Паралельний аналого-цифровий перетворювач

Винахід стосується галузей автоматики й обчислюваної техніки і може бути використаний також в пристроях інформаційно-вимірювальної техніки. Відомий паралельний аналого-цифровий перетворювач, що містить N компараторів, об'єднані перші входи яких є входом перетворювача, джерело опорної напруги, вихід якого підключений до першого виводу першого конденсатора дільника напруги, виконаного із N послідовно з'єднаних конденсаторів одного номінального значення С, другий вивід кожного і-го конденсатора дільника напруги відповідно підключений до другого входу кожного і-го компаратора, а виходи компараторів підключені до входів дешифратора вихідного коду перетворювача [див. "Микроэлектронные устройства автоматики": Учебное пособие для вузов/ А. А. Сазонов, А. Ю. Лукичев, В. Т. Николаев и др., Под ред. А. А. Сазонова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. с. 155]. Недоліком цього пристрою є звужена область використання через неможливість забезпечення логарифмічної характеристики перетворення. В основу винаходу покладено завдання створити паралельний логарифмічний аналого-цифровий перетворювач, нове виконання дільника напруги якого забезпечує одержання логарифмічної характеристики перетворення і за рахунок цього значно розширюється область використання перетворювача: одержання логарифмічних амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик, лінеаризація характеристик показникових давачів, обчислення та відтворення функцій, виконання операцій множення та ділення й ін. Поставлене завдання вирішується тим, що в паралельному аналого-цифровому перетворювачі, який містить N компараторів, об'єднані перші входи яких є входом перетворювача, джерело опорної напруги, вихід якого підключений до першого виводу першого конденсатора дільника напруги, виконаного з N послідовно з'єднаних конденсаторів одного номінального значення С, другий ви від кожного і-го конденсатора дільника напруги відповідно підключений до другого входу кожного і-го компаратора, а виходи компараторів підключені до входів дешифратора вихідного коду перетворювача, другий вхід N-гo компаратора підключений через конденсатор С' до спільної шини, до якої через конденсатор С" підключений кожен другий вхід решти компараторів, причому значення ємностей конденсаторів С' та С" вибираються згідно формул C, = 1- z C z (1) C,, = (1 - z )2 C z (2) де С - номінальне значення ємності кожного конденсатора дільника напруги; z , - коефіцієнт пропорційності, який задається меншим одиниці. Виконання конденсаторного дільника опорної напруги у вигляді конденсаторної матриці, що складається з набору конденсаторів двох значень С і С", а також підключення другого входу N-гo компаратора через конденсатор значенням С' до спільної шини при виборі значень конденсаторів С' і С" згідно формул (1) і (2), забезпечує логарифмічну характеристику перетворення, внаслідок чого значно розширюється область використання запропонованого паралельного аналого-цифрового перетворювача. На кресленні наведена функціональна схема запропонованого паралельного аналого-цифрового перетворювача. Запропонований паралельний аналого-цифровий перетворювач містить джерело опорної напруги 1, мережу конденсаторів 2, яка містить N конденсаторів номінального значення С, (N-1) конденсаторів номінального значення С'' та один конденсатор номінального значення С', значення яких зв'язані співвідношенням (1) та (2), набір N компараторів 3, дешифратор вихідного коду перетворювача 4, входи якого об'єднані з виходами компараторів з набору компараторів 3, об'єднані перші входи яких є входом перетворювача, а другий вхід кожного і-го компаратора 3.і підключений відповідно до кожного другого виводу конденсатора С з мережі конденсаторів 2, яка містить N послідовно з'єднаних конденсаторів номінального значення С, перший вивід першого з яких об'єднаний з виходом джерела опорної напруги 1, другий вхід N-гo компаратора 3.N з набору компараторів 3 підключено через конденсатор С' з мережі конденсаторів 2 до спільної шини, до якої через конденсатор С" з мережі конденсаторів 2 підключений відповідно кожен другий вхід решти компараторів з набору компараторів 3, причому номінальні значення конденсаторів С, С' та С" зв'язані співвідношенням (1) і (2). Запропонований паралельний аналого-цифровий перетворювач працює наступним чином. Номінали конденсаторів С' та С" з мережі конденсаторів 2 вибираються згідно (1) і (2). Розглядаючи схему дільника напруг (знизу вверх), бачимо, що конденсатори С і С' утворюють дільник напруги і відношення напруги в N-ому вузлі до напруги в N-1-ому вузлі буде рівне 1 XC, UN jw C, C = = = 1 1 UN -1 X C + X C, C + C, + jwC jwC, Прирівняємо це відношення до значення коефіцієнта пропорційності: C C + C, =z Розв'язуючи останнє рівняння, отримаємо співвідношення між значеннями значення ємностей С' і С: C, = 1- z C z Отже, напруга UN на другому вході N-го компаратора 3.N з набору компараторів 3 та напруга UN-1 на другому вході (N-1)-гo компаратора 3.N-1 з набору компараторів 3 зв'язані співвідношенням UN =z UN -1 Розглядаючи дільник напруги у вузлі (N-1), де утворюється друга еталонна напруга U N-1, бачимо, що конденсатор С'' включений паралельно до послідовно з'єднаних конденсаторів С' і С, внаслідок чого еквівалентна ємність між (N-1)-им вузлом і спільною шиною буде рівна: CE = C,, + C × C, C + C, = C,, + (1- z )C Для забезпечення рівності відношень UN -1 U = N UN -1 UN-1 необхідно, щоб еквівалентна ємність між вузлом (N-1) і спільною шиною СЕ була рівна С', тобто , C + (1 - z )C = C , Підставляючи в останнє рівняння значення ємності С', отримаємо C, + (1 - z )C = 1- z C z Тому напруга UN-1 на другому вході (N-1)-гo компаратора 3.N-1 з набору компараторів 3 та напруга UN-2 на другому вході (N-2)-гo компаратора 3.N-2 з набору компараторів 3 зв'язані співвідношенням UN- 1 U = N =z UN -2 UN -1 Аналогічно можна показати, що відношення напруг будь-яких дво х сусідніх вузлів дільника напруги U1 U2 U U = = × × × = N-1 = N = z UO U1 UN- 2 UN- 1 На перші входи компараторів з набору компараторів 3 подається вхідна величина UBX, значення якої може знаходитися в межах UN £ UВХ £ UО У кожний конкретний момент часу напруга UBX знаходиться в межах між значеннями двох напруг на други х входа х двох певних сусідніх компараторів з набору компараторів 3 - 3.L та 3.L-1, тобто UL £ UВХ де L = 1, 2, 3,...N. При цьому виходи всіх компараторів 3.N-3.L з набору компараторів 3 будуть у стані логічної одиниці, а виходи всі х решти компараторів (3.L-1-3.1) - у стані логічного нуля. Дешифратор ви хідного коду перетворювача 4 перетворює число "L" у двійковий код. Відношення напруг UO U = O = zL UL UВХ де L - число, закодоване на виході дешифратора 4. З останнього відношення випливає: L= U 1 × log ВХ logz UO Таким чином, вихідний код L запропонованого паралельного аналого-цифрового перетворювача відповідає числу, що пропорційне логарифму (за основою z) відношення вхідної напруги до опорної. При цьому похибка квантування dK = UL -1 - UL × 100% UВХ або (із врахуванням UВХ = UL = zUL-1) dK = 1- z × 100% z Як видно з останнього виразу похибка квантування не залежить від вхідної величини і має стале значення у всьому діапазоні перетворення. Похибку від температурної нестабільності ємностей з конденсаторної мережі 2 можна звести до мінімуму, виготовивши мережу як інтегральну схему. Отже, запропонований паралельний аналого-цифровий перетворювач виконує логарифмічне перетворення.