Аналого-цифровой преобразователь с плавающей запятой

 

Изобретение относится к сейсморазведке и может быть использовано в качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой многоканальной аппаратуре. Цель изобретения - увеличение динамического диапазона АЦП и его упрощение. Цель достигается тем, что в АЦП с плавающей запятой, содержащей АЦП, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения, блок управления, постоянное запоминающее устройство, регистр кода порядка, входную шину и выходные шины кода порядка и мантиссы, введены регистр кода усиления и аналоговый переключатель. 2 табл. , 4 ил.

Изобретение относится к сейсморазведке и может быть использовано в цифровой многоканальной сейсморазведочной скважинной аппаратуре.

Известно устройство, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), усилитель с программируемым коэффициентом усиления, схему управления [1] .

Недостатками известного устройства являются невысокое быстродействие и сложность конструкции. Невысокое быстродействие обусловлено тем, что для определения порядка измеряемой величины требуется до 12 тактов, каждый из которых включает операцию преобразования аналоговой величины в цифровую. Сложность конструкции обусловлена применением двухкаскадного усилителя. Для обработки сейсмических сигналов, имеющих большой динамический диапазон (более 100 дБ), максимальное усиление должно быть не менее 72 дБ (4096 раз). Однокаскадный усилитель с таким коэффициентом усиления имеет время установления, значительно превышающее допустимое. Поэтому в известном устройстве применен двухкаскадный усилитель, в котором максимальное усиление каждого каскада равно 64. Это усложняет конструкцию и не позволяет применять устройство в многоканальной скважинной аппаратуре.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа АЦП с плавающей запятой, содержащий АЦП, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения, блок управления, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), регистр кода порядка, аналоговый вход, выходы, выход кода порядка и выход кода мантиссы [2] .

Недостатком известного АЦП с плавающей запятой является сложность конструкции, обусловленная применением двух АЦП: одного для измерения мантиссы, другого для измерения порядка, причем второй является параллельным, что еще более усложняет конструкцию. Недостатком известного АЦП является также невозможность обработки им сейсмических сигналов с динамическим диапазоном более 100 дБ.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона АЦП с плавающей запятой и его упрощение. Упрощение конструкции достигается за счет использования для измерения порядка и мантиссы одного АЦП, а увеличение динамического диапазона достигается за счет того, что усиление сигнала производится однокаскадным усилителем в два этапа.

На фиг. 1 представлена блок-схема АЦП с плавающей запятой; на фиг. 2 - блок-схема программируемого усилителя; на фиг. 3 - блок-схема блока управления; на фиг. 4 - временная диаграмма работы АЦП с плавающей запятой.

АЦП с плавающей запятой (фиг. 1) содержит АЦП 1, ПЗУ 2, устройство 3 выборки и хранения, регистр 4 кода усиления, регистр 5 кода порядка, переключатель 6, программируемый усилитель 7, блок 8 управления, вход 9, первый и второй выходы 10 и 11. На первом выходе 10 формируется цифровое значение порядка (Р), а на втором выходе 11 - цифровое значение мантиссы (М) измеряемой величины. Результат измерения (А) представляется в виде числа с плавающей запятой, имеющего вид А = ±М ^. 2^-Р.

В качестве АЦП 1 может быть применен серийный АЦП, имеющий достаточное быстродействие и необходимое число разрядов для кодировки мантиссы М (например, десятиразрядный АЦП типа 1113ПВ1, бКО. 347.365-01 ТУ, включенный в биполяpном режиме). При этом М кодируется девятью двоичными разрядами, а десятый разряд является знаком числа. Такой АЦП содержит аналоговый вход 12, на который подается измеряемое напряжение, и цифровой управляющий вход 13, при подаче на который сигнала активного уровня АЦП начинает преобразование. Через промежуток времени, равный времени преобразования, на его информационных выходах формируется результат измерения в виде двоичного числа со знаком. При снятии активного уровня сигнала с управляющего входа 13 АЦП переходит в состояние ожидания, а его информационные выходы устанавливаются в третье состояние.

ПЗУ 2 предназначено для хранения кодов усиления и кодов порядка. В качестве ПЗУ могут быть применены микросхемы типа 556РТ5 (бКО. 347.239-05 ТУ).

Устройство 3 выборки-хранения предназначено для хранения аналогового сигнала. Логический "0" на управляющем входе 14 устройства переводит его в режим выборки, при этом сигнал с аналогового входа 15 поступает на его запоминающий элемент. Логическая "1" на управляющем входе 14 переключает устройство выборки-хранения в режим хранения. При этом на его выход поступает сигнал с элемента хранения. В качестве устройства 3 выборки-хранения может быть применено устройство типа 1100СК2Б (бКО. 347.324 ТУ).

Регистры 4 и 5 представляют собой параллельные регистры, выполненные на двухтактных триггерах, информация в которые заносится по фронту сигналов, поступающих на входы 16 и 17 записи. Активный уровень сигнала на входах 18 и 19 сброса устанавливает регистры в нулевое состояние. Особенностью регистра 4 является наличие инвертирующего управляющего входа 20, позволяющего инвертировать содержимое регистра. При подаче на этот вход логического "0" информация на выход регистра поступает без изменений, логическая "1" на этом входе инвертирует содержимое регистра. В качестве регистра 4 можно использовать микросхему типа 588ИР1 (бКО. 347.367-07 ТУ), а для регистра 5 можно использовать 564ИР9 (бКО. 347.064 ТУ1).

Переключатель 6 при подаче логического "0" на его цифровой код 21 подключает к своему выходу вход 22, а при логической "1" к выходу подключается вход 23. Переключатель реализован на микросхеме 590КН4 (бКО. 347.000-05 ТУ).

Программируемый усилитель 7 имеет аналоговый вход 24 и вход управления. На вход управления подается код усиления. Примером реализации программируемого усилителя 7 является схема, приведенная на фиг. 2. В состав такого усилителя входят умножающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 25 и прецизионный быстродействующий операционный усилитель 26 (подобная структура программируемого усилителя предложена в работе Титце У. , Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М. : Мир, 1982, с. 452, рис. 24.16). Коэффициент усиления такого усилителя равен K= - N_макс/N , здесь N_макс = 2n, где n - число двоичных разрядов ЦАП: N - двоичное число, поступающее на цифровые входы ЦАП.

В качестве умножающего ЦАП 25 применена микросхема 572ПА1 (бКО. 347.182 ТУ1), для которой n = 10. Из всех возможных значений К выбирают необходимые для работы предлагаемого АЦП. Эти значения и соответствующие им двоичные коды N на входе ЦАП приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, четыре младших разряда кода во всех случаях имеют одинаковые значения, поэтому они объединены и сигнал на них поступает по одной шине. Управление коэффициентом усиления усилителя 7 производится словом длиной 7 бит.

Операционный усилитель 26 может иметь структуру, предложенную в работе Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л. : Энергоатомиздат, 1988, с. 51, рис. 1.22. Его низкочастотный канал выполняется на операционном усилителе типа 140УД17 (бКО. 347.004 ТУ 17), а высокочастотный - на 544УД2 (бКО. 347.040 ТУ).

Блок 8 управления может являться составной частью устройства управления системы сбора и обработки аналоговой информации, в состав которой входит предлагаемый АЦП. Если оно используется самостоятельно, то блок управления должен входить непосредственно в состав АЦП. Один из примеров технического решения блока управления приведен на фиг. 3. В его состав входят генератор 27 тактовых импульсов, распределитель 28 импульсов, комбинационная схема, собранная на элементах ИЛИ 29-31, одновибратор 32. Генератор 27 может быть выполнен по схеме, предложенной в работе Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. - Челябинск: Металлургия, 1989, с. 214, рис. 2.21а. Он вырабатывает тактовые импульсы (ТИ). Их период задает длительность такта работы АЦП. Как показано ниже, количество тактов, необходимое для одного измерения (цикл измерения), для предлагаемого АЦП равно восьми. Такты пронумерованы от нулевого до седьмого. Они показаны на временной диаграмме работы АЦП (фиг. 4). Цикл измерения начинается нулевым тактом и заканчивается седьмым тактом. За седьмым тактом следует нулевой такт следующего цикла измерений.

На временной диаграмме (фиг. 4) показаны также сигналы, которые должен вырабатывать блок 8 в каждом такте. Номер такта определяется состоянием распределителя 28 импульсов. Единичный сигнал на одном из его выходов, обозначенных цифрами, указывает номер текущего такта. Распределитель представляет собой последовательно соединенные двоичный счетчик, считающий до восьми, и дешифратор на восемь выходов. Такую структуру имеет микросхема 564ИЕ9 (бКО. 347.064 ТУ8).

Блок 8 управления работает следующим образом.

С приходом ТИ на С-вход распределителя 28 последний переходит в следующее состояние, благодаря чему единица с одного из его выходов передвигается на следующий. Некоторые сигналы с выхода распределителя поступают непосредственно на выход блока 8 управления. Это происходит, когда управляющий сигнал должен быть активным только в одном такте. Например, сигнал, поступающий на вход 19 регистра 5, должен быть активен только в нулевом такте. Поэтому этот сигнал снимается непосредственно с нулевого выхода распределителя 28. Если сигнал должен быть активен в нескольких тактах, то он является логической суммой сигналов этих тактов. Например, сигнал, поступающий на вход 13 АЦП 1, активен в первом, четвертом и седьмом тактах. Поэтому он формируется элементом ИЛИ 29, к входам которого подключены первый, четвертый и седьмой выходы распределителя 28 импульсов.

Сигнал установки в ноль на входе 18 регистра 4 в четвертом такте должен иметь длительность меньше длительности такта. Поэтому он формируется одновибратором 32, запускаемым сигналом с четвертого выхода распределителя 28. В качестве одновибратора может быть использована микросхема 564АГ1 (бКО. 347.064 ТУ32). Выход одновибратора подключен к входу элемента ИЛИ 30. Логические элементы ИЛИ 29-31 могут быть выполнены на микросхеме 564ЛС2 (бКО. 347.064 ТУ7).

Управление устройством 3 выборки-хранения и переключателем 6 производится сигналом, снимаемым с выхода переноса распределителя 28 импульсов. Он активен с четвертого по седьмой такты.

Предлагаемый АЦП работает в соответствии с временной диаграммой, приведенной на фиг. 4.

Цикл преобразования состоит из восьми тактов. В нулевом такте АЦП с плавающей запятой переводится в исходное состояние. Первый, второй, третий и четвертый, пятый, шестой такты являются соответственно первым и вторым этапами определения порядка. В конце шестого такта в АЦП сформированы порядок числа в цифровом виде и мантисса в аналоговом виде. В седьмом такте происходит преобразование мантиссы в цифровой код, после чего на выходах 10, 11 формируется двоичное число с плавающей запятой, являющееся результатом измерения аналогового сигнала, поступающего на вход 9 в первом, втором и третьем тактах данного цикла преобразования.

В предлагаемом АЦП применен однокаскадный усилитель с коэффициентом усиления, изменяющимся ступенями через 6 дБ в соответствии с табл. 1. Усиление сигнала производится в два этапа. На первом этапе измеряемый сигнал поступает на вход 24 усилителя 7, усиливается в К1 раз и запоминается в устройстве 3 выборки-хранения. На втором этапе вход 24 усилителя 7 подключается к выходу устройства 3 и происходит усиление сигнала в К2 раз. Коэффициент усиления такого усилителя равен К = К1 ˙К2. К1 и К2 являются функцией амплитуды измеряемого сигнала. Их закодированные значения извлекаются из ПЗУ 2, на адресный вход которого поступает аргумент (значение входного сигнала) в цифровом виде с АЦП 1.

В нулевом такте блок 8 управления вырабатывает сигналы сброса, поступающие на вход 18 регистра 4 и вход 19 регистра 5, устанавливающие регистры 4 и 5 в ноль. Измеряемый сигнал с входа 9 через переключатель 6 поступает на аналоговый вход 24 программируемого усилителя 7. Так как содержимое регистра 4 равно нулю, а на его управляющий вход 20 поступает сигнал "Лог. 1", то на его выходе формируется двоичное слово, все разряды которого равны единице. Это слово, поступая на цифровые управляющие входы программируемого усилителя 7, задает коэффициент усиления, равный минус единице (табл. 1). Поэтому в нулевом такте на выходе усилителя 7 присутствует проинвертированный входной сигнал. Он поступает на вход 12 АЦП 1. В первом такте блок 8 управления вырабатывает сигнал, поступающий на вход 13 АЦП 1. По фронту этого сигнала АЦП 1 начинает преобразование. Время преобразования меньше длительности такта.

Для определения порядка используются семь старших двоичных разрядов АЦП 1. Они поступают на первую группу входов адреса ПЗУ 2. На его выходе при этом формируются два двоичных слова. Первое, содержащее код усиления, через регистр 4 в последующих тактах поступает на цифровой вход усилителя 7, задавая конкретную величину его усиления. Второй слово запоминается в регистре 5. Оно представляет собой код порядка Р1. Соответствие кодов усиления и порядка величине входного сигнала показано в табл. 2.

Во втором такте блок 8 управления вырабатывает сигнал записи, поступающий на вход 16 регистра 4 и вход 17 регистра 5. По фронту этого сигнала слова с выхода ПЗУ записываются в регистры 4 и 5. Далее код усиления, проинвертировавшись в регистре 4, поступает на усилитель 7, после чего последний имеет коэффициент усиления, равный К1. Для того, чтобы сигнал на выходе усилителя 7 установился с достаточной степенью точности, выделено время двух тактов - второго и третьего. В этих тактах происходит запоминание усиленного сигнала в устройстве 3 выборки-хранения.

В четвертом такте сигнал на входе 14 переключает устройство 3 в режим хранения. Одновременно этот сигнал, поступая на вход 21 аналогового переключателя 6, подключает к входу 24 усилителя 7 выход устройства 3.

Блок 8 управления в начале четвертого такта вырабатывает сигнал установки в ноль регистра 4, поступающий на его вход 18. Это приводит к тому, что коэффициент усиления усилителя 7 становится равным минус единице, благодаря чему его входной сигнал инвертируется и поступает на вход АЦП 1.

В четвертом такте блок 8 управления вырабатывает сигнал, запускающий АЦП 1 (вход 13). Так как время установления усилителя 7 с единичным коэффициентом усиления минимально и сравнимо с быстродействием логических схем, то к моменту начала преобразования на входе 12 АЦП 1 аналоговый сигнал устанавливается с д остаточной степенью точности и нарушение в работе АЦП 1 не происходит.

По окончании преобразования на первую группу входов ПЗУ 2 поступает слово с АЦП 1, а на вторую группу входов поступает код Р1 с регистра 5. На выходе ПЗУ 2 формируются два слова. Первое слово - код усиления - формируется аналогично описанному выше в соответствии с табл. 2. Причем значение Р1, поступающее на вторую группу входов ПЗУ, не оказывает влияния на формирование кода усиления. Второе слово - код порядка Р, равный сумме Р1 и Р2, здесь Р2 - значение порядка величины сигнала, поступающего на вход АЦП 1 в четвертом такте.

В пятом такте блок 8 управления вырабатывает сигнал записи, поступающий на вход 16 регистра 4 и вход 19 регистра 5. По фронту этого сигнала информация с выходов ПЗУ записывается в регистры 4 и 5.

Работа усилителя 7 в пятом и шестом тактах аналогична его работе во втором и третьем тактах. После завершения установления сигнала в конце шестого такта на выходе усилителя 7 имеют сигнал, усиленный в (К1 ˙К2) раз. В нашем случае максимальное значение коэффициента усиления 64 х 64 = 4096 раз (72 дБ).

В седьмом такте блок управления вырабатывает сигнал запуска АЦП1, поступающий на вход 13. По окончании преобразования на его выходе формируется двоичное значение мантиссы, поступающее на выход 11. Порядок поступает на выход 10.

Рассмотрим работу АЦП с плавающей запятой на примере, когда на его вход 9 подан сигнал величиной +25 мВ.

В нулевом такте АЦП с плавающей запятой устанавливается в исходное состояние. При этом сигнал А с входа 9 поступает на вход 22 переключателя 6 и далее на вход 24 усилителя 7. Так как усилитель 7 имеет коэффициент усиления, равный минус единице, то на вход 12 АЦП 1 поступает сигнал, равный минус 25 мВ.

В первом такте после преобразования на выходе АЦП 1 устанавливается код 0111111110₂, старшие семь разрядов которого поступают на первую группу входов ПЗУ 2. На его вторую группу входов поступает код 000₂ с регистра 5. При этом на выходе ПЗУ сформированы код усиления, равный 1111101₂, и код порядка, равный 110₂ (табл. 2). В начале второго такта эти коды записываются в регистры 4 и 5 соответственно. Так как регистр 4 инвертирует свое содержимое, то на его выходе код имеет значение 0000010₂. Тогда коэффициент усиления усилителя 7, на управляющий вход которого подается этот код, станет равным минус 64. По окончании переходного процесса в конце третьего такта на выходе усилителя сигнал равен минус (64 х 25) = (-1600)мВ = -1,6 В. С выхода усилителя сигнал попадает на вход 15 устройства 3 выборки-хранения, где запоминается.

В начале четвертого такта сигнал с выхода устройства 3 поступает на вход усилителя 7, который имеет коэффициент усиления минус 1, так как регистр 4 установлен в ноль. При этом на выходе усилителя сигнал равен +1,6 В. Этот сигнал поступает на вход 12 АЦП 1. После преобразования на выходе АЦП 1 код равен 1010100000₂. Старшие семь разрядов этого кода поступают на первую группу входов ПЗУ 2, на вторую группу входов которого поступает код 110 с регистра 5. При этом в соответствии с табл. 2 на выходе ПЗУ 2 сформированы код усиления, равный 0111111₂, и код порядка, равный сумме кодов, один из которых поступает на вторую группу входов ПЗУ, а другой, равный в данном случае 001₂, берется из табл. 2. Для нашего случая сумма равна 0111₂.

В начале пятого такта код усиления и код порядка записаны в регистры 4 и 5 соответственно. С выхода регистра 4 код 1000000₂ поступает на усилитель 7, который имеет коэффициент усиления, равный минус 2 (табл. 1). Тогда напряжение на его выходе в конце шестого такта равно (-1,6)х(-2) = 3,2 В. Это напряжение поступает на вход АЦП 1. В седьмом такте АЦП 1 выдает цифровое значение этого напряжения. Оно равно 1101000000₂.

Таким образом, цифровое значение сигнала, равного + 25 мВ, имеет следующее двоичное изображение: Р = 0111₂, М = 1101000000₂.

По сравнению с известными устройствами аналогичного назначения предлагаемый АЦП с плавающей запятой позволяет снизить вес и размеры сейсморазведочной скважинной аппаратуры, являющиеся ее важнейшими характеристиками. Их уменьшение приводит к повышению качества измерений. Немаловажное значение имеет также ее термостойкость. Предлагаемый АЦП позволяет удовлетворить эти требования. Размеры и вес аппаратуры определяются в большой степени сложностью конструкции электронных узлов аппаратуры, наиболее ответственным из которых является АЦП. Упрощение конструкции аппаратуры достигнуто в данном случае не только за счет упрощения конструкции АЦП, но и за счет расширения его динамического диапазона и снижения энергопотребления. Первое приводит к упрощению предварительного усилителя аппаратуры за счет исключения цепей переключения коэффициента усиления, второе - к упрощению блока питания аппаратуры. Снижение энергопотребления достигается за счет применения элементной базы, выполненной по технологии К-МОП. Снижение тока потребления ПЗУ достигается за счет применения для него импульсного питания. Предлагаемый АЦП не содержит элементов, рассеивающих большую мощность и разогревающихся за счет этого. Это позволяет использовать его при максимально допустимых температурах для применяемых элементов. При этом компенсация ухода нуля предлагаемого АЦП и его калибровка производятся при дальнейшей обработке получаемой информации. (56) 1. Сейсмометры, регистраторы и сейсмометрические каналы. Сейсмические приборы. Вып. 18. - М. : Наука, 1986, с. 66-67, рис. 3.

2. Приборы и техника эксперимента, N 2, , 1986, с. 109-111.

Формула изобретения

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАПЯТОЙ, содержащий аналого-цифровой преобразователь, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения, блок управления, постоянное запоминающее устройство, регистр кода порядка, входную шину и выходные шины кода порядка и кода мантиссы, отличающийся тем, что, с целью увеличения динамического устройства и его упрощения, в него введены регистр кода усиления и аналоговый переключатель, первый информационный вход которого является входной шиной, второй информационный вход соединен с выходом устройства выборки-хранения, вход управления которого объединен с управляющим входом аналогового переключателя и соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к входу управления аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первой группой адресных входов постоянного запоминающего устройства, а информационный вход объединен с информационным входом блока выборки-хранения и подключен к выходу программируемого усилителя, аналоговый вход которого соединен с выходом переключателя, а цифровой вход подключен к выходам регистра кода усиления, вход данных которого и вход данных регистра кода порядка подключены соответственно к первой и второй группам выходов постоянного запоминающего устройства, входы сброса регистров кода усиления и порядка соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока управления, пятый выход которого подключен к входам записи регистров кода усиления и порядка, выходы последнего из которых соединены с второй группой адресных входов постоянного запоминающего устройства и являются выходной шиной кода порядка, выходной шиной кода мантиссы являются выходы аналого-цифрового преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6