Аналоговий багатофункціональний перетворювач

Аналоговий багатофункціональний перетворювач, який містить блок логарифматорів, арифметичний блок і антилогарифматор, вихід якого є виходом перетворювача, група інформаційних входів якого об'єднана з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами логарифматорів, виходи яких з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами арифметичного блока, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом антилогарифматора, виконаного на першій конденсаторній комірці, яка містить два конденсатори і три ключі, аналоговим входом комірки є інформаційний вхід першого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа і виходом комірки та через перший конденсатор з'єднаний зі спільною шиною, тактовим входом комірки є керуючий вхід другого Винахід відноситься до автоматики та може бути використаний у засобах автоматики, обчислювальної та інформаційно-вимірювальної техніки Відомий аналоговий багатофункціональний перетворювач, що містить блок логарифматорів, арифметичний блок і антилогарифматор, вихід якого є виходом перетворювача, група інформаційних входів якого об'єднана з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами логарифматорів, виходи яких з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами арифметичного блоку, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом антилогарифматора (А Дж Пейтон, В Волш Аналоговая электроника ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом третього ключа і через другий конденсатор з'єднаний зі спільною шиною, входами запуску і скидання комірки є ВІДПОВІДНО керуючі входи першого і третього ключів, причому блок логарифматорів виконаний на другій конденсаторній комірці, групі елементів збігу, групі інверторів і групі компараторів, перші входи яких є інформаційними входами логарифматорів і виходи яких через групу інверторів з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ першими входами групи елементів збігу, виходи яких є виходами логарифматорів, тактовий вхід і вхід скидання другої конденсаторної комірки з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ виходами формувача імпульсних послідовностей, вхід скидання якого та входи запуску конденсаторних комірок об'єднані з виходом одновібратора, вхід якого є входом запуску перетворювача, аналогові входи конденсаторних комірок об'єднані з виходом джерела опорної напруги, вихід і тактовий вхід першої конденсаторної комірки об'єднані ВІДПОВІДНО З ВИХОДОМ І інформаційним входом антилогарифматора і вихід генератора тактових імпульсів з'єднаний з тактовим входом формувача імпульсних послідовностей, який відрізняється тим, що другі входи компараторів об'єднані з виходом другої конденсаторної комірки, тактовий вхід якої об'єднаний з другими входами групи елементів збігу на операционных усилителях - М БИНОМ 1994, с 265, рис 10 5) Недоліком цього аналогового багатофункціонального перетворювача є труднощі забезпечення ідентичності логарифматорів, внаслідок чого їх КІЛЬКІСТЬ обмежена 2-3 логарифматорами, що при зводить до звуження функціональних можливостей перетворювача Крім цього, не ідентичність логарифматорів суттєво погіршує точність перетворювача і навіть у найкращому випадку (при виконанні перетворювача у вигляді інтегральної схеми похибка перетворення досягає 5%, оскільки сучасна технологія інтегральних схем не дозволяє виготовити активні елементи з допуском меншим О ю о ю 57054 0,1-5% Найближчим по технічній суті до запропонованого є аналоговий багатофункціональний перетворювач, який містить блок логарифматорів, арифметичний блок і антилогарифматор, вихід якого є виходом перетворювача, група інформаційних входів якого об'єднана з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами логарифматорів, виходи яких з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами арифметичного блоку, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом антилогарифматора, виконаного на першій конденсаторній комірці, яка містить два конденсатори і три ключі, аналоговим входом комірки є інформаційний вхід першого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа і виходом комірки та через перший конденсатор з'єднаний зі спільною шиною, тактовим входом комірки є управляючий вхід другого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом третього ключа і через другий конденсатор з'єднаний зі спільною шиною, входами запуску і скидання комірки є ВІДПОВІДНО В управляючі входи першого і третього ключів, причому блок логарифматорів виконаний на другій конденсаторній комірці, групі елементів збігу, групі інверторів і групі компараторів, перші входи яких є інформаційними входами логарифматорів і виходи яких через групу інверторів з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ першими входами групи елементів збігу, виходи яких є виходами логарифматорів тактовий вхід і вхід скидання другої конденсаторної комірки з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ виходами формувача імпульсних послідовностей, вхід скидання якого та входи запуску комірок об'єднані з виходом одновібратора, вхід якого є входом запуску перетворювача, аналогові входи комірок об'єднані з виходом джерела опорної напруги, вихід і тактовий вхід першої комірки об'єднані ВІДПОВІДНО з виходом і інформаційним входом антилогарифматора і вихід генератора тактових імпульсів з'єднаний з тактовим входом формувача імпульсних послідовностей, (Дудикевич В Б , Мичуда З Р , Мичуда Л 3 Аналогові функціональні перетворювачі на основі перерозподілу заряду //МІЖВІДОМЧИЙ науково-технічний збірник "Вимірювальна техніка і метрологія" - Львів Вища школа, 1996, вип 52, С 78-82) Недоліком цього перетворювача є недостатня точність через неідентичність логарифматорів і звужені функціональні можливості, внаслідок незначної КІЛЬКОСТІ (не більше трьох) логарифматорів, яку можна використати в перетворювачі без погіршення його точності В основу винаходу покладено завдання створити аналоговий багатофункціональний перетворювач, у якому введення нових зв'язків І виконання багатьох (N) логарифматорів на одному нелінійному елементі забезпечує практично повну ідентичність характеристик всіх N логарифматорів і за рахунок цього суттєво підвищується точність перетворювача, а також значно збільшується КІЛЬКІСТЬ логарифматорів і розширюються функціональні можливості перетворювача Поставлене завдання вирішується тим, що в аналоговім багатофункціональнім перетворювачі, який містить блок логарифматорів, арифметичний блок і антилогарифматор, вихід якого є виходом перетворювача, група інформаційних входів якого об'єднана з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами логарифматорів, виходи яких з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами арифметичного блоку, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом антилогарифматора, виконаного на першій конденсаторній комірці, яка містить два конденсатори і три ключі, аналоговим входом комірки є інформаційний вхід першого ключа, вихід якого об'єднаний в інформаційним входом другого ключа і виходом комірки та черев перший конденсатор з'єднаний зі спільною шиною, тактовим входом комірки є управляючий вхід другого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом третього ключа і через другий конденсатор з'єднаний зі спільною шиною, входами запуску і скидання комірки є ВІДПОВІДНО в управляючі входи першого і третього ключів, причому блок логарифматорів виконаний на другій конденсаторній комірці, групі елементів збігу, групі інверторів і групі компараторів, перші входи яких є інформаційними входами логарифматорів і виходи яких через групу інверторів з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ першими входами групи елементів збігу, виходи яких є виходами логарифматорів, тактовий вхід і вхід скидання другої конденсаторної комірки з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ виходами формувача імпульсних послідовностей, вхід скидання якого та входи запуску комірок об'єднані з виходом одновібратора, вхід якого є входом запуску перетворювача, аналогові входи комірок об'єднані з виходом джерела опорної напруги, вихід і тактовий вхід першої комірки об'єднані ВІДПОВІДНО з виходом і інформаційним входом антилогарифматора і вихід генератора тактових імпульсів з'єднаний з тактовим входом формувача імпульсних послідовностей, другі входи компараторів об'єднані з виходом другої конденсаторної комірки, тактовий вхід якої об'єднаний з другими входами групи елементів збігу За рахунок виконання багатьох (N) логарифматорів на одному нелінійному елементі забезпечується практично повна ідентичність характеристик всіх N логарифматорів, що суттєво, у 2 і більше разів, підвищує точність перетворювача, а також дозволяє значно, в 10 і більше разів, збільшити КІЛЬКІСТЬ логарифматорів і тим самим - розширити функціональні можливості перетворювача На фігурі наведена функціональна схема запропонованого аналогового багатофункціонального перетворювача Запропонований аналоговий багатофункціональний перетворювач містить блок 1 логарифматорів, арифметичний блок 2 і антилогарифматор З, вихід якого є виходом 4 перетворювача, група 5 інформаційних входів якого об'єднана з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами логарифматорів, виходи яких з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ інформаційними входами арифметичного блоку 2, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом антилогарифматора 3, виконаного на першій конденсаторній комірці, яка містить два конденсатори 6 і 7 і три ключі 8, 9 і 10, аналоговим VREF - входом комірки є інформаційний вхід першого ключа 8, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа 9 і виходом комірки та через перший конденсатор 6 з'єднаний зі спільною шиною, тактовим С-входом 57054 комірки є управляючий вхід другого ключа 9, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом третього ключа 10 і через другий конденсатор 7 з'єднаний зі спільною шиною, входами запуску V і скидання R комірки є ВІДПОВІДНО в управляючі входи першого 8 і третього 10 ключів, причому блок 1 логарифматорів виконаний на другій конденсаторній комірці 11, групі 12 елементів збігу, групі 13 інверторів і групі 14 компараторів, перші входи яких є інформаційними входами логарифматорів і виходи яких через групу 13 інверторів з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ першими входами групи 12 елементів збігу, виходи яких є виходами логарифматорів, тактовий вхід і вхід скидання другої конденсаторної комірки 11 з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ виходами формувача 15 імпульсних послідовностей, вхід скидання якого та входи запуску комірок об'єднані з виходом одновібратора 16, вхід якого є входом 17 запуску перетворювача, аналогові входи комірок об'єднані з виходом джерела 18 опорної напруги, вихід і тактовий вхід першої комірки об'єднані ВІДПОВІДНО з виходом 4 і інформаційним входом антилогарифматора 3 і вихід генератора 19 тактових імпульсів з'єднаний з тактовим входом формувача 15 імпульсних послідовностей, другі входи компараторів об'єднані з виходом другої конденсаторної комірки 11, тактовий вхід якої об'єднаний з другими входами групи 12 елементів збігу Запропонований аналоговий багатофункціональний перетворювач працює наступним чином Імпульсом, що подається на вхід 17 перетворювача, запускається одновібратор 16 Вихідний імпульс одновібратора 16 скидає в нуль виходи формувача 15 імпульсних послідовностей і замикає ключі 8 конденсаторних комірок 3 і 11 За час дії імпульса одновібратора 16 конденсатори 6 комірок заряджаються до рівня опорної напруги (UREF) джерела 18 і на виходах компараторів групи 14 установлюється рівень логічного нуля, який дозволяє роботу формувача 15 імпульсних послідовностей (для підвищення точності імпульсні ПОСЛІДОВНОСТІ Q1 і Q2 відокремлені паузами) Після закінчення імпульсу одновібратора 16 з кожним імпульсом генератора 19 на виходах формувача 15 почергово (спершу на виході Q1, а потім на Q2) появляються імпульси Розглянемо спочатку процес логарифмування вхідних сигналів, імпульси Q1 замикають ключ 10 конденсаторної комірки 11, скидаючи заряд з конденсатора 7 на спільну шину, і на конденсаторі 7 установлюється рівний нулю рівень напруги Імпульси Q2 замикають ключ 9 конденсаторної комірки 11, через який відбувається перерозподіл заряду між конденсаторами 7 і 6 3 кожним імпульсом Q2 конденсатор 6 віддає частину свого заряду конденсатору 7 і рівень напруги на конденсаторі 6 знижується Після П-ГО імпульсу Q2 напруга на конденсаторі 6 стане рівною Un - С . UREF а и приріст 1 Якщо в процесі зниження напруги на конден саторі 6 вона стане рівнею чи меншою, наприклад, напруги (U1,) на і-тому інформаційному вході групи 5 перетворювача (а, отже, і на першому вході і-го компаратора групи 14), тоді спрацьовує і-й компаратор групи 14 (на його виході появляється рівень логічної одиниці), фіксуючи момент закінчення перетворення і-тим логарифматором Якщо цей момент настав після n-го тактуючого імпульса, то і число (п.) імпульсів Q2, що поступили на вхід управління ключа 9, буде рівне п — 1 * Іп _ U. тобто логарифму відношення напруги ІІ-м до UREF Це число імпульсів поступає через і-тий елемент збігу групи 12 на вихід останнього, тобто на вихід і-го логарифматора, і - ВІДПОВІДНО на і-тий вхід арифметичного блоку, Після закінчення перетворення і-тим логарифматором логічна одиниця з виходу і-го компаратора інвертується і-тим інвертором групи 13 і підводиться до першого входу і-го елемента збігу групи 12, забороняючи подальше проходження імпульсів Q2 на вихід і-го логарифматора Аналогічно відбувається перетворення і в інших логарифматорах, оскільки процес пониження - напруги на конденсаторі 6 комірки 11 продовжується доти, поки не спрацює останній з компараторів групи 14, тобто поки не закінчиться перетворення в останньому логарифматорі (цим логарифматором буде той, до першого входу компаратора якого буде підведений найменший вхідний сигнал) У антилогарифматорі, виконаному на першій конденсаторній комірці 3, процеси перерозподілу заряду протікатимуть анаюпчно до процесів v конденсаторній комірці 11 Тільки на тактовий вхід конденсаторної комірки 3, який є інформаційним входом антилогарифматора, поступатимуть імпульси з виходу арифметичного блоку, а не - Q2 Напруга на виході антилогарифматора, тобто напруга на виході 4 перетворювача, змінюватиметься за таким же законом як і напруга на виході конденсаторної комірки 11 і після останнього (z-ro) імпульсу з виходу арифметичного блоку, що поступить на інформаційний вхід антилогарифматора, напруга на виході 4 перетворювача стане рівною Uz - CZ * UREF, тобто - антилогарифму результату z, одержаного в арифметичному блоці Зокрема, наприклад, якщо арифметичний блок виконує 1) додавання, то значення Uz є добутком, 2) віднімання, то значення Uz є часткою, 3) множення на сталий коефіцієнт, то значення U2 є степеневою функцією з показником, рівним цьому коефіцієнту, 4) ділення на сталий коефіцієнт, то значення Uz є коренем з показником, рівним цьому коефіцієнту 57054 1? IS * 16 R 'E жF 1L 7 U 9 o 1С 15 19 Ql I IV I 7 V I 6 I 111 -JREF 1 С \ і Uol і I |R 13 1 4 5 12 Г.1 L J І і і і j Фіг. Комп'ютерна верстка В Рябиця Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа,8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна