Комбинаторно-каскадный аналого-цифровой преобразователь
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам для преобразования напряжения постоянного тока в однопеременный двоичный код Целью изобретения является повышение надежности tf технологичности . Новым является то, что каждый каскад снабжен блоком контроля четности, входы которого соединены с выходами компараторов, а выход является выходом каскада и связан с одним из k разрядов выхода АЦП. Кроме того, делитель состоит из k последовательно соединенных групп резисторов с одинаковым суммарным сопротивлением резисторов в любой группе и с комбинаторным соотношением между величинами сопротивлений резисторов , при этом количество компараторов в кас каде четно и не превышает (2 -2)К Указанные отличия позволяют строить разнообразные варианты комбининаторных АЦП - от параллельных АЦП и до АЦП поразрядного преобразования - на общей каскадной основе, варьируя количество каскадов и вводя соответствующее количество управляемых ключей для циклического перемещения групп резисторов в делителях каскадов. 5 ия
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам
g ) Ъ-ф
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К ПАТЕНТУ (21) 4947065/24 (22) 21.06.91 (46) 15.12.93 Бюл. Йв 45-46 (76) Фомин Владислав Васильевич (54) КОМБИНАТОРНО-КАСКАДНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам для преобразования напряжения постоянного тока в однопеременный двоичный код. Целью изобретения является повышение надежности и технологичности. Новым является то, что каждый каскад снабжен блоком контроля четности, входы которого соединены с выходами компараторов, а выход является выходом каскада и связан с одним из k раз— (в) RU (и) 2ÎÎ4941 Cl (51) 5 НОЗМ1 42 рядов выхода АЦП. Кроме того, делитель состоит иэ k последовательно соединенных групп резисторов с одинаковым суммарным сопротивлением резисторов в любой группе и с комбинаторным соотношением между величинами сопротивлений резисторов, при этом количество компараторов в касk каде четно и не превышает (2 — 2)К. Указанные отличия позволяют строить разнообразные варианты комбининаторных АЦП вЂ” от параллельных АЦП и до АЦП поразрядного преобразования — на общей каскадной основе, варьируя количество каскадов и вводя соответствующее количество управляемых ключей для циклического перемещения групп резисторов в делителях каскадов. 5 ил.
2004941
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам для преобразования аналоговой информации (в виде напряжения постоянного тока) в двоичный код.
Известен К-тактный К-каскадный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с переменными порогами, состоящий из последовательно соединенных идентичных каскадов. Каждый каскад содержит, во-первых, компаратор, логический выходной сигнал которого зависит от знака разности между входным напряжением АЦП и пороговым напряжением каскада и определяет сигнал в соответствующем разряде выходного кода АЦП, и, во-вторых, одноразрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для формирования порогового напряжения последующего каскада.
Недостатками аналога являются его сложность и невысокое быстродействие, обусловленные наличием ЦАП (или опера ционного усилителя с соответствующим коэффициентом передачи) в каждом каскаде, а также многократным последовательным срабатыванием последних в процессе пре- образования.
Известен К-разрядный многотактный однокаскадный АЦП с переменными порогами, единственный каскад которого представляет собой малоразрядный (М-разрядный) параллельный АЦП, Выходной код последнего с помощью ЦАП преобразуется в опорное напряжение для работы каскада на следующем такте преобразования, когда определяются очередные М разрядов выходного кода АЦП, при общем количестве тактов, равном К/М.
Недостатками аналога являются его сложность и невысокое быстродействие, что предопределяется наличием (и многократным срабатыванием в ходе каждого преобразования) ЦАП в составе АЦП, Известен Р-тактный однокаскадный
АЦП с переменными порогами, единственный каскад которого содержит резистивный делитель опорного напря>кения для формирования пороговых напряжений, набор компараторов, каждый иэ которых одним входом соединен с входом АЦП, а другим входом с соответствующим выходом делителя, а также блок выделения граничного иэ сработавших компараторов и преобразования его "номера" в соответствующий символ кода поля Галуа (цепного кода из 2Р символов "0" и "1"), АЦП содержит также два многостабильных элемента, которые введены в цепи питания делителя опорным напряжением и в процессе каждого преобразования под воздействием тактовых импульсов поочередно принимают P состояний, соответственно изменяя пороговые напряжения компараторов, При этом на выходе АЦП вырабатывается комбинация иэ
P соседних символов цепного кода, которая — в силу своей единственности благодаря
"0 свойствам цепного кода — однозначно указывает принадлежность преобразуемого напряжения тому или иному из 2Р интервалов квантования. Недостатками аналога являются "жесткость" его структуры, выражающаяся в отсутствии каких-либо иных вариантов его применения, а также неоднопеременность соседних выходных кодовых комбинаций (посылок), К недостаткам аналога можно отнести также схемотехническую сложность реализации многостабил ьных элементов.
Наиболее близким па технической сущности является принятый за прототип одно25 тактный (т,е. параллельный) двухкаскадный
АЦП, каждый каскад которого представляет собой малораэрядный параллельный АЦП и содержит резистивный делитель опорного напряжения для формирования пороговых напряжений, набор компараторов, каждый иэ которых соединен одним входом с входом АЦП в целом, а другим входом с соответствующим выходом делителя, а также устройство кодирующей логики для преобразования "термометрического" выходного кода компараторов (т.е. количества сработавших компараторов) в двоичный код. В цепях питания делителей каскадов установ40 лены резисторы, сопротивления которых выбраны таким образом, что, во-первых, пороговые напряжения в каждом каскаде различаются между собой на величину, равную (кратную) удвоенному интервалу квантова45 ния входного сигнала, и, во-вторых, пороговые напряжения одного каскада смещены относительно соответствующих пороговых напря>кений другого каскада на величину. равную интервалу квантования. Благодаря взаимному перекрытию, возникающему вследствие указанных удвоения и смещения, кодовая шкала АЦП в целом имеет равномерный (линейный) характер. Для согласования работы каскадов в АЦП введен сумматор кодов, входы которого соединены с выходами каскадов, а выходы являются выходами АЦП, а также дополнительный компаратор, учитывающий минимальный (равный интервалу квантования) уровень входного сигнала и связанный выходом с входом переноса сумматора, 2004941
Недостатком прототипа является "жесткость" его структуры, выражающаяся в отсутствии каких-либо иных вариантов его построения и применения. Кроме того, к недостаткам прототипа можно отнести также его схемотехническую сложность, связанную с наличием сумматора кодов и дополнительного компаратора и с необходимостью в относительно сложном устройстве кодирующей логики.
Целью изобретения является повышение надежности и технологичности за счет обеспечения однородности структуры каскадов в разнообразных вариантах комбинированного АЦП, а также упрощение АЦП, преимущественно в части устройств кодирующей логики каскадов.
Цель достигается тем, что в комбинаторно-каскадный преобразователь, содержащий каскад в виде малоразрядного аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого является входной шиной, при этом каскад содержит резистивный делитель и блок компараторов, первый вход которого является первым входом каскада, а вторые входы соединены с соответствующими выходами реэистивного делителя введены M-1 дополнительных каскадов, где 1 1)-й и (i + (j — 1) х Mj-й групп резисторов, i-ro каскада, где i е(1, М), à j c(1, К/M)соединены соответственно с первым и вторым выходами j-ого аналогового переключателя, первый и второй входы аналоговых переключателей являются соответственно шиной опорного напряжения и шиной нулевого потенциала, а второй вывод !-й группы резисторов каждого !-ого каскада, где c (1, К), кроме первой и ((! + (! — 1) х М)+ 1}-й групп соединен с третьим выводом — 1й группы резисторов, второй вывод первой группы резисторов каждого кагкада — с третьим вывсдОм К-й группы резисторов со5 50 ответствующего каскада, при этом управляющие входы аналоговых перек..ючателей являются шиной управления преобразователя, На фиг. 1 и 4 представлены принципиальные схемы каскадов АЦП соответственнос К=-5ис К=б: í-фиг. 2 и 3 — схемы соответствен но однота ктно го К-каскадного АЦП и К-тактного однокаскадного АЦП для К = 5; на фиг. 5 — схема (К/М)-тактного М-каскадного АЦП для К = 6. M = 3. Принцип действия АЦП основан на формировании равномерной (линейной) шкалы квантования входного сигнала путем композиции К неравномерных шкал, причем эти шкалы образуются в результате циклического (поочередного) перемещения одного из К участков соответствующей (одной и той же) комбинаторной шкалы с конца шкалы в ее начало или наоборот. Роль комбинаторной шкалы выполняет резистивный делитель опорного напряжения АЦП, состоящий из К последовательно соединенных групп резистОрОВ с Одинаковым суммарным сОпрОтивлением резисторов в любой группе и с комбинаторным соотношением между величинами сопротивлений резисторов. Практическое построение указанных неравномерных шкал реализуется посредством образования К резистивных делителей иэ соответствующего кольца с К группами резисторов путем разрыва кольца в каждой иэ К перемычек, соединяющих группы, и подключения источника опорного напряжения к точкам разрыва. Комбинаторный подход Обеспечивает как однородность (каскадность) АЦП, так и возможность построения (и даже перестроения в процессе эксплуатации) разнообразных структурных вариантов АЦП на общей основе, тем более что даже для фиксированного К задача построения основополагающей комбинаторной шкалы имеет много решений. Принадлежность входного сигнала тому или иному интервалу шкалы квантования фиксируется по срабатыванию соответствующих компараторов, входы которых связаны с входом ЛЦП и с соответствующими выводами делителя. Количество интервалов квантования (разрядность АЦП) непосредственно связано с количеством компараторов в любом из одинаковых кас:<адов АЦП. Заявляемый АЦП построен таким образом, что количество компараторов в каскаде— независимо от количества каскадов — всегда является четным. Принципиальная схема Одного иэ вариантов каскада для АЦП с К =- 5 приведена на 2004941 фиг. 1. Каскад 1 состоит из источника пороговых напряжений в виде резистивного делителя 2, набора компараторов 3 и блока контроля четности 4. Делитель 2 содержит небольшое количество резисторов и представляет собой последовательное соединение пяти групп резисторов с одинаковым— равным 6R-суммарным сопротивлением резисторов в любой группе и с комбинаторным соотношением между величинами сопротивлений резисторов в делителе. Источник опорного напряжения включен в разрыв одной иэ пяти внешних перемычек, соединяющих (эакольцовывающих) указанные группы, Выходы делителя 2 соединены с соответствующими входами шести компараторов, составляющих набор 3. Другой вход каждого из компараторов соединен с входом АЦП. Выходы компараторов набора 3 соединены с входами блока контроля четности 4, который заменяет устройство кодирующей логики и может быть выполнен в различных вариантах, например, на базе операционного усилителя с малой величиной линейного участка характеристики и с соответствующим начальным смещением рабочей точки, один вход которого соединен с выходами компэраторов одной четности, а другой вход соединен с выходами компараторов противоположной четности. Прямой (или инверсный) выход блока 4 является выходом каскада, несущим информацию об одном разряде выходного однопеременного кода АЦП, Блок-схема однотактного (т,е, параллельного пятикаскадного АЦП с К = 5 приведена на фиг, 2. Источник опорного напряжения постоянно подключен к каждому из пяти одинаковых каскадов 1 и в разрыв соответствующей (данному каскаду) внешней перемычки, соединяющей группы резисторов делителя каскада. Соответствующие выходы каскадов образуют пятиразрядный выход АЦП. Блок-схема пятитактного(т.е, поразрядного) однокаскадного АЦП с I =5 приведена на фиг. 3. Помимо единственного каскада 1 АЦП содержит пять управляемых аналоговых переключателей, 5.1-5.К Нормальнозамкнутые контакты переключателей 5, 5.1-5.2 образуют внешние перемычки между группами резисторов делителя каскада 1, а нормально-разомкнутые контакты переключателей связывают точки разрыва соответствующей перемычки с источником опорного напряжения. Принципиальная схема одного иэ вариантов каскада для АЦП с К =-6 приведена на 55 ствует шести интервалам квантования входного сигнала. Благодаря комбинаторному соотношению между величинами сопротивлений резисторов делителя 2 получаемая таким образом совокупность пороговых напряжений накрывает весьдиапазон изменефиг. 4. Каскад 1 также состоит из источника пороговых напряжений в виде резистивного делителя 2, набора компараторов 3 и блока контроля четности 4. Делитель 2 представляет собой последовательное (кольцевое) соединение шести групп резисторов с одинаковым — равным BR — суммарным сопротивлением резисторов в любой группе и с комбинаторным соотношением между величинами сопротивлений резисторов в делителе. Источник опорного напряжения постоянного тока включен в разрыв одной иэ шести внешних перемычек, соединяюших (закольцовывающих) указанные группы. Выходы делителя 2 соединены с соответствующими входами восьми компараторов, составляющих набор 3. Другой вход каждого из компараторов соединен с 20 входом АЦП. Выходы компараторов набора 3 соединены с входами блока контроля четности 4, выполненного, например, в виде последовательно соединенных логических схем 2И вЂ” НЕ, Прямой (или инверсный) выход блока 4 является выходом каскада, несущим информацию об одном разряде выходного однопеременного кода АЦП. Блок-схема двухтактного трехкаскадноr0АЦП с К =6 приведена на фиг, 5. Помимо трех каскадов 1 АЦП содержит два аналоговых управляемых переключателя 5.1 и 5.2. Нормально-замкнутые контакты переключателей 5.1 и 5.2 образуют внешние пере35 мычки между группами резисторов делителей каскадов 1, а нормально-разомкнутые контакты переключателей связывают точки разрывов соответствующих перемычек с источником опорного напряже40 ния. Преобразователь работает следующим образом (на примере АЦП с К = 5 и К = 6). Как видно из фиг, 1, при поочередном подключении источника опорного напряжения к точкам, образующимся вследствие разрыва одной (и только одной) из пяти внешних перемычек каскада 1 между пятью группами резисторов в делителе 2, на вхо50 дах компараторов набора 3 соответственно изменяются (сдвигаются) пороговые напряжения. Это изменение равно (кратно) падению напряжения на любой группе резисторов делителя 2 и при К = 5 соответ2004941 ния входного сигнала с шагом, равным одному интервалу квантования (см. ниже) 17 1 28 24 23 4 26 5 11 27 3 19 . 25 16 22 12 18 8 14 29 21 13 10 б Числа в каждой из строк указывают пороговые напряжения — в единицах, соответствующих одному интервалу квантования— на входе соответствующего компаратора из набора 3 при подключении источника опорного напряжения на место внешних перемычек каскада 1 в порядке следования перемычек (и компараторов) на фиг. 1 сверху вниз и с полярностью, также указанной на фиг. 1. Для любого значения входного сигнала из диапазона преобразования, разбитого на 30 интервалов квантования, и в соответствии с приведенной таблицей, пороговых напряжений — в зависимости от подключения источника опорного напряжения — происходят срабатывания компараторов с меньшим пороговым напряжением. При этом в зависимости от четности количества сработавших компараторов (в соответствующем каскаде и/или на соответствующем такте преобразования) и от приписывания четности символа "0" или "1" на выходе АЦП в целом формируется одна из 30-ти различных пятиразрядных комбинаций символов "0" и "1". Приводимая ниже таблица иллюстрирует работу ЛЦП при К = 5 и указывает для тех или иных значений входного сигнала, отнесенных к одному из 30-ти интервалов квантова н ия, и в. соответствии с та бл и цей пороговых напряжений; — количество сработавших компараторов при каждом из пяти вариантов подключения источника опорного напряжения в разрыв той или иной перемычки (в соответствующем — из пяти — каскад и/или на соответствующем — из пяти — тактов преобразования); — выходной код, однозначно соответствующий указанному интервалу значений входного сигнала и определяемый в зависимости от приписывания четному количеству сработавших компараторов символа "0" или "1", что непосредственно видно из таблицы. 10 В варианте АЦП, показаннол1 i.ç 1иг. 2, все его пять каскадов 1 одновременно — как в параллельном АЦП вЂ” формируют соответству|ощие сигналы для пяти двоичных разрядов, совокупность которых — в зависимости от величины входного сигнала — образует параллельный выходной код, т.е. шифр соответствующего интервала значений входного сигнала. Это формирование происходит в соответствии с приведенной выше таблицей пороговых напряжений и обеспечивается присоединением источника опорного напряжения в разрывы различных — для различных каскадов — перемычек делителя каждого каскада (при замкнутых остальных четырех перемычках а каждом из каскадов). В варианте, показанном на фиг. 3, един20 ственный каскад 1 при некотором входном сигнале последовательно — за пять тактов, как в АЦП поразрядного преобразования— формирует соответствующие сигналы, например, для поочередного занесения их в соответствующие разряды дополнительного выходного регистра. Это может обеспечиваться синхронным переключениел1 источника опорного напряжения B разрывы соответствующих перемычек делителя каскада 1 (при замкнутых остальных перемычках) и разрешением записи выходного сигнала каскада 1 на данном так ге преобразования в соответствующий разряд выход35 ного регистра. Как видно из фиг. 4, при поочередном подключении источника опорного напряжения к точкал1, образующимся при раэмыкании одной (и только одной) из шести 40 внешних перемычек каскада 1 между шестью группами резисторов в делителе 2, на входах компараторов набора 3 соответственно изменяются (сдвигаются) пороговые напряжения. Это изменение равно (кра1но) падению напряжения на любой группе резисторов делителя 2 или при К = б соответствует восьми интервалам квантования входного сигнала. Благодаря комбинаторному соотношению между величинами сопротивлений резисторов делителя 2 получаемая таким образом совокупность flopof.oBblx напряжений накрывает весь диапазон изменения входного сигнала с ша55 гом, равным одному интервалу квантования, в соответствии с приведенными ниже данными 43 3 11 19 27 35 39 47 7 15 23 31 32 40 0 8 16 24 2004941 меньшим пороговым напряжением, При этом в зависимости от четности количества сработавших компараторов (в соответствующем каскаде и/или на соответствующем такте преобразования) и от приписывания четности символа "0" или "1" на выходе АЦП в целом формируется одна иэ 48-ми различных шестиразрядных комбинаций символов 0 или 1 В варианте АЦП с К = 6, М = 3, показанном на фиг, 5, три каскада 1 при некотором входном сигнале последовательно — за два такта — формируют соответствующие сигна15 30 38 46 6 14 22 25 33 41 1 9 17 21 29 37 45 5 13 18 26 34 42 2 10 4 12 20 28 36 44 Числа в строках указывают пороговые напряжения — в единицах, соответствующих одному интервалу квантования — на входе одного и того же компаратора из набора 3 при последовательном подключении источника опорного напряжения на место внешних перемычек каскада 1 в порядке следования перемычек (и компараторов) на фиг. 4 сверху вниз и с полярностью, также показанной на фиг. 4. Для любого значения входного сигнала из диапазона преобразования, разбитого на 48 интервалов квантования, и в соответствии с приведенными данными пороговых напряжений — в зависимости от подключения источника опорного напряжения — происходят срабатывания компараторов с (56) Аналого-цифровые преобразователи под ред, Г. Д. Бахтиарова, M.: Советское радио, 1980, с. 184-185. 20 Экспресс-информация ВИНИТИ; Контрольно-измерительная техника, 1983, № 39, с, 15-19. Авторское свидетельство СССР ¹ 1372621, кл. Н 03 М 1/36, 1988. Авторское свидетельство СССР ¹ 1300635, кл. Н 03 M 1/36, 1987, Входной сигнал Количество с аботавших компа ато ов Выхо ной код 0 — 1 10101 10111 00111 00011 01010 2 — 3 3 — 4 4 — 5 5 — 6 6 — 7 11010 7 — 8 11011 8 — 9 5 ) 4 9 — 10 10 — 11 11 — 12 12 — 13 13 — 14 14 — 15 15 — 16 16 — 17 17 — 18 18 - 19 19-20 20 -21 1001 10001 00001 00101 01101 11101 11001 10010 к 1 t100 2004941 Продолжено табл 1цч Формула изобретения КОМБИНАТОРНО-КАСКАДНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий каскад в виде малораэрядного аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого является входной шиной, при этом каскад содержит резистивный делитель и блок компараторов, первый вход которого является первым входом каскада, а вторые входы соединены с соответствующими выходами резистивного делителя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и технологичности, в него введено М - 1 дополнительных каскадов, где 1 < М s К, Кразрядность выходного двоичного кода, М - делитель К, и К /M аналоговых переключателей при М < К, причем в каждый каскад введен блок контроля четности, входы которого соединены с соответствующими выходами блока компараторов, выход является выходной шиной преобразователя, а реэистивный делитель выполнен из К групп резисторов с одинаковым суммарным сопротивлением в группе и комбина-t 5 торным соотношением между. сопротивлениями в группе, первые выводы каждой группы реэис оров каждого каскада являются выходами резистивного делителя соответствующего каскада, а второй и "0 третий выводы соответственно {(I + (j - 1) ° Mj+ 1)-й и (i + (j - 1) M)-й групп резисторов I-го каскада, где 1 < i < М, соединены соответственно с первым и вторым выходами j-го аналогового переключателя, где 1 < j < К / М, первый и второй входы аналоговых переключателей являются соответственно шиной опорного напряжения и шиной нулевого потенциала, а второй вы20 вод 1-й группы резисторов каждого I-го каскада, где 1 I < К, кроме первой и ((i + (j— 1) ° М) + 1}-й групп резисторов, соединен с третьим выводом (! - 1)-й группы резисторов, а второй вывод первой группы реэи25 сторов i-го каскада - с третьим выводом К-й группы резисторов соответствующе о каскада, при этом управляющие входы, аналоговых переключателей являются шиной управления преобразователя. 2004941 гоож U8. 2004941 2004941 Составитель В.Ромин Техред М.Моргентал Ред,:,тор В.Трубченко Корректор Н.Милюкова Заказ 3397 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уп.гагарина. 101
