SU743193A1 - Последовательно-параллельный аналого- цифровой преобразователь - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к вычиспитепьной и измерительной технике и предназначено дл  использовани  в автоматизированных системах обработки информации, например в гибридных вычислительных и управл ющих системах, в автоматизирсн-. 5 ванных системах дл  исследовани  речевых .сигналов.

Известен аналого-цифровой преобразователь (А11П) параллельного типа, работа- д ющий по принципу считьюани  и содержащий нульг-органы (компараторы), количество которых зависит от требуемой точности преобразовани , и кодирующие логические схемы, входы которых подключены ,5 к выходам нульг-органов 1 . Первые входы всех нуль-органов объединены и подключены к входу всего устройства, а по вторым входам задаютс  фиксированные, определенные дЛ  каждого нуль-органа, jo пороги срабатывани  так, что эти пороги образуют своего рода координатную сетку ап  входного сигнала, котора  схват1,шает весь диапазон возможных изменений входного сигнала и шаг которой равен одному кванту.

АЦП обладает наибольщей максимальг .ной цопустимой скоростью изменени  коцируемого сигнала по сравнению с любымидругими типами АЦП. Это объ сн етс  тем, что динамическа  погрешность АЦП обусловлена лишь нестабильностью врюмени срабатьшани  нуль-органов, котора , как правило, очень мала.

Недостатком АШТ  вл етс  то, что с увеличением точности существенно возрастает его сложность, котора  зависит от количества нуль-органов в схеме, т.е. ее пор док определ етс  величиной 2

)И где VI- число разр дов выходного копа. Последнее обсто тельство ограничивает точность АЦП на уровне 4...5 двоичных раэ р дов.

Известен АШ последовательно-паралпельного типа с переменными порогами, содержащий параллельный АЦП, оцин из входов которого  вл етс  входом устройств 4 схему управлени  и формировани  выходных кодов, входы которой соепинены С выходами параплепьного АЦП; формирове тель порогов, входы которого подключены к выходам схемы управлени  и фррмировани  выходных кодов, а выходы - к входам naftanr nbuoTO АЦП; пифро-аналоговый преобразователь , входы которого соединены с вьаопамк схемы управлени  и формировани  выходных кодов, а выход - с входом формиробатеп  порогов 21 . Одно преобразование в таком АЦП происходит за несколько тактов, на каждом ИЗ которых формируетс  определенна  группа разр дов выходного кода, начина  со старших разр дов. Диапазон значений входного сигнала, охватьюаемый порогами п аплельного АЦП, а также ширина зоны между порогами , т.е. цена целени  координатной сетки, к началу каждого последующего такта уменьшаютс  в несколько раз, образу  66лее точную кодирующую сетку. Каждый промежуточный результат кодировани , кроме последнего, запоминаетс , с помощью .цифроаналогового преобразовател  (ЦАП) декодируетс  и участвует в формировании порогов параллельного АЦП на последующем такт-е. Выходной сигнал ЦАП в начале каждого такта определ ет место положени  на оси ординат начала кодирующей сетки, соответствующей данному такт Достоинством таких АЦП  вл етс  значительно меньша  сложность по сравнению с параллельными АЦП и высока  точность, кбтора  при малой сложности достигаетс . за счет увеличени  числа тактов преобразовани . Недостатком АЦП данного типа по сравкенню с параллельным АЦП  вл етс  низка  максимальна  допустима  скорость изменени  входного сигнала, котора  долж на быть такой, чтобы в начале каждого такта преобразовани  входной сигнал всег да оказывалс  в пределах диапазона, охва тываемого порогами параллельного АЦП. Ограничени  на указанную скорость накладыв ютс  величиной возникающей динам н ческой погрешности преобразовани , котора , в свою очередь, в данных АЦП пр мо пропорциональна длительности переходных процессов, св занных с переключением иифроаналогового преобразовател  и формировател  порогов. Известен последов ательно-параплельньгй АЦП с переменными порогами, имеющий на входе буферное устройство - блок вь борки и запоминани  входного сигнш1а, который выполн ет функции дискретизатора непрерывного сигнала и состоит в основном из стробируемого аналогового ключа И накопительного конденсатора 3 . В данном устройстве в течение времен  строба аналоговый ключ открьгг, и напр жение на конденсаторе стремитс  к уровню входного сигнала. По окончании строба ключ закрываетс , а зафиксированное на конденсаторе напр жение квантуетс  с помощью последовательно параллельного АЦП с переменными порогами. Врем  запоминани  на конденсаторе величины аналогового сигнала, которое равно времени размыкани  ключа, в подобных схемах, как правило,, мало. После размыкани  ключа величина сигнала, который запоминаетс  на конденсаторе, перестает зависеть от изменений входного сигнала устройства и может оставатьс  посто нной в течение длительного времени, поэтому последовательно-параллельный АЦП, подключенный к выходу блока выборки и запоминани  и начинающий функционировать поо-, ле размыкани  аналогового ключа этого блока, осуществл ет квантование посто нного по уровню сигнала. Таким образом, динамическа  погрешность данного АЦП определ етс  лишь мштым временем размыкани  аналогового ключа, поэтому такие АЦП имеют достаточно высокую максимальную допустимую скорость изменени  входного сигнала. . Недостаток АЦП состоит в низкой точности преобразовани . Цель изобретени  - повышение статической точности преобразовател  при сохранении высокой максимальной допустимой скорости изменени  входного сигнала и малой сложности схемы. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в последовательно-параллельный анапогоцифровой преобразователь, содержащий параллельный аналого-цифровой преобразователь , один из входов которого  вл етс  входом всего устройства, схему управлени  и формировани  выходных кодов, входы которой соединены с выходами параллельного аналого-цифрового преобразовател , формирователь порогов, входы которого подключены к выходам схемы управлени  и формировани  выходных кодов, а выходы- к входам параллельного аналого-цифрового преобразовател , пифроаналоговый преобра-. зов are ль, входы которого соединены с Bbfходами схемы управлени  и формировани  выходных кодов, а выход - с входом фо1 мировател  порогов, введены дифференцирующий усилитель, вход которого подключен к входу всего устройства, и параллельный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выхопом дифференцирующего усилител , а выхоцы - с входами схемы управпет1  и формировани  abtхоиных кодов.

На фиг. 1 изображена обща  структурна  схема прецпагаемого АЦП; на фиг. 2. структурна  схема Ю-разр пного А11П прецпагаемого типа.

ЛИП содержит параллельный аналогоцифровой преобразователь 1, формирователь 2 порогов, управл юишй автомат 3, цифро- о аналоговый преобразователь 4, диффере1ширующий усилитель 5, параллельный аналого-цифровой преобразователь 6.

Цикл работы этого устройства осуществл етс  за несколько тактов, в конце каж-15 дого из которых формируетс  определенна  группа разр цов выходного кода. Количество и длительность тактов определ ютс  количеством и периодичностью внешних тактовых импульсов, поступающих на вход 20 управл ющего автомата.

В начале каждого такта выходные коды АЦП1 и АЦП6 фиксируютс  в управл ющем автомате, после чего последний вырабаты- 25 вает сигнал, по которому цена делени  кодирующей сетки порогов АЦП 1 уменьшает с  в несколько раз с помощью формировател  2 порогов. Управл ющий автомат по выходному коду АЦП 6 определ ет на30

сколько изменитс  кодируемый сигнал за врем  данного такта. Цифровой коп отражающий предсто$пцее изменение кодируемого сигнала, алгебраически складьшаетс  с выходным кодом АЦП 1. Полученна  cyivj- jj ма участвует в формировании выходного кода устройсгва и одновременно поступает на входы ЦА.П 4. Выходной сигнал ЦАП . измен ет посто нную составл ющую порогов АЦП 1 и тем самым задает на оси 40 напр жений место положени  новой, более точной, кодирующей сетки порогов АЦП 1, с помощью которой уточн етс  значение входного сигнала на последующем такте. По окончании цикла преобразовани  управ-45 л ющий автомат вырабатывает импульс, разреи ающий вьщачу результата преобразовани  во внешние устройства,

10-разр дный АЦП (см. фиг. 2) имеет относительную статическую погрешность, 50 не превышающую 0,1%, и максимальную допустимую скорость изменени  кодируемого сигнала ±32 кванта в микросекунду   позвол ет кодировать бипол рный синусоидальный тестовый сигнал частоты55 10 кГц и амплитуды 512 квантов с динамической погрешностью, не превышающей одного кванта.

АЦП содержит фильтр 7 ннжн1гх частот с полосой пропускани  О-10 кГц, на вход которого поступает кодируемый аналоговы сигнал; согласующий усилитель 8; основно параллельный АЦП, состо щий из нулЕ -о{ ганов 9 - 27, пороги срабатьшани  которых задаютс  с помощью формировател 

28порогов и измен ютс  прн изменении выходных напр жений двухразр дного ЦАП

29и семиразр дного ЦАП 30. Входные сигналы ЦАП 29 и ЦАП ЗО задаютс  управл ющим автоматом 31, который кроме того формирует выходной код (результат аналого-цифрового преобразовани ) и сигнал окончани  преобразовани  (сигнал, разрешающий считывание выходного кода). АЦП содержит также генератор 32 тактовых сигналов; дифференцирующий усилитель 33, вспомогательный параллельный АЦП, состо щий из нуль-органов (34-40, пороги срабатывани  которых посто 1шы

Claims (2)

1. и задаютс  с помощью формировател  41 порогов. ЦАП 29 служит дл  задани  цены делени  кодирующей сеткн порогов нульорганов 9-27. При измене1ши входного кода ЦАП 29 от 1 до 3 указанна  цена делени  принимает значени , равные соответственно 1/16, 1/128, 1/1О24 диапазона допустимых значений кодгфуемого С1Пнала. ЦАП ЗО управл етс  семью старшими разр дами выходного кода уст ройства и задает общую посто  1П1ую составл ющую порогов Нуль-органов 9-27, т.е. определ ют место положени  на оск напр жений центра кодирующей сетки, образуемой порогами нуль-органов 9-27. Нуль-органы 11-25  вл ютс  основпы ш, а нуль-органы 9,10,26,27 - дополнительными (назначение дополнительных нульopraiiOB будет по снено ниже). На фиг. 2 нуль-органы 9--25 расположены сверху вниз в пор дке убывани  величин их порогов срабатывани . Пороги пуль-органов 9 и 10 всегда соответстветго на два и Одно деление выше, а нуль-органов 27,25 - на два и одно jienejgHe ниже шкалы пороговых уровней основных нуль-орнганов . Так как предлагаемый АЦП предназначен дл  преобразовани  бипол рных сигналов, при выходном напр жении ЦАП 30, равном нулю, пороги срабатывани  нуль-органов 9-16 положительны, а нульорганов 19-2,7 - отрицательны. Порог срабатывани  нуль-органа 18 зависит только от выходного напр жени  ЦАП 30    вл етс  местом положени  на оси напр жений центра кодирующей сетки порогов нупь-органов 9-27. Выходное напр жение п1в}1феревдирующего усилител  33 в кажпый момент времени пропорционально скорости изменени  кодируемого сигнала, Допопнитепьный параллельный АЦП, состо щий из нуль-органов 34-40 и формировател  41 порогов предназначен дл  иэмерени  скорости изменени  кодируемого сигнала. Пороги срабепгывани  нуль-органов 34,35,36 - положительны, нуль-органов 38,39,40 - отрицательны, нульоргана 37 равен нулю. Цена делени  шкаш пороговых уровней нуль-органов равна 8 квантам в микросекунду, а пределы измерени  + 32 кванта/МКС. Генератор 32 служит дл  синхронизации работы устройства. Он работает в ждущем режиме и после каждого поступлени  на его вход внешнего запускающего сигнала вырабатывает серию тактовых импульсов, состо щую из четьрех импуль сов, следующих с периодом 1 мкс. Первый импульс серии соответствует началу работы устройства, последний - окончанию. Таким образом, цикл работы устройства состоит из четырех тактов; длительность такта равна 1 мкс, врем  пребывани  3 мкс. Пор док формировани  выходного кода следующий: в первом такте определ ютс  4 старших разр да, во втором - сле дующие три, в третьем - три младших ра р да, в четвертом такте, происходит выда результата преобразовани  во внешние цеп Устройство работает следующим образом . При включении устройства ( а в дальнейшем по четвертому тактовому импульсу все блоки АЦП переход т в исходное состо ние , а имеггао: в младший разр д вход ного регистра ЦАП 29 и в старший разр д входного регистра ЦАП 30 занос тс  единицы, в остальные разр ды этих рег№стров - нули. При этом выходное напр же ние ЦАП 30 становитс  равным нулю, а цена делени  кодирующей сетки порогов нуль-органов 9-27 равной 1/16 диапазона допустимых значений кодируемого сигнала . В этом случае внутрж диапазона допустимых значений кодируемого сигнала оказьюаютс  пороги только основных нуль-органов 11-25, поэтому в первом такте учитьваютс  состо ни  только основных нуль-органов. С приходом внешнего запускающего сигнала включеютс  генератор 32 тактовых импульсоЬ, и начинaeavс  непосредственно преобразование. Первый такт. Состо ние нуль органов 11-25 и состо ние (знак скороо ти изменени  кодируемого сигнала) нульоргана 37 фиксируютс  в управл ющем 7 93 автомате 31. Во входной регистр ЦАП 29 аписываетс  код 2, В автомате 31 неозиционный единичный код, считанный с ыходов, нуль-органов 11-25, преобразуетс  в четырехразр дный двоичный позин ционный код. Бели скорость изменени  копируемого сигнала неотрицательна, то полученный четырехразр дный код в арифметическом устройстве автомата 31 уве личиваетс  на единицу младшего иэ ра:зр дов, и сумма записываетс  в старшие разр ды входного регистра 11АП 24, в противном случае указанный код записываетс  в регистр ЦДП ЗО без изменени . В результате перечисленных операций к началу второго такта цена делени  кодирующей сетки порогов нуль-органов 927 становитс  равной 8 квантам. Центр новой шкалы оказываетс  на уровне, соответствующем входному коду ЦАП 30. Так как диапазон (±72 кванта) изменений кодируемого сигнала, который будет контролироватьс  нуль-органами 9-27 на втором такте, ве.пик по сравнению с максимально возможным изменением (32 кванта) этого сигнала за врем  (1 мкс) первого такта, конкретна  величина скорости изменени  кодируемого сигнала в первом такте в расчет не беретс , а учитываетс  лишь знак этой скорости. увеличении зафиксированного кода на единицу учитываетс  тот факт, что этот код дает представление лишь о зоне возможных значений кодируемого сигнала. тогда как сам сигнал в момент считыв ни  кода может находитьс  на уровне верхней границы этой зоны, увеличива сь с максимальной скоростью (32 кванта/такт). Поэтому если не осуществить указанную коррекцию считанного кода, кодируемьй сигнал к началу второго такта может выйти иэ-под контрол  нуль-органов 9-27. Второй такт. Состо ни  нуль-органов 9-27, 34-40 фиксируютс  в автомате 31. Во входной регистр ЦАП 29 записываетс  код 3, в результате чего цена делени  последней, самой точной кодирук ией сетки порогов нуль-органов 9-25 к началу третьего такта окажетс  равной одному кванту. Непозиционные единичнью коды, сч танные с выходов нуль органов преобразуютс  в позиционные двоичные дополнительные коды. Считанное с выходов нульорганов 9-25, 34-40 число считаетс  отрицательным, если в момент считывани  нуль-орган 12 (31) находилс  в нулевом состо нии (его выходной сигнал о74 был ниже nofxirn) и считаетс  положительным , если нуль-орган 18 (37) находилс  Е единичном состо нии (его сигнал был выше порога). При этом в первом случае содержимое цифровых разр дов считываемого числа определ ет-, с  состо нием нуль-органов 19-27(38, 39,4О), во втором - состо нием нуль-ор)ганов 9-17, (34, 35, 36). Преобразованный выходной код вспомогательного параллельного А11П складьюаетс  с I своего младшего разр да, а затем с преобразованным выходным кодом основного параллельного АЦП. Полученна  в результате этих операций сумма сдвигаетс  на три позиции в сторону младших разр дов, складываетс  с содержимым входного регистра ЦАП 29, и результат заноситс  во входной регистр ЦАП 29 в пр мом коде. Сложение кода, считьшаемого с нульорганов 24-4О, с еаитшцей (т.е. увеличение на 1 положительного числа и уменьшение на 1 абсолютной величины отрицательного ) компенсирует погрешность кодироват1И , св занную с ограниченностью разрешающей способности вспомогательного параллельного АПП, и имеет тот же смысл, что и коррекци , осуществл ема  на первом такте. Третий такт. Состо ни  нульорганов 9-27 фиксируютс  в управл ющем автомате 31. Полученный код преобразуетс  в позиционный двоичный дополнитель ный код , Сдвигаетс  на шесть позиций в сторону младших разр дов и складываетс  с дополнительным кодом содержимого входного регистра ЦАП 29 и, таким образом , оказываетс  фсормированным 1О- разр дный выходной код устройства. Четвертый такт. Управл ющий автомат 31 вырабатывает сигнал. окончани  цикла преобразовани , по которому результат преобразовани  выдаетс  во внешние цепи. Одновременно АЦП возвращаетс  в исходное состо ние. . Наличие в схеме основного параплельного АЦП четырех дополнительных нульорганов 3,4,20,21 позвол ет обеспечить Требуемую точность кодировани  аналогового сигнала в случае, если в моменты считьюани  информации с выходов основны нуль-органов 11-25 во втором или третьем такте кодируемый сигнал окажетс  более чем на одно деление за пределами кодирующей сетки порогов основных нул- органов. Така  ситуаци  может возникт1уть в ре зультате того, что предыдущее по отноше нию ко второму или Третьему такту) счи310 ывание информации выходов основных нульрганов совпало с моментом изменени  состо ни  какого-либо из этих .нуль-органов (и поэтому новое состо ние этого нуль-ор ена не было зафиксировано). При этом скорение изменени  кодируемого сигнала ыло максимальным (2 кванта-мкс при копировани  с точностью 10 двоичных раэр дов синусоипального сигнала частоты 10 кГц и амплитуды 512 квантов) и посто нным в течение такта. Кроме того, указатгаа  ситуаци  может возникнуть из-за погрешности скорости изменени  кодируемого сигнала, скпадь вающейс  из погрешности дифференцировани  кодируемого сигнала и погрешности квантовани  вь ходного напр жени  дифференцирующего усилител  33. Формула изобретени  Последовательно-параллельный аналого-цифровой преобразователь, содержащий параллельный аналого-цифровой преобразователь . Один из входов которого  вл етс  входом всего устройства, схему управлени  и формировани  вьгходных кодов, входы которого соединены с выходами параллельного аналого-цифрового преобразоватеп Гформир вателГ портговГвхоаьГк р подключены к выходам схемы управлении и формировани  выходных кодов, а выходы - к входам параллельного аналого-цифрового преобразовател , цифроаналоговый преобразователь, входы котор , соединены с зыходами схемы управпе„„  формировани  выходных кодов, а выхоп - с входом формировател  порогов, отличающийс  тем, что, с це- лью повышени  точности при высокой максимальной допустимойскорости изменени  входного (сигнала : малой сложности устройства, в него введены дифференцирукнций усилитель, вход которого под- ключен к входу устройства, и параллель-ный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом дифференцирующего усилител , а выходы - с. входами схемы управлени  и (})ормировани  выходных кодов. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Гитис Э. И.Преобразователи информации дл  электронных цифровых вычислительных устройств. ,M., Энерги , 1975, с. 79.
2. 2. Зарубежна  радиоэлектроника. М., Сов. радио/1975, № 1. с. 32-34.

   п

   Ь

   10