преобразователь по п.I, о т - личающийс  тем, что блок адаптации выполнен на (М+1)-м посто нном запоминающем устройстве N- младших и Р-старших разр дов, М посто нных запоминающих устройств соответственно объединены и  вл ютс  первыми и вторыми выходами блока адаптации соответственно, входы разрешени  выборки соединены с соответствующими выходами (М+1)-го посто нного запоминающего устройства, вход разрешени  выборки которого  вл етс  шиной логической единицы,.первый адресный вход которого объединен с К-м адресным входом первого посто нного запоминающего устройства, а с второго по Hй объединены с соответствующими (К-1)-ми адресными входами с второго по М-й посто нных запоминающих устройств , адресные входы посто нных запоминаюпщх устройств с первого по М-и  вл ютс  входами соответствующих групп блока ад аптации.

   tit, it if ijt } tst s tft s iitr titf

   и„

   u,, -

   Редактор П.Гереши

   Составитель И.Романова Техред М.Дидык

   Заказ 6303/56 Тираж 900Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР

   по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д.4/5

   Производственно-полиграфическое предпри тие, г.Ужгород, ул.Проектна , 4

   Корректор И.Муска