Аналого-цифровий перетворювач

Аналого-цифровий перетворювач, що містить вхідну шину, схему порівняння, цифро-аналоговий перетворювач, регістр послідовного наближення, блок постійної пам'яті, регістр, вихідні шини, причому другий вхід схеми порівняння підключено до виходу цифро-аналогового перетворювача, який відрізняється тим, що введено аналоговий комутатор, додатковий цифро-аналоговий перетворювач, другий регістр послідовного наближення, блок керованої розгортки коду, блок оперативної пам'яті, цифровий обчислювальний пристрій, блок керування, причому перший інформаційний вхід аналогового комутатора є вхідною шиною, другий інформаційних вхід аналогового комутатора з'єднано з виходом додаткового цифро-аналогового перетворювача, входи якого об'єднано з виходами другого регістра послідовного наближення, третій вхід аналогового комутатора об'єднано з шиною керуючих сигналів блока керування, вихід аналогового комутатора з'єднано з першим входом схе U 2 44123 1 3 44123 4 з керуючим входом блоку логічних елементів, виз першим входом схеми порівняння, вихід схеми хід якого є контрольним виходом аналогопорівняння з'єднано з інформаційною шиною рецифрового перетворювача. зультату порівняння, перший вхід другого регістру Недоліком цього пристрою є низька точність послідовного наближення з'єднано з шиною керуперетворення і відмовостійкість до параметричних ючих сигналів блоку керування, другий вхід друговідмов. го регістру послідовного наближення з'єднано з За прототип обрано аналого-цифровий переінформаційною шиною результату порівняння, творювач [А.с. СРСР №1221750, М. кл. Н03М1/26, виходи блоку керування з'єднано з шиною керуюбюл. №12, 30.03.86], що місить схему порівняння, чих сигналів, входи цифроаналогового перетвоцифроаналоговий перетворювач, регістр послідорювача об'єднано з виходами регістра і першими вного наближення, вхідну шину, шину «Запуск», входами цифрового обчислювального пристрою, блок постійної пам'яті, блок підсумовування, реперший вхід регістра з'єднано з шиною керуючих гістр, лічильник адреси, вихідні шини, шину тактосигналів блоку керування, другі входи регістра вих імпульсів, причому перший вхід схеми порівз'єднано з виходами регістра послідовного наблиняння є вхідною шиною, другий вхід підключено до ження, треті входи регістра з'єднано з виходами виходу цифроаналогового перетворювача, вихід блоку керованої розгортки коду, перший вхід регісдо інформаційного входу регістра послідовного тра послідовного наближення з'єднано з інформанаближення і управляючого входу блоку постійної ційною шиною результату порівняння, другий вхід пам'яті, перший управляючий вхід регістра послірегістра послідовного наближення з'єднано з шидовного наближення є шиною «Запуск» і об'єднаною керуючих сигналів блоку керування, вхід блоний з другим управляючим входом лічильника адку керованої розгортки коду з'єднано з шиною кереси та другим управляючим входом регістра, руючих сигналів блоку керування, виходи блоку другий управляючий вхід регістра послідовного постійної пам'яті з'єднано з другими входами цифнаближення підключений до шини тактових імпурового обчислювального пристрою, треті входи льсів, першого управляючого входу лічильника цифрового обчислювального пристрою об'єднано адреси, першого управляючого входом регістра, з блоком оперативної пам'яті, виходи цифрового виходи регістра послідовного наближення підклюобчислювального пристрою є вихідними шинами. чені до відповідних входів цифроаналогового пеНа Фіг.1 представлено структурну схеми анаретворювача, виходи лічильника адреси підклюлого-цифрового перетворювача, на Фіг.2 предстачені до відповідних адресних входів блоку влено модель розрядної сітки цифроаналогового постійної пам'яті, виходи блоку постійної пам'яті перетворювача, на Фіг.3 представлено граф-схему підключені до відповідних перших входів блоку процесу самокалібрування з осередненням на підсумовування, виходи регістра підключені до розгортках. відповідних других входів блоку підсумовування і є Пристрій містить вхідну шину 1, аналоговий вихідними шинами. комутатор 6, схему порівняння 7, цифроаналогоНедоліком цього пристрою є низька точність вий перетворювач 9, регістр 10, регістр послідовперетворення і відмовостійкість до параметричних ного наближення 11, додатковий цифроаналоговідмов. вий перетворювач 2, другий регістр послідовного В основу корисної моделі поставлено задачу наближення 3, блок керування 8, блок керованої створення аналого-цифрового перетворювача розгорткикоду 14, цифровий обчислювальний (АЦП), в якому за рахунок введення нових блоків і пристрій 13, блок постійної пам'яті 12, блок операзв'язків між ними досягається підвищення точності тивної пам'яті 15, вихідні шини 16, причому перроботи і відмовостійкості перетворення до параший інформаційний вхід аналогового комутатора 6 метричних відмов, що виникають внаслідок зміє вхідною шиною 1, другий інформаційних вхід нення умов навколишнього середовища і старіння, аналогового комутатора 6 з'єднано з виходом дощо підвищує надійність роботи пристрою. даткового цифроаналогового перетворювача 2, Поставлена задача досягається тим, що у входи якого об'єднано з виходами другого регістру аналого-цифровий перетворювач, що містить вхіпослідовного наближення 3, третій вхід аналоговодну шину, схему порівняння, цифроаналоговий го комутатора 6 об'єднано з шиною керуючих сигперетворювач, регістр послідовного наближення, налів 4 блоку керування 8, вихід аналогового коблок постійної пам'яті, регістр, вихідні шини, примутатора 5 з'єднано з першим входом схеми чому другий вхід схеми порівняння підключено до порівняння 7, вихід схеми порівняння 7 з'єднано з виходу цифроаналогового перетворювача, введеінформаційною шиною результату порівняння 5, но аналоговий комутатор, додатковий цифроанаперший вхід другого регістру послідовного наблилоговий перетворювач, другий регістр послідовноження 3 з'єднано з шиною керуючих сигналів 4 го наближення, блок керованої розгортки коду, блоку керування 8, другий вхід другого регістру блок оперативної пам'яті, цифровий обчислювапослідовного наближення 3 з'єднано з інформальний пристрій, блок, керування, причому перший ційною шиною результату порівняння 5, виходи інформаційний вхід аналогового комутатора є вхіблоку керування 8 з'єднано з шиною керуючих дною шиною, другий інформаційних вхід аналогосигналів 4, другий вхід схеми порівняння 7 підклювого комутатора з'єднано з виходом додаткового чено до виходу цифроаналогового перетворювача цифроаналогового перетворювача, входи якого 9, входи цифроаналогового перетворювача 9 об'об'єднано з виходами другого регістру послідовноєднано з виходами регістра 10 і першими входами го наближення, третій вхід аналогового комутатоцифрового обчислювального пристрою 13, перший ра об'єднано з шиною керуючих сигналів блоку вхід регістра 10 з'єднано з шиною керуючих сигнакерування, вихід аналогового комутатора з'єднано лів 4 блоку керування 8, другі входи регістра 10 5 44123 6 Вагова надлишковість характеризується як з'єднано з виходами регістра послідовного наблиперевищення суми ваг молодших розрядів над ження 11, треті входи регістра 10 з'єднано з виховагою старшого розряду у вигляді: дами блоку керованої розгортки коду 14, перший вхід регістра послідовного наближення 11 з'єднано n -1 з інформаційною шиною результату порівняння 7, Qi £ å Q j . другий вхід регістра послідовного наближення 11 j= 0 з'єднано з шиною керуючих сигналів 4 блоку керуПричому, абсолютне значення вагової надливання 8, вхід блоку керованої розгортки коду 14 шковості визначається як: з'єднано з шиною керуючих сигналів 4 блоку керуi -1 вання 8, виходи блоку постійної пам'яті 12 з'єдна~ DQi = å Q j - Qi . но з другими входами цифрового обчислювальноj=0 го пристрою 13, треті входи цифрового Відносна вагова надлишковість характерна обчислювального пристрою 13 об'єднано з блоком для НПСЧ із природним розташуванням ваг розоперативної пам'яті 15, виходи цифрового обчисрядів, оскільки її значення не залежить від номера лювального пристрою 13 є вихідними шинами 16. розряду і розраховується у вигляді: Пристрій працює таким чином. Цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) 9 і доi -1 датковий ЦАП 2 виконані на основі позиційних å Q j - Qi систем числення із ваговою надлишковістю. Наяв2-a ~ j=0 . dQ = » ність в розрядах таких перетворювачів відхилень i a від номінальних значень ваг розрядів не призвоåQ j дить до розриву характеристики перетворення і j=0 дає можливість виконувати процедуру самокалібПристрій працює в двох режимах: основного рування. У позиційних системах числення із вагоперетворення і самокалібрування із осередненням вою надлишковістю будь-яке число можна зобрана розгортках. У режимі самокалібрування з осезити у вигляді: редненням на розгортках пристрій реалізується по n -1 процедурі, що передбачає визначення, коригуванD = å ai × Q i , ня і зберігання відкоригованих значень ваг розряi= 0 дів у цифровій формі, зокрема, із зображенням де a i Î 1,1 ; {0,1} ; - розрядні коефіцієнти або цифрових еквівалентів відкаліброваних ваг розрядів у вигляді двійкових кодів у блоці оперативної алфавіт системи числення, і=0,1,2,..., n-1 - номер пам'яті 15. Визначення відхилень ваг старших розрозряду, Qi - вага і-го розряду. рядів виконується шляхом послідовного порівнянЗалежно від закону завдання значення ваги іня ваги поточного розряду із сумою певної групи го розряду по відношенню до молодших Qi=f(Qiсусідніх молодших розрядів. Це порівняння базу1,Qi-2,...,Qi-k) можна поділити позиційні системи чиється на основі існуючих між розрядами матемаслення із ваговою надлишковістю на системи з тичних співвідношень. Результати самокалібруприродним і штучним набором ваг розрядів. Привання можуть багатократно використовуватися у родний набір - це такий, в якому існує постійне процесі основного перетворення або вимірювання співвідношення між вагами розрядів, зокрема: аж доти, поки внаслідок змінення параметрів анаQi=a·Qi-1=a2·Qi-2=a3×Qi-3=…=ai×Q0, логових вузлів пристрою не виникне потреба здійQi снювати повторне самокалібрування. При цьому де a = - основа системи числення. ПриQ i -1 розрядна сітка ЦАП 9 умовно розбивається на кладом позиційних систем числення із ваговою групу «неточних» старших розрядів і «точних» монадлишковістю із природним набором ваг розрядів лодших (Фіг.2). Всі ваги розрядів мають однаковий є позиційні системи числення на базі золотої протехнологічний допуск dQ, причому досить значний порції a=1,618 або відношенні Коца a=1,84; або - 1¸10%, що значно спрощує технологію виготовлення аналогових вузлів. a = 2 та ін. Належність до «точних» молодших розрядів Для надлишкових позиційних систем числення вибирається з умови: (НПСЧ) зі штучним набором вага кожного розряду DQi max£0,5×Q0, формується у рамках базису Q0, Q1, Q2,…, Qn-1 як де DQi max - максимальне значення абсолютної певна сума ваг молодших розрядів похибки i-го розряду, що залежить від технологічQi=Qi-1+Qi-2+-+Qi-k, ного допуску dQ на відхилення від ідеального знаде k - деяке ціле число. Можна вважати, що в чення ваги i-го розряду Qi ід: цьому випадку набір ваг розрядів - це базис. ПриDQi max=dQ×Qi ід× кладом такого базису може бути набір ваг розряПісля виготовлення ЦАП 9 кодові еквіваленти дів, пропорційних числам, значення яких пропорномінальних ваг розрядів записуються в блоці поційні дубльованому двійковому ряду типу 1; 1; 2; 2; стійної пам'яті 12 і в подальшому використовують4; 4; ... 2n-1,2n-1, р-числам. р - це степінь характерися для самокалібрування. стичного рівняння хр+1+хр-1=0, додатний корінь Визначення реальних ваг розрядів відбуваєтьякого визначає a. При p=0 дана НПСЧ вироджуся послідовно з молодших «неточних» розрядів до ється у двійкову систему числення, p=1 - систему старших. Визначення коду реальної ваги розряду класичної золотої пропорції (a»1,618), p=2 - код K(Qi) починається з (n-m)-го молодшого із «неточКоца (a»1,84), р=¥ - одиничний код. них» розрядів і проводиться протягом кількох цик { } 7 44123 8 лів з подальшим осередненням результатів, отрирегістр послідовного наближення 11 встановлює маних на кожному циклі. Виконання осереднень одиницю в першому (n-m)-ому розряді регістра 10. здійснюється завдяки можливості у НПСЧ зобраНа виході ЦАП 9 при цьому з'являється аналогожувати те саме число багатьма кодовими комбінавий сигнал А'кал i, що рівний вазі даного розряду. В ціями. Для цього використовується операція розрежимі самокалібрування аналоговий комутатор 6 гортки, що реалізуються блоком керованої з'єднує вихід додаткового ЦАП 2 і перший вхід розгортки коду 14. Наприклад, для золотої пропосхеми порівняння 7. По команді блоку керування 8 з допомогою додаткового ЦАП 2 і другого регістра рції (a=1,618) і кодів Фібоначчі операція розгортки послідовного наближення 3 відбувається врівнополягає в заміні одиниці і-го розряду одиницями в важення сигналу на другому вході схеми порівнян(і-1)-му і (і-2)-му розрядах. Розгортка позначається ня 7 з точністю до молодшого кванту. Сигнал на значком . У результаті проведення всіх першому вході схеми порівняння 7 фіксується. По можливих розгорток отримується повністю розгоркоманді блоку керування 8 через блок керованої нута форма коду. розгортки коду 14 проводиться розгортка розряду, Розглянемо процедуру самокалібрування для що встановлений в регістрі 10. НПСЧ з a=1,618. По команді блоку керування 8 n-1 … i+1 i i-1 i-2 i-3 … 1 0 A 'кал і 0 … 0 1 0 0 0 … 0 0 ' A 'кал і 0 … 0 0 1 1 0 … 0 0 На виході ЦАП 9 при цьому з'являється анало'' говий сигнал Aкал і , що рівний вазі розрядів Qi-1 і Qi-2. По команді блоку керування 8 з допомогою додаткового ЦАП 2 і другого регістра послідовного наближення 3 проводиться доврівноваження з точністю до молодшого кванту аналогового сигна'' лу Aкал і на другому вході схеми порівняння 7. ' '' Якщо Aкал і ³ Aкал і , то доврівноваження не буде виконуватись і в другому регістрі послідовного наближення 3 фіксується код, що відповідає ' '' Aкал і . Якщо ж A 'кал і < A кал і , то виконається доврівноваження і в другому регістрі послідовного наближення 3 встановиться код, що відповідає '' A кал і . При цьому на першому вході схеми порівняння 7 фіксується аналоговий сигнал Акал і виходячи з такої умови: ' '' ìA ' ï кал і , якщо A кал і ³ A кал і ; A кал і = í '' ' '' ï A кал і , якщо A кал і А кал і ai = í , ï 1 якщо А k £ А кал і î Якщо в результаті порівняння а1=1, то n-ий розряд в регістрі послідовного наближення 11 залишається в одиничному стані. Далі відбувається вмикання наступного (n-1)-го розряду. При цьому компенсуючий аналоговий сигнал Аk буде рівним сумі величин Qn і Qn-1. Якщо ж а1=0, то n-ий розряд в першому регістрі послідовного наближення 9 скидається в нульовий стан і також вмикається наступний (n-1)-ий розряд, при цьому Аk=Qn-1. Далі відбувається порівняння аналогових сигналів Аk і Акал і. Перетворення здійснюється за n етапів порівняння. Величина компенсуючого аналогового сигналу Аk визначається як n -1 A k i = å ai × Q i , i= 0 де аi - вихідний сигнал схеми порівняння на іому кроці врівноваження, Qi - вага i-го розряду ЦАП 9. Результат K'(Qi)першого кодування зберігається в блоці оперативної пам'яті 15 n -1 K ' (Q i ) = å a i' × K i , i= 0 де Kі - код ідеальної ваги розряду, що зберігаються в блоці постійної пам'яті 12. Під час другого врівноваження відбувається повторне врівноваження Акал і з допомогою регістра послідовного наближення 11, регістра 10 і ЦАП 9, причому в процесі врівноваження блок керування 8 видає сигнал, що забороняє вмикання і-го розряду, що калібрується. Код другого врівноваження K"(Qі) зберігається в блоці оперативної пам'яті 15. По отриманим кодам цифровий обчислювальний пристрій 13 знаходить код DK'(Qі) відхилення і-го розряду n -1 n -1 DK ' (Q i ) = å a 'i ' × K i - å a i' × K i , i= 0 i=0 що фіксується в блоці оперативної пам'яті 15. На цьому перше з k калібрувань і-го розряду закінчується. По команді блоку керування 8 регістр послідовного наближення 11 встановлює одиницю в пер 9 44123 10 шому і-ому молодшому «неточному» розряді регісдві послідовних розгортки коду, що встановлений тра 10. Блок керованої розгортки коду 14 виконує в регістрі 10. n-1 … i+1 i i-1 i-2 i-3 i-3 … 0 A 'кал і 0 … 0 1 0 0 0 0 … 0 ' A 'кал і 0 … 0 0 1 1 0 0 … 0 '' A 'кал і 0 … 0 0 1 0 1 1 … 0 На виході ЦАП 9 встановлюється відповідний '' ' аналоговий сигнал Aкал і , що по команді блоку керування 8 доврівноважується з допомогою другого регістра послідовного наближення 3 і додат'' кового ЦАП 2. Якщо Aкал і , код якого знаходиться в другому регістрі послідовного наближення 3, '' ' більше Aкал і то доврівноваження не буде виконуватись і в другому регістрі послідовного набли'' ження 3 фіксується код, що відповідає Aкал і . '' '' ' Якщо ж Aкал і < Aкал і , то виконається доврівноваження і в другому регістрі послідовного набли'' ' ження 3 встановиться код, що відповідає Aкал і . Тобто на першому вході схеми порівняння 7 фіксується аналоговий сигнал Акал i виходячи з такої умови: '' ''' ìA ' ' ï кал і , якщо A кал і ³ A кал і ; A кал і = í ''' '' ''' ï A кал і , якщо A кал і < A кал і . î Далі виконується подвійне врівноваження Акал i з допомогою регістра послідовного наближення 11, регістра 10, ЦАП 8 з блокування вмикання розряду, що калібрується, під час другого врівноваження. Отримується два коди, з допомогою яких в цифровому обчислювальному пристрої 13 визначається код DK"(Qi) відхилення і-го розряду n -1 n -1 DK ' ' (Q i ) = å a 'i ' × K i - å a i' × K i . i= 0 i=0 Таким чином виконуються всі можливі k розгорток і-го розряду, що калібрується, з допомогою блоку керованої розгортки коду 14, і в блоці опера тивної пам'яті 15 фіксується множина DК(Qi)Î{DK'(Qi), DK"(Qi),...,DKk(Qi)}, на основі якої в цифровому обчислювальному пристрої 13 шляхом осереднення визначається код поправки i-го розряду у вигляді k å DK j (Q i ) j =1 ~ . DK(Q i ) = k Визначення коду реальної ваги розряду K(Qi), що зафіксується в блоці оперативної пам'яті 15 і використовується в процесі основного перетворення, відбувається в цифровому обчислювальному пристрою 13: ~K(Q i ) = K Q i ід + DK (Qi ) , ( ) де K(Qі ід) - код ідеальної ваги розряду, що знаходиться в блоці постійної пам'яті 12. Визначення кодів реальних ваг розрядів інших «неточних» розрядів відбувається аналогічно з врахуванням раніше визначених кодів ваг молодших «неточних» розрядів. Після калібрування всіх m «неточних» розрядів режим самокалібрування закінчується. Граф схему самокалібрування з осередненням на розгортках представлено на Фіг.3. У режимі безпосереднього перетворення аналоговий комутатор 6 перемикає вхідну шину 1 на перший вхід схеми порівняння 7. Вхідний аналоговий сигнал врівноважується з допомогою регістра послідовного наближення 11, регістра 10 і ЦАП 9. Отриманий цифровий еквівалент подається в цифровий обчислювальний пристрой 13, де знаходиться цифровий еквівалент вхідного аналогового сигналу, що з'являється на вихідних шинах 16. 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 44123 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601