Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к вычислительной технике, является усовершенствованием изобретения по авт.св. N 588628 и при использовании в системах преобразования и передачи информации позволяет 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 усиления, формирователь кода, группу элементов И, триггер, элемент ЗАПРЕТ, сумматор кодов. Выход блока переменного коэффициента усиления 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. Благодаря этому квантование малых сигналов производится с меньшим квантом, чем больших, вследствии чего расширяется величина динамического диапазона входного сигнала. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СО1ОЭ СОВЕТСКИХ

COLIHAЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (1Ю (ll) (51)4 H 03, M

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Г1РИ ГКНТ СССР

1 (61) 588628 (21) 4334306/24-24 (22) 02. 11.87 (46) 15 ° 07. 89. Бюл-. HE 26 (71) Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) А.И.Коников (53) 681.326(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 588286, кл. Н 03 М 1/34, 1975. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к вычислительной технике, является усовершенствованием изобретения по авт.св, 11 588628, и при использовании н сис1емах преобразования и передачи информации позволяет расширить динамиче кий диапазон входного сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь

Изобретеш е относится к нычислительной технике и может быть использонано и контрольно-измерительных, информационных и других системах.

Цель изобретения — расширение динамического диапазона входного сигнала, На фиг. 1 показана блок-схема устройства> на фиг, 2 — схема устро и тва с переменным коэффициентом усиления.

Устройстно содержит компараторы

1 перв< и ступени, блок 2 переменного ко эффициента усиления, источник 3 эталонных уров«ей, устройство 4 выделения -Tëðèåé единицы, шифратор 5 пер«ой ..«упе«и, цифроаналоговый пре2 содержит компараторы,первой и второй ступеней, шифраторы первой и второй ступеней, суммирующее и вычитающее устройства, блок переменного коэффициента усиления, формирователь кода, группу элементов И, триггер, элемент

ЗАПРЕТ, сумматор кодов. Выход блока переменного коэффициента усиления подключен к первым входам компараторов первой ступени и к одному из нходон вычитающего устройства, к первым входам сумматора кодов подключены выходы шифратора первой ступени, а к вторым — выходы группы элементов

И. Благодаря этому квантование малых сигналов производится с меньшим кнантом, чем больших, вследствие чего расширяется величина динамического диапазона входного сигнала.

1 з,п ° ф-лы, 2 ил. образователь (ЦАП) 6, вычитающее устройство 7, суммирующее устройство 8, электронный ключ 9, делитель напряжения 10, компараторы 11 второй ступени, шифратор 12 второй ступени, триггер 13, группу элементон И 14, формиронатель 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, поданаемых от источника 3, весь диапазон выходного сигнала 0 — А, делится на ряд поддиапазонов: 0 А/2"; А/2 "A/2 ; А/2 — А/2 ; ..., А/2 — А, 1494218 где k — количество компараторов в первой ступени. Для примера А = 5, k = 7. Тогда весь диапазон входного сигнала 0 — 5В разобъется на следую5 щие поддиапазоны: 0 — 39,1 м — нулевой, 39,1 — 78,1 м — первый; 78,1

156,2 м — второй; 156,2 — 312,5 мВ— третий; 312,5 — 625 м — четвертый;

625 — 1250 м — пятый; 1250 — 2500 мВ 10 шестой; 2500-5000 м — седьмой.

После срабатывания компараторов

1 первой ступени на их выходе формируется так называемый единичный код.

В k-й позиции этого кода стоит " 1", если сработал k-й компаратор, и

"0", если не сработал. В данном примере k = 1-7. Устройство 3 формирует соответствующие значения эталонных уровней — 39.1 мВ, 78.1 мВ, ..., 20

2500 мВ, устройство 4 выделения старшей единицы формирует код, имеющий

"1" только в одной позиции — соответствующей старшему сработавшему компараторуу и "0" в остальных позици- 25 ях. Этот код поступает на шифратор

5 первой ступени, который формирует двоичный код, несущий информацию о номере поддиапазона, в котором находится измеряемое напряжение. Кро- 30 ме того, код с единицей водной позиции поступает на ЦАП 6, на выходе которого образуется сигнал, равный ближайшему меньшему, чем U„ эталонному напряжению, подаваемому на компараторы 1 первой ступени. Очевидно, 35 что величина этой разности в зависимости от конкретного значения U находится в следующих пределах: 0—

39, 1 м — для нулевого и первого под- ф диапазонов 0 — 78 м — для второго;

0 — 156 м — для третьего и т.д., 0 — 2500 мВ -иодля старшего, седьмого.

Напряжение с выхода ЦАП 6 поступает на вход устройства 8, где это 45 напряжения складывается с выходным ° напряжением ключа 9. Этот ключ открыт, когда не сработал компаратор младшего уровня первой ступени, т.е. когда входное напряжение лежит в нулевом поддиапаэоне. Таким образом, на выходе суммирующего устройства 8 имеются следующие напряжения:

39,1 м — для нулевого и первого поддиапаэонов, 7891 мв - для второго. 55

156 2 м — для третьего и т.д., 2500 м — для старшего, седьмого.

Укаэанные напряжения с помощью делителя 10 делятся на Р равных частей, где P — число компараторов второй ступени, P 2, с = 2,3, ...В данном примере с = 4, P = 16. Таким образом, на выходе делителя 10 формируется сетка эталонных уровней, При этом величина кванта в второй ступени (разность между соседними эталонными уровнями) равна: 2,44 мВ для нулевого и первого поддиапазонов, 4,88 м — для второго и т.д., 156.2 м — для старшего, Таким образом, величина кванта в известном АЦП при квантовании малых напряжений лежащих в нулевом и первом поддиапазонах составляет

U цаьс

Я

К+ О где Б „; — А.

Однако в некоторых случаях такая величина динамического диапазона устройства недостаточна. Допустим, что требуется кодировать малые сигналы с квантом в 16 раз меньшьй, т.е

q = 2,44/16 = 0,15 мВ. Тогда в известной схеме должны быть сформированы

5 дополнительных поддиапаэонов: 0

2,44 м — нулевой дополнительный, 2,44 м — 4,87 м — первой дополнительный, 4,87 м — 9,75 м — второй дополнительный, 9,75 м — 19,53 мВ третий дополнительный, 19,53 мВ

39,1 м — четвертый дополнительный.

Однако технически реализовать такую схему затруднительно, поскольку требуется большое число компараторов, способных различить десятые доли мВ.

Предложенное устройство работает следующим образом.

В начале работы обнуляется триггер 13, при этом с выхода триггера на блок 2 переменного коэффициента усиления подается управляющий сигнал, устанавливающий коэффициент усиления этого устройства в единицу (один из возможных вариантов реализации блока 2 показан на фиг ° 2) °

Через некоторое время, достаточное для срабатывания компараторов, на элемент запрета подается стробирующий сигнал. На инверсный его вход подается сигнал .с выхода младшего компаратора, входящего в компараторы 1 (т.е. компаратора, на который подается минимальное эталонное напряжение, в данном примере 39,1 мВ).

Если входное напряжение лежит в стар1494 ших диапазонах, в данном примере в диапазонах 39,1-78,1 мВ1 78,1 †1,2 мВ и т.д. 2500-500 мВ, то срабатывает младший компаратор, при этом выход5 нои сигнал младшего компаратора запрещает прохождение стробирующего сигнала на S-вход триггера, т.е. триггер остается в прежнем состоянии, соответственно, блок 2 имеет как и прежде коэффициент усиления равный единице. Далее предлагаемое устройство работает также, как и известное.

Рассмотрим лучай, когда напряжениу Ь „ меньше младшего эталонного уровня, подаваемого на компараторы

1, т.е ° в данном примере меньше

39,1 мВ. Тогда стробирующий сигнал проходит на S-вход триггера и уста20 навливает его в единичное состояние, приэтом коэффициент усиления блока

2 установится равным Ку, в данном случае К = 16. Напряжения, лежащие в нулевом дополнительном поддиапазо- 25 не, перемещаются в нулевой основной поддиапазон, напряжения, лежащие в первом дополнительном поддиапазоне, перемещаются в первой основной поддиапазон и т.д, В данном примере

О, — 2 44 м †------- — — 0 — 39 1 мВ э э 1

2 44 — 4 87 мВ ------ — 39 1 мВ э 1 Э

78,1 мВ и т.д.

Далее предлагаемая схема работает аналогично известной, В устройстве производится предварительное сжатие выходной информации.

Положим, что входное напряжение

U > лежит в старших поддиапазонах, т.е, в течение преобразования коэф- 40 фициент усиления блока 2 равен единице. В этом случае информация о выходном коде содержится в выходных сигналах трех элементов: шифратора

5 (информация о номере подциапаэона, 45 в котором находится входное напряжение), шифратора 4 2 (информация о номере интервала, внутри данного поддиапазона)и триггера 13 (информация о том, что массштабировайия не 50 было). Для получения из этих сигналов обычного позиционного двоичного кода (ПДК) необходимо сдвинуть код, снимаемый с шифратора 12 на М единиц влеВо где М вЂ” десятичный эквивалент кода первой ступени, снимаемого с шифратора 5. Так, если код на выходе шифратора 5 равен 00 1, то необходимо сдвинуть код на выходе шифратора 12

218 6 на один разряд влево, е ли 010 на два разряда и т.д. Полагается, что сдвиг осуществляется устройством обработки, стоящим на выходе АЦП.

Допустим, входное напряжение U лежит в младшем поддиапазоне,в данном примере 0-39,1 мВ, Тогда коэффициент усиления блока 2 равен К (К =

16). В этом случае необходимо произвести два сдвига кода, снимаемого с шифратора 12 для получения в качестве выходного кода обычного ПДК: первый сдвиг на Т единиц вправо, этот сдвиг учитывает масштабирование, в данном примере Т = 4; второй сдвиг на M единиц влево, этот сдвиг обусловлен причинами, описанными при рассмотрении первой ситуации. В данном устройстве предлагается алгебраически просуммировать эти два сдвига для того, чтобы предварительно сжать информацию и облегчить работу стройства обработки ° Для этого код сдвига вправо записывается в дополнительном коде в формирователе 15, в качестве которого могут быть использованы линейка перемычек, простейшее ПЗУ и т.п. С сумматора 16 кодов снимает— ся результирующий код, несущий информацию о сдвиге, который следует осуществить с кодом шифратора 12.

Как видно из чертежа, алгебраическое суммирование (или по сути вычитание) кодов осуществляется только в том случае, когда производится масштабирование, в противном случае выходной сигнал триггера 13 не пропускает код формирователя 15 на вход сумматора

16 кодов и с выхода этого сумматора имеется тот же код, что и с выхода шифратора 5. Операции по суммированию кодов не влияют на общее быстродействие, так как они производятся во время работы второй ступени.

Положительный эффект от использования предлагаемого у тройства заключается в том, что в Ку раз снижаеуся величина минимального измеряемого напряжения н соответственно увеличивается динамический диапазон входного сигнала. В 7-разрядном

АЦП величина динамического диапазона, измеряемая как U ö„ä U „„U мнн qý, увеличилась в 16 раз по сравнению с известной. Одновременно производится сжатие информации о выходном сигнале, благодаря чему облегчается последующая обработка сигнала АЦП.

1494218

Ф о р.м у л а и з о б р е т е н и я л

1. Аналого-цифровой преобразователь по авт.св, 588628, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона входного сигнала, в него введены триггер, элемент ЗАПРЕТ, формирователь кода, группа элементов И, сумматор кодов, блок переменного коэффициента усиления, информационный вход которого является входной шиной, выход соединен с вторыми вхоодами компараторов первой ступени и вторым входом вычитающего устройства, управляющий вход подключен к выходу триггера и объединен с первыми входами группы элементов И, вторые входы которой подключены к соответствующим выходам формирователя кода, а выходы соединены с первыми входами сумматоров кодов соответственно, вторые входы которого подключены к соответствующим выходам шиф- 25 ратора первой ступени, а выходы являются выходной шиной, причем R-вход триггера является шиной обнуления, Ь-вход подключен к выходу элемента

ЗАПРЕТ, инверсный вход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, а прямой вход является шиной стробирования, 1

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что блок переменного коэффициента усиления выполнен на операционном усилителе, двух резисторах и ключе, информационный вход которого объединен с первым выводом первого резистора, подключен к выходу операционного усилителя и является выходом блока, информацион-ным входом которого является неинвертирующий вход операционного усилителя, инвертирующий вход которого объединен с вторым выводом первого резистора, подключен к выходу ключа и через второй резистор соединен с общей шиной, а управляющий вход ключа является управляющим входом блока.

1494218

Составитель В.Махнанов

Техред М. Дидык Корректор Т.Малец

Редактор Л.Пчолинская

Заказ 4130/56

Тираа S84

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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