SU1494218A2 - Аналого-цифровой преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к вычислительной технике,  вл етс  усовершенствованием изобретени  по авт.св. N 588628 и при использовании в системах преобразовани  и передачи информации позвол ет расширить динамический диапазон входного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь содержит компараторы первой и второй ступеней, шифраторы первой и второй ступеней, суммирующее и вычитающее устройства, блок переменного коэффициента усилени , формирователь кода, группу элементов И, триггер, элемент ЗАПРЕТ, сумматор кодов. Выход блока переменного коэффициента усилени  подключен к первым входам компараторов первой ступени и к одному из входов вычитающего устройства, к первым входам сумматора кодов подключены выходы шифратора первой ступени, а к вторым - выходы группы элементов И. Благодар  этому квантование малых сигналов производитс  с меньшим квантом, чем больших, вследствии чего расшир етс  величина динамического диапазона входного сигнала. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к вычислительной технике и может быть использовано в контрольно-измерительных, информационных и других системах.

Цель изобретени  - расширение динамического диапазона входного сигнала.

На фиг-. 1 показана блок-схема (устройстваJ на фиг. 2 - схема устройства с переменным коэффициентом усилени .

Устройство содержит компараторы I первой ступени, блок 2 переменного кпаффицие}1та усилени , источник 3 талонных уровней, устройство 4 вьще- лени  старшей единицы, шифратор 5 первой cj yriemi, мифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, вычитающее устройство 7, суммирующее устройство 8, электронный ключ 9, делитель напр жени  10, компараторы 11 второй ступени , шифратор 12 второй ступени, триггер 13, группу элементов И 14, формирователь 15 кодов, сумматор 16 кодов и элемент 17 запрета.

Устройство работает следующим образом.

Допустим, что элементы 2, 13-17 схемы отсутствуют,

С помощью эталонных уровней, подаваемых от источника 3, весь диапазон выходного сигнала О - А, делитс  на р д поддиапазонов: О А/2 - А/2 ; А/2 ; ..., А/2 - А,

4 СО 4ib

1C

00

ISJ

где k - количество компараторов в первой ступени. Дл  примера А 5, k 7, Тогда весь диапазон входного сигнала О - 5В разобьетс  на следую- щие поддиапазоны: О - 39,1 мВ - нулевой; 39,1 - 78,1 мВ - первый; 78,1 - 156,2 мВ - второй; 156,2 - 312,5мВ- третий; 312,5 - 625 мВ - четвертьй; 625 - 1250 мВ - п тыйi 1250 - 2500 мВ шестой; 2500-5000 мВ - седьмой.

После срабатывани  компараторов 1 первой ступени на их выходе формируетс  так называемый единичный код. В k-й позиции этого кода стоит 1, если сработал k-й компаратор, и О, если не сработал. В данном примере k 1-7. Устройство 3 формирует соответствующие значени  эталонных уровней - 39.1 мВ, 78.1 мВ, ..., 2500 мВ, устройство 4 выделени  старшей единицы формирует код, имеющий 1 только в одной позиции - соответствующей старшему сработавшему компаратору | и б в остальных позици-  х. Этот код поступает на шифратор 5 первой ступени, который формирует двоичньп код, несущий информацию о номере поддиапазона, в котором находитс  измер емое напр жение. Кро ме того, код с единицей водной позиции поступает на ЦАП 6, на выходе которого образуетс  сигнал, равный ближайшему меньшему, чем U, эталонному напр жению, подаваемому на компараторы 1 первой ступени. Очевидно, что величина этой разности в зависимости от конкретного значени  И находитс  в следующих пределах: О - 39,1 мВ - дл  нулевого и первогоопод диапазонов} О - 78 мВ - дл  второго; О - 156 мВ - дл  третьего и т.д., О - 2500 мВ старшего, седьмого

Напр жение с выхода ЦАП 6 поступает на вход устройства 8, где это напр жени  складываетс  с выходным напр жением ключа 9. Этот ключ открыт , когда не сработал компаратор младшего уровн  первой ступени, т.е. когда входное напр жение лежит в ну- левом поддиапазоне. Таким образом, на выходе суммирующего устройства 8 имеютс  следующие напр жени : 39,1 мВ - дл  нулевого и первого поддиапазонов, 78,1 мВ - дл  второго 156,2 мВ - дл  третьего и т.д., 2500 мВ - дл  старшего, седьмого.

Указанные напр жени  с помощью делител  10 дел тс  на Р равных час

Q

5 0 5 Q j

5 g с

5

тей, где Р - число компараторов второй ступени, Р ч 2, с 2,3, ...В данном примере с 4, Р 16. Таким образом, на выходе дели сел  10 формируетс  сетка эталонных уровней. При этом величина кванта в второй ступени (разность между соседними эталонными уровн ми) равна: 2,44 мВ - дл  нулевого и первого поддиапазонов , 4,88 мВ - дл  второго и т.д., 156.2 мВ - дл  старшего.

Таким образом, величина кванта в известном АЦП при квантовании малых напр жений лежащих в нулевом и первом поддиапазонах составл ет

и макс

q -

где и А.

Однако в некоторых случа х така  величина динамического диапазона устройства недостаточна. Допустим, что требуетс  кодировать малые сигналы с квантом в 16 раз меньшие, т.е q 2,44/16 0,15 мВ. Тогда в известной схеме должны быть сформированы 5 дополнительных поддиапазонов: О - 2,44 мВ - нулевой дополнительный, 2,44 мВ - 4,87 мВ - первой дополнительный , 4,87 мВ - 9,75 мВ - второй дополнительный, 9,75 мВ - 19,53 мВ - третий Дополнительный, 19,53 мВ - 39,1 мВ - четвертый дополнительный.

Однако технически реализовать такую схему затруднительно,поскольку требуетс  большое число компараторов , способных различить дес тые доли мВ.

Предложенное устройство работает следующим образом.

В начале работы обнул етс  триггер 13, при этом с выхода триггера на блок 2 переменного коэффициента усилени  подаетс  управл ющий сигнал , устанавливающий коэффициент усилени  этого устройства в единицу (один из возможных вариантов реализации блока 2 показан на фиг. 2). Чере некоторое врем , достаточное дл  срабатывани  компараторов, на элемент запрета подаетс  стробирую- щий сигнал. На инверсный его вход подаетс  сигнал ,с выхода младшего компаратора, вход щего в компараторы 1 (т.е. компаратора, на который подаетс  минимальное зта-понное напр жение , в данном примере 39,1 мВ). Если входное напр жение лежит в старших диапазонах, в данном примере в диапазонах 39,1-78,1 мВ; 78,1-156,2 и т.д. 2500-500 мВ, то срабатывает младший компаратор, при этом выходной сигнал младшего компаратора запрещает прохождение стробирующего сигнала на S-вход триггера, т.е. триггер остаетс  в прежнем состо нии, соответственно, блок 2 имеет как и прежде коэффициент усилени  равньй единице. Далее предлагаемое устройство работает также, как и известное .

Рассмотрим случай, когда напр - жени Ь меньше младшего эталонного уровн , подаваемого на компараторы 1, т.е. в данном примере меньше 39,1 мВ. Тогда стробирующий сигнал проходит на S-вход триггера и устанавливает его в единичное состо ние приэтом коэффициент усилени  блока 2 установитс  равным Ку, в данном случае Ку 16, Напр жени , лежащие в нулевом дополнительном поддийпазо- не, перемещаютс  в нулевой основной поддиапазон, напр жени , лежащие в первом дополнительном поддиапазоне, перемещаютс  в первой основной поддиапазон и т.д. В данном примере

О,- 2,44 мВ0-39,1 мВ

2,44 - 4,87 мВ39,1 мВ 78 ,1 мВ и т.д.

Далее предлагаема  схема работает аналогично известной.

В устройстве производитс  предварительное сжатие выходной информации

Положим, что входное напр жение и у лежит в старших поддиапазонах, т.е. в течение преобразовани  коэффициент усилени  блока 2 равен единице . В этом случае информаци  о выходном коде содержитс  в выходных сигналах трех элементов: шифратора 5 (информаци  о номере поддиапазона, в котором находитс  входное напр жение ) , шифратора 4 2 (информаци  о номере интервала, внутри данного поддиапазона)и триггера 13 (информаци  о том, что массштабировайи  не было). Дл  получени  из этих сигнало обычного позиционного двоичного кода (ПДК) необходимо сдвинуть код, снимаемый с шифратора 12 на М единиц влево , где М - дес тичный эквивалент кода первой ступени, снимаемого с шифратора 5. Так, если код на выходе шифратора 5 равен 001, то необходимо сдвинуть код на выходе шифратора 12

10

15

20

25

30

35

40

45

0

на один разр д влево, если 010 - на два разр да и т.д. Полагаетс , что сдвиг осуществл етс  устройством обработки, сто щим на выходе АЦП.

Допустим, входное напр жение U лежит в младшем поддиапазоне,в данном примере 0-39,1 мВ. Тогда коэффициент усилени  блока 2 равен К (К ,у 16). В этом случае необходимо произвести два сдвига кода, снимаемого с шифратора 12 дл  получени  в качестве выходного кода обычного ПДК: первый сдвиг на Т единиц вправо, этот Сдвиг учитывает масштабирование , в данном примере Т 4j второй сдвиг на М единиц влево, этот сдвиг обусловлен причинами, описанными при рассмотрении первой ситуации. В данном устройстве предлагаетс  алгебра- ически просуммировать эти два сдвига дл  того чтобы предварительно сжать информацию и облегчить работу строй- ства обработки. Дл  этого код сдвига вправо записьшаетс  в дополнительном коде в формирователе 15, в качестве которого могут быть использованы линейка перемычек, простейшее ПЗУ и т.п. С сумматора 16 кодов снимаетс  результирующий код, несущий информацию о сдвиге, который следует осуществить с кодом шифратора 12, Как видно из чертежа, алгебраическое суммирование (или по сути вьмитание) кодов осуществл етс  только в том случае, когда производитс  масштабирование , в противном случае выходной сигнал триггера 13 не пропускает код формировател  15 на вход сумматора 16 кодов и с выхода этого сумматора имеетс  тот же код, что и с выхода шифратора 5, Операции по сУммирова-, нию кодов не вли ют на общее быстродействие , так как они производ тс 

во врем  работы второй ступени. I

Положительный эффект от использовани  предлагаемого устройства заключаетс  в том, что в К раз сиижаетс  величина минимального изме- р е14огр напр жени  и соответственно увеличиваетс  динамический диапазон входного сигнала. В 7-разр дном АЦП величина динамического диапазона.

измер ема  как U ,/U

макс

мин

и

55 увеличилась в 16 раз по сравнению

с известной. Одновременно производитс  сжатие информации о выходном сигнале , благодар  чему облегчаетс  последующа  обработка сигнала АЦП.

Ф о р.м ула изобретени 

А

Claims (2)

1. Аналого-цифровой преобразователь по авт.св. № 588628, о т л и- чающийс  тем, что, с целью расширени  динамического диапазона входного сигнала, в него введены триггер, элемент ЗАПРЕТ, формирователь кода, группа элементов И, сум- JQ матор кодов, блок переменного коэффициента усилени , информационный вход которого  вл етс  входной шиной , выход соединен с вторыми вхо- дами компараторов первой ступени и J5 вторым входом вычитающего устройства , управл ющий вход подключен к выходу триггера и-объединен с первыми входами группы элементов И, вторые входы которой подключены к соот- 20 ветствующим выходам формировател  кода, а выходы соединены с первыми входами сумматоров кодов соответст-, венно, вторые входы которого подключены к соответствующим выходам шиф- 25 ратора первой ступени, а выходы  вл ютс  выходной шиной, причем R-вход триггера  вл етс  шиной обнулени , S-вход подключен к выходу элемента ЗАПРЕТ, инверсный вход которого соединен с управл ющим входом электронного ключа, а пр мой вход  вл етс  шиной стробировани .

2. Преобразователь по п. 1, отличающийс  тем, что блок переменного коэффициента усилени  выполнен на операционном усилителе, двух резисторах и ключе, информационный вход которого объединен с первым выводом первого резистора, подключен к выходу операционного усилител  и  вл етс  выходом блока, информацион- Ным входом которого  вл етс  неинвертирующий вход операционног о усилител , инвертирующий вход которого объединен с вторым выводом первого резистора , подключен к выходу ключа и через второй резистор соединен с общей шиной, а управл ющий вход ключа  вл етс  управл ющим входом блока.

/Ч

/J

Иш

г

4П

Ь

L

9Г

.. .

«

J чИ ФФ

15

1И- ,г

JJ

.. .1

«

чИ ФФ

16

(pup.i

Редактор Л.Пчолинска 

Составитель В.Махнанов

Техред М.фдхыкКорректор Т. Мале ц

Заказ 4130/56

Тираж 884

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат .Патент, г . Ужгород, ул. Гагарина, 101

Г7

(pu.2

Подписное