Логарифмический аналого-цифровой преобразователь

 

ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ АНАЛОГОЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий ключ, включенный между информационным входом преобразователя и первым входом компаратора, соединенного вторым входом с выходом источника порогового напряжения компаратора, причем первый вход компаратора через параллельно включенные запоминающий конденсатор и разрядный pealicтор подклю |ен к шине нулевого потенциала, управляющий вход ключа подключен к входу записи реверсивного счетчика, соединенного с входом запуска преобразователя, и генератор тактовых импульсов, отличающийся тем, что, с целью расщирения динамического диапазона, в него введены регистр кода порогового напряжения компаратора и управляемый источник тока, включенный между щиной нулевого потенциала и первым входом компаратора, соединенного инвертирующим выходом с управляющим входом управляемого источника тока и вычитающим входом реверсивного счетчика, сумм (фующий вход которого соединен с прямым выходом компаратора и входом останова генератора тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с входом запуска преобразователя , а выход генератора тактовых импульсов подключен к счетному входу ре версиБного счетчшса, установочный вход которого подключен к выходу регистра кода порогового напряжения компаратора.

ИЬИН

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПИЬЛИН (! 9) (11) (5!)4 G 06 G 7/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET CCCP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3731282/24- 24 (22) 11.03.84 (46) 23.11.85. Бюл. Р 43 (71) Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им. В. И. Ленина (72) В. П. Дорошев, В. E. Ямный, А. М. Белов и И. А. Левко (53) 681.335 (088.8) (56) Патент США М 3678505, кл. НОЗК 13/20, опублик. 1976.

Ямный В. E. Аналого-цифровые преобразователи напряжения в широком динамическом диапазоне. Минск, БГУ, 1980, с. 76, рис. 3.17в. (54) (57) ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ АНАЛОГО—

ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий ключ, включенный между информационным входом преобразователя и первым входом комларатора, соединенного вторым входом с выходом источника порогового напряжения компаратора, причем первый вход компаратора через параллельно включенные запоминающий конденсатор и разрядный резистор подключен к шине нулевого потенциала, управляющий вход ключа подключен к входу записи реверсивного счетчика, соединенного с входом запуска преобразователя, и генератор тактовых импульсов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, в него введены регистр кода порогового напряжения компаратора и управляемый источник тока, включенный между шиной нулевого потенциала и первым входом компаратора, соединенного инвертирующим выходом с управляющим входом управляемого источника тока и вычиа тающим входом реверсивного счетчика, сум- и1 мирующий вход которого соединен с прямым выходом комнаратора и входом останова генератора тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с входом запуска преобразователя, а выход генератора тактовых импульсов подключен к счетному входу реверсивного счетчика, установочный вход которого подключен к выходу регистра кода порогового напряжения компаратора.

1193693 2

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для.преобразования электрических сигналов с широким диапазоном изменения уровней.

Цель изобретения — расширение динамиjrecxoro диапазона логарифмического аналогоцифрового преобразователя (ЛАЦП) путем .создания полной шкалы, имеющей начальный участок квантования малых уровней с различной функциональной зависимостью.

На фиг, 1 приведена функциональная схема логарифмического аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 — временные диаграммы логарифмического аналого-цифрового преобразователя; иа фиг. 3 — вариант вы. полнения генератора тактовых импульсов.

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь содержит информационный вход 1, ключ 2, вход 3 запуска, запоминающий конденсатор 4, разрядный резистор 5, управляемый источник 6 тока, компаратор 7, источник 8 порогового напряжения, генератор

9 тактовых импульсов, реверсивный счетчик

10, регистр 11 кода порогового напряжения компаратора.

Генератор тактовых импульсов содержит

RS-триггер 12, генератор 13 стабильных импульсов, элемент ИЛИ вЂ” НЕ 14, элемент И 15, элемент 16 задержки, делитель 17 частоты, коммутатор 18.

Логарифмический АЦП работает следую-. щим образом.

В исходном состоянии ключ 2 замкнут и запоминающий конденсатор 4 заряжен до напряжения источника преобразуемого сигнала на информационном входе 1

После прихода импульса запуска с входа запуска 3 ключ 2 размыкается, а в реверсивный, счетчик 10 по сигналу на установочном его входе иэ регистра 11 заносится код порогового напряжения компаратора л о пропорциональный уровню источника порогового напряжения комнаратора 8 О, . С момента т, размыкания ключа 2 в завйсимости от соотношения величин U и U q начинается заряд запоминающего конденсатора

4 от управляемого источника 6 тока или разряд его через разрядный резистор 5.

Рассмотрим процессы в схеме ЛАЦП для случаев 0х Up " Ох (1о .

При 0 „, i 11 компаратор 7 имеет на инвертирующем выходе напряжение логической единицы, которое подключает управляемый источник 6 тока 1О к запоминающему конденсатору 4 для его заряда и по вычитающему входу переводит реверсивный счетчик 10 в режим вычитания. В тот же момент времени 1а импульсом пуска с

5 !

О

30 е

55 входа 3 по входу записи реверсивного счетчика 10 заносится код порогового напряжения Мо из регистра 11 и запускается по входу запуска генератор 9 тактовых импульсов с периодом следования имгульсов Гр„

С выхода генератора 9 тактовых импульсов тактовые импульсы поступают на счетный вход реверсивного счетчика 10 и происходит вычитание этих импульсов из кода N

Этот процесс продолжается до момента t когда напряжение на запоминающем конденсаторе 4 Ц достигает величины напряжения источника 8 порогового напряжения 11„ (фиг. 2, кривая 1). Когда (1с = 11О происходит срабатывание компаратора 7 и на

его инвертирующем выходе появляется напряжение логического нуля, выключающего источник 6 тока, а на прямом выходе появляется напряжение логической единицы, останавливающее по входу останова генератор

9 тактовых импульсов. В реверсивном счетчике будет записано число N >, = N о — М 1 > где N — число импульсов генератора 9 с периодом повторения Т„z прошедших на счетный вход счетчика 10 за время

Тх, = т,, — $ . Число g „, связано определенной функциональной связью с величиной преобразующего сигнала 0 Х, !

При Ux > U компаратор 7 находится в состоянии, когда на его прямом выходе— напряжение логической единицы, которое по суммирующему входу реверсивного счетчика

10 переводит его в режим суммирования.

При этом источник 6 тока напряжением логического нуля на инвертирующем выходе компаратора 7 выключен. После прихода импульса пуска с входа 3 ключ 2 размыкается, в реверсивный счетчик 10 заносится от регистра 11 код И о и запускается генератор 9 тактовых импульсов с периодом повторения Т . С момента времени 1о конос денсатор 4 начинает разряжаться через разряд- . ный резистор 5 по экспоненциальному закону (фиг. 2, кривая 2 . Этот разряд продолжается до момента времени 1 т, когда UС =

=ll и компаратор 7 выработает перепад напряжения из логической единицы в логический

1 нуль, который остановит генератор 9 тактовых импульсон. В реверсивном счетчике 10 будет записано число М Х = N „w М,, где

М вЂ” число импульсов генератора 9 с периодом повторения 1ос, прошедших на счетный вход счетчика 10 за время Тх = -Ф, з О

Число N q (1) связано с величиной преобразуемого сигнала на участке между Ох и логарифмической зависимостью.

Определим функциональные возможности предлагаемого устройства.

1193693

На начальном участке шкалы АЦП, когда

0 т с (/ напряжение эаряжаемого током

? запоминающего конденсатора, как известно, определяется выражением

t (1, = I, R (4- е) ", где =R.ñ

ИЛИ < С Ñ (1) Преобразуя (1), получим

dÎc RIî-Uc л (2)

:3 (1, RI î 11 с (3)

Интегрируя (3) по частям, получим Eh(RIo-"c) = + к, где k — константа, которую легко определить нз начальных условий

Ои U =Ux,, к = -: е.(т,-и„,), г что дает

"|о (1 хл

,=еп „ о с

Тх1

Поскольку Кх, = и - N, а и  — -—

=Тс Тол (фиг,2, кривая 1) где to=Î,Тх 1,-1о=14

1 получим л RI,-ux, N„-,- — Еп . (4)

Тол Йло (1 с

Из выражения (4) можно найти величину кода Ne, используя очевидное условие, что при U „= 0; Nx, = О, а момент времени т, соответствует 21 = 0о . (5) T RI o- U, Иэ (3) следует

dt(RI,-U, А,= ол

hn (RIo (1о (6) Для того, чтобы полная шкала ЛАПЦ не имели разрывов, в выражение (6) необходимо установить такую величину тока чтобы первый квант логарифмического участка шкалы h е (выше U о ) был равен последнему кванту начального участка (u). переходя от дифференциалов к конечным нриращениям: d 0 = 1 „— квант напряжения, — дискрет времени, получим

Для логарифмического участка шкалы

ЛАПЦ, когда 0» > 11о, известно (1) U„*u,(18) "" где в — относительная погрешность преобразования логарифмического участка шкалы.

Очевидно, что Ц„= U (1+8) где К „— максимальный код логарифмического участка шкалы, который определяется, как х макс

15 е, Е (4 8)

Первый квант логарифмического участка из (7) равен

21е (1+82 Uî-(4+8) 0о-30,. (9) Для логарифмической шкалы также известно, что 0х

Т =t -t -t =1еп — ха. 2 о 2 11 > (2»а

° х,=,. 6 ол о

Также очевидно, что

25 » иакс иоас îñ 11 о

Из (8) и (10) получим (10) 30

1 Т /Вп(1 3), 35 Приравняв h h е в точке шкалы

ЛАЦП Цх = U = U получим иэ (6), (9) и (11) т.„ —:"(ят;и,)-=-Ви,;

40 (RIo Ч ос ЕФ1 (1+8)

Обозначив Т„„ / Тое = О, запишем

Ц, — 1+ о 1 е В п (2+82

45 (12) 1

ОВ (1.82 (14) Поскольку для современных АЦП величина относительной погрешности выбирается менее 10%, то о б 0,1 и величи50 на 8/2п (1+ а ) 1, что позволяет запнC3Tb

j -—

o/ 11 й! е! (13)

Подставляя в (5) выражения (11) и (13), 55 имеем

1193693

Подставляя в (4) выражение (14) получим окончательно функциональную связь кода N „, (на начальном участке шкалы ЛАЦП) с величиной преобразуемого напряжения 5

1 ЕИх, Н„ оп(9 1)-Erl 6 1- — (1 ) ве. (+Sj Llî

Таким образом, иэ выражения (15) следует, что, варьируя величину отношения пери- О одов . повторения тактовых импульсов генератора 9 и зависящую от нее по..формуле (13) величину тока 1, можно получить большое количество различных функциональных шкал на начальном участке l5

U < U . При этом на участке ц „> U„ характер шкалы остается логарифмическим.

Дгя получения различных значений 8 и тем самым изменения вида шкалы на начальном участке генератор тактовых импульсов работает следующим образом.

После прихода импульса пуска со входа

3 триггер 12 по 5 -входу устанавливается на выходе в состояние логической единицы и элемент И вЂ” HE 14 пазпешает прохождение импульсов генератора 13 (с периодом повторения Т „, либо непосредственно к входу коммутатора 18, либо через делитель 17 частоты. Если на прямом выходе компаратора 7 — логический ноль (т.е. ) „< U ), то импульсы генератора 13 непосредственно проходят коммутатор 18 к счетному входу реверсивного счетчика 10.

Если на прямом выходе компаратора 7 логическая единица (1 х > Ua), то к счет35 нов.у входу реверсивного счетчика 10 подключается через коммутатор 10 выход делителя 17 частоты и период повторения тактовых импульсов равен Т е, Величина Т а значит и отношение 9, зависит от

40 коэффициента деления делителя 17. По каждому изменению состояния прямого выхода компаратора 7 осуществляется остановка генератора 9 с помощью элемента

И 15, подключенного своим выходом к

R-входу триггера 12 (устанавливающего триггер в ноль), и элемента 16 .адержки, состоящего, например, из интегрирующей цепи R, С< . При каждой смене состояния компаратора 7 на выходе элемента И 15 вырабатывается импульс, сбрасывающий триггер 12 и тем самым запрещающий с помощью элемента И вЂ” НЕ 14 прохождение импульсов генератора 13.

Рассмотрим возможность получения линейного начального участка в предлагаемом логарифмическом АЦП.

Из выражения (1) следует, что для получения линейной шкалы, т.е. линейной зависимости напряжения на конценсаторе 4 от времени

Uñ =101/с (16) ! необходимо, чтобы ток источника тока зависел от времени по закону о о л

Для обеспечения равенства квантов линейного и логарифмического участков шкалы в точке И„= Ц е = lla найдем величины кванта линейной шкалы из выражения (16)

"с "o оТan No 4Тоа но я о Сйо С (17) так как в этом случае г, = Тр„N о .

Используя (9) и (17), получаем величину тока источника 6 тока

30 с

I„=

Таким образом, показания реверсивного счетчика 10 на логарифмическом участке шкалы равны л Ux

)4о — ЯП

Llg

U 1 где N = — — количество квантов на лир Ви нейном участке шкалы.

На линейном участке шкалы показания счетчика 10 определяются, как

UоОх 1 Ux Ux Ux

МА йо Н + У

5и 360, Su, h„ поскольку h h - SLl

1193693

Составитель H. Зайцев

Техред О.Ващншина

Редактор Н. Пушненкова

Корректор Е. Снрохман

Заказ 7317/53

Тираж 709 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам юобретеннй н открмтий

113035, Москва, Ж-35, Раттпскан наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент",. г. Ужгород, ул. Проектная, 4

0m ггнеоааора имп. лужа 3

Фиг.2

0m прямого Рыл. конпарапюра е5еусиЬа

mVuut Й