Аналого-цифровий перетворювач

Реферат: Аналого-цифровий перетворювач містить першу шину вводу вхідного аналогового потенціалу, яка з'єднана з першими входами лінійки компараторів, другу вхідну шину еталонного потенціалу, з'єднану з першим входом послідовно з'єднаних взірцевих резисторів, відповідні i-ті виходи яких з'єднані з відповідними другими входами i-тих компараторів, шифратор паралельного унітарного коду у паралельний код Хаара-Крестенсона, виходи якого є виходами АЦП. Додатково введені компаратори з парафазними виходами, перші прямі виходи i-тих компараторів додатково з'єднані з першими входами додатково введених i-тих логічних елементів "І-НІ", другі входи яких додатково з'єднані інверсними виходами i+1-их компараторів, а виходи - з'єднані з відповідними входами додатково введених логічних елементів "І-НІ", виходи яких є виходами АЦП у паралельному розрядно-позиційному коді Хаара-Крестенсона системи залишкових класів. UA 116185 U (12) UA 116185 U UA 116185 U 5 10 15 20 Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) належить до засобів обчислювальної техніки та перетворювачів форми інформації і може бути використаний як компонент швидкодіючих спецпроцесорів кореляційного, спектрального та ентропійного опрацювання сигналів. Відомий аналог: аналого-цифровий перетворювач паралельного типу [http://radiomaster.ru/articles/view/100/], який містить першу шину вводу вхідного аналогового потенціалу, яка з'єднана з першими входами лінійки компараторів, другу вхідну шину еталонного потенціалу, з'єднану з першим входом послідовно з'єднаних взірцевих резисторів, відповідні i-ті виходи яких з'єднані з відповідними другими входами i-тих компараторів, однофазні виходи яких з'єднані з першими входами i-тих та другими входами і+1-их логічних елементів "Виключаюче АБО", виходи яких з'єднані з відповідними входами діодного дешифратора, виходи якого є виходами аналого-цифрового перетворювача у паралельному двійковому коді теоретико-числового базису (ТЧБ) Радемахера. У структурі такого паралельного АЦП вхідний аналоговий сигнал на виходах компараторів перетворюється у прямий паралельний код унітарного ТЧБ, який на виходах лінійки логічних елементів "Виключне АБО" перетворюється у прямий розрядно-позиційний код ТЧБ Хаара, який на виході діодного шифратора перетворюється у прямий позиційний двійковий код ТЧБ Радемахера. Недоліком такого АЦП є висока апаратна складність та низька швидкодія, обумовлена k наявністю великого числа (2 , де k - розрядність АЦП) структурно-складних елементів "Виключне АБО", які містять 4-5 логічних елементів І, АБО, НІ [Шило В.Л. Популярные цифрове микросхемы: Справочник. - М: Радио и связь, 1988 г. - С. 57, рис.1.35], в яких не менше трьох логічних елементів з'єднані послідовно, тому вихідний сигнал формується не менше, як за три мікротакти переключення логічних вентилів. Тобто апаратна та часова складність лінійки логічних елементів "Виключного АБО" у такому АЦП відповідає оцінкам: 25 A1  2k ( 4  5)V; 1  3, 30 35 40 45 50 55 60 де V - апаратна складність одного мікроелектронного вентиля,  - тривалість мікротакту його переключення. Велика апаратна складність такого АЦП обумовлена також великим числом вентильних діодів у шифраторі розрядно-позиційного коду ТЧБ Хаара у вихідний двійковий код ТЧБ k Радемахера, кількість яких складає 2 х k/2. Наприклад, для 10-ти бітного АЦП відомого аналога, число елементів у лінійці логічних елементів "Виключне АБО" складає 1024(45)=40965120 логічних вентилів, а діодних вентилів . у шифраторі двійкових кодів 1024 5=5120. Відомий аналог: аналого-цифровий перетворювач [http://refdb.ru/look/2134312-pall.html (рис.29)], який містить першу вхідну шину аналогового потенціалу, яка з'єднана з першими входами лінійки парафазних компараторів, другу вхідну шину еталонного потенціалу, з'єднану з першим входом послідовно-з'єднаних взірцевих резисторів, останній з яких з'єднаний з нульовим потенціалом, а відповідні i-ті виходи лінійки взірцевих резисторів з'єднані з відповідними другими входами i-тих компараторів, парафазні виходи яких з'єднані з першими входами відповідних i-тих та і+1-х логічних елементів "1", виходи яких з'єднані з відповідними і діодного шифратора, виходи якого є виходами аналого-цифрового перетворювача у паралельному двійковому коді ТЧБ Радемахера. Недоліком такого АЦП є велика апаратна та структурна складність, обумовлена наявністю діодного шифратора з великим числом вентильно-діодних елементів та складною структурою. Загальним недоліком відомих аналогів є обмежені функціональні можливості, обумовлені формуванням вихідних двійкових кодів ТЧБ Радемахера, які ускладнюють структуру пристроїв та знижують швидкодію виконання операцій додавання та перемноження кодів у процесорах кореляційного, спектрального та ентропійного опрацювання сигналів за рахунок наявності наскрізних переносів між розрядами в арифметиці двійкових кодів. Відомий прототип: аналого-цифровий перетворювач (АЦП), який є компонентом цифрового автокорелятора [Албанський І.Б., Николайчук Я.М., Волинський О.І. Цифровий автокорелятор: патент України на корисну модель №76622, Бюл. № 1, 2013, фіг. 2], який містить першу шину вводу вхідного аналогового потенціалу, яка з'єднана з першими входами лінійки компараторів, другу вхідну шину еталонного потенціалу, з'єднану з входом послідовно з'єднаних взірцевих резисторів, відповідні i-ті виходи яких з'єднані з відповідними входами шифратора, який перетворює паралельний унітарний код у паралельний розрядно-позиційний код ТЧБ Хаара та паралельний розрядно-позиційний код ТЧБ Хаара-Крестенсона системи числення залишкових класів. 1 UA 116185 U 5 Недоліком такого АЦП є велика апаратна складність та низька швидкодія, яка обумовлена реалізацією шифратора паралельного унітарного коду у паралельнийй код Хаара-Крестенсона на основі лінійних логічних елементів "Виключне АБО" та матриці з великою кількістю діодних вентилів. При розрядності даного АЦП, рівній Κ, апаратна складність шифратора на вентильних діодних повторювачах буде рівна: т   A ш  2k ( 4  5)  2k (  Pi ) V,  i 1    10 де перший доданок визначає апаратну складність лінійки логічних елементів "Виключне АБО", а другий доданок - число вентилів діодної матриці, яке розраховується згідно з набором взаємно простих модулів ( P1,P2,..., Pi,..., Pn ) системи залишкових класів ТЧБ Крестенсона, виходячи з умов однозначного кодування даних у двійкових кодах та кодах системи залишкових класів згідно з виразами: 15 n  n  Pi  2k ;  E[log 2 Pi ]  k  1, i 1 i 1  20 25 30 де E - цілочисельна функція з округленням до більшого цілого, яка визначає двійкову розрядність модулів Pi ; m - число взаємно простих модулів. Тобто, числове значення добутку модулів повинно перевищувати число рівнів квантування АЦП 2k , а сума розрядностей двійкових кодів Pi повинна бути не менша k  1. Наприклад: такій першій умові, при k=10 біт відповідає набір модулів та їх добуток: Р1=32, . Р2=33; Р1 Р2=1056>1024, а другій умові - (6+6)=12 біт. Оскільки у ТЧБ Хаара-Крестенсона вихідні коди модульних залишків представляються Pi розрядними кодами Хаара, то число вентилів у шифраторі відомого аналога для k=10 буде рівним 1024-(32+33)=66560 V, загальне число вентилів з врахуванням апаратної складності . лінійки логічних елементів "Виключне АБО" буде становити: 1024 (45)+66560=7065671680+66565=137221138245. При застосуванні набору модулів Р1=7, P2=12, Р3=13 їх добуток буде рівний 1092>1024, сума розрядів двійкових модулів 3+4+4=11, а сума Pi- розрядних кодів Хаара (7+12+13)=32. Отже, для такого набору модулів АЦП з вихідним кодом Хаара-Крестенсона згідно зі структурою прототипу, апаратна складність шифратора становитиме:   A ш  210  ( 4  5)  210 (7  12  13 )  1024  ( 4  5)  1024  32  .  70656  71680  32768  103424  104448 V 35 В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення АЦП зменшення апаратної складності та підвищення швидкодії шляхом додаткового введення парафазних компараторів, заміною апаратно складних та низько-і швидкодіючих логічних елементів "Виключне АБО" відповідними логічними елементами "І-НІ", на виході яких додатково формується інверсний 40 45 50 розрядно-позиційний паралельний 2k - розрядний код Хаара та зменшення апаратної складності шифратора кодів Хаара-Крестенсона його виконанням на багато входових логічних елементах "І-НІ". Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої, який містить першу шину вводу вхідного аналогового потенціалу, яка з'єднана з першими входами лінійки компараторів, другу вхідну шину еталонного потенціалу, з'єднану з першим входом послідовно з'єднаних взірцевих резисторів, відповідні i-ті виходи яких з'єднані з відповідними другими входами i-тих компараторів, шифратор паралельного унітарного коду у паралельний код Хаара-Крестенсона, виходи якого є виходами АЦП, додатково введені компаратори з парафазними виходами, перші прямі виходи i-тих компараторів додатково з'єднані з першими входами перших додатково введених і-тих логічних елементів "І-НІ", другі входи яких додатково з'єднані інверсними виходами i+1-их компараторів, а виходи - з'єднані з відповідними входами других додатково 2 UA 116185 U 5 10 15 введених логічних елементів "І-НІ", виходи яких є виходами АЦП у паралельному розряднопозиційному коді Хаара-Крестенсона системи залишкових класів. Суть корисної моделі пояснює креслення. Удосконалений АЦП пояснюється кресленням, де показано структурну схему АЦП. АЦП включає в себе: 1 - вхідна шина аналогового потенціалу; 2 - парафазні компаратори; 3 вхідна шина еталонного потенціалу; 4 - взірцеві резистори; 5 - перші логічні елементи "І-НІ"; 6 другі логічні елементи "І-НІ", 7 - вихідна шина АЦП. АЦП працює наступним чином: вхідний аналоговий потенціал U( x ) подається на першу вхідну шину 1, яка з'єднана з першими входами парафазних компараторів 2: еталонний потенціал U0 подається на вхід другої шини 3, яка з'єднана з входом лінійки взірцевих резисторів 4, на виходах яких формуються квантовані значення взірцевого потенціалу, які у компараторах 2 порівнюються з потенціалом U( x ) першої вхідної шини. При цьому на прямих виходах компараторів формується прямий паралельний унітарний код Хаара, а на інверсних виходах компараторів формується зворотний паралельний унітарний код Хаара, який відповідає виміряному цифровому значенню вхідного потенціалу U( x ) , а на виходах перших логічних елементів "І-НІ" відповідно формується зворотний паралельний код Хаара, який надходить на відповідні входи других логічних елементів "І-НІ", на виходах яких формується прямий паралельний код Хаара-Крестенсона системи залишкових класів Апаратна складність АЦП прототипу розраховується згідно з виразом: 20 A1  2k [( Ak1  A ЛЕ1 )  (p1  p2  ...pn )V], де k - розрядність АЦП; Ak1 - апаратна складність компаратора з однофазним виходом ( Ak1 =3); 25 A ЛЕ1 - апаратна складність логічного елемента "Виключне АБО" ( A ЛЕ1 =1); p1  p2  ...pn - взаємно прості модулі системи залишкових класів. Апаратна складність удосконаленого АЦП розраховується згідно з виразом: A 2  2k [( Ak 2  A ЛЕ2 )  (p1  p2  ...pn )ЛЕ3 ], 30 де A k - апаратна складність компаратора з парафазними виходами ( A k =4); 2 2 A ЛЕ2 - апаратна складність двовходового логічного елемента "І-НІ" ( A ЛЕ2 =1); 35 A ЛЕ3 - апаратна складність багатовходового логічного елемента "І-НІ" ( A ЛЕ2 =2). При розрахунках апаратної складності прототипу та удосконаленого АЦП враховується, що апаратна складність парафазного компаратора [http://lib.chipdip.ru/033/DOC001033770.pdf, ст.4] на 25 % вища за апаратну складність однофазного компаратора, оскільки його структурна схема додатково містить інверсний вихід, а апаратна складність багатовходового логічного елемента "І-НЕ" у два рази перевищує відповідну складність двовходового елемента "І-НІ" ( A ЛЕ  2  A ЛЕ ) при їх реалізації на ЕЗЛ мікроелектронній технології. 3 40 2 При k=10 та наборі модулів Р1=32, Р2=33 оцінки апаратної складності відомого прототипу та вдосконаленого АЦП наступні: A1  1024  [3  (4  5)  65]  1024  (72  73)  73728  74752 V. 45 A 2  1024  (4  1)  65  2  5120  130  5250 V. При k=10 та наборі модулів Р1=7, Р2=12, Р3=13 оцінки апаратної складності відомого прототипу та вдосконаленого АЦП наступні: 50 A1  1024  [3  (4  5)  32]  1024  (39  40)  39936  40960 V. A 2  1024  (4  1)  32  2  5120  64  5184 V. 3 UA 116185 U 5 Отже, апаратна складність вдосконаленого АЦП розрядністю 10 біт у порівнянні з прототипом аналогічної розрядності при наборі модулів вихідного коду Хаара-Крестенсона (P1=32, Р2=33) зменшується у 14 разів, а при наборі модулів (Р1=7, Р2=12, Р3=13) - майже у 8 разів. Швидкодія АЦП - прототипу оцінюється згідно з виразом:  АЦП1  k 1  ЛЕ1  ЛV , де k  5 - тривалість переключення однофазного компаратора; 1 10  ЛЕ1  (3) - тривалість переключення логічного елемента "Виключне АБО"; ЛV  1 - тривалість переключення діодного вентиля. Тобто, швидкодія АЦП - прототипу визначається сумарною затримкою сигналів:  АЦП1  (5  3  1) =9мікротактів. 15 Швидкодія удосконаленого АЦП оцінюється згідно з виразом:  АЦП2  k 2  ЛЕ2  ЛЕ3 , 20 де k  2 - тривалість переключення парафазного компаратора; 2  ЛЕ 2  1 - тривалість переключення двовходового логічного елемента "І-НІ";  ЛЕ 3  1 - тривалість переключення багатовходового логічного елемента "І-НІ". Тобто швидкодія удосконаленого АЦП визначається сумарною затримкою сигналів: 25 30  АЦП2  (2  1  1) =4 мікротакти. При розрахунках часової складності компонентів АЦП враховано, що тривалість переключення парафазного компаратора у 2,5 разу менша, у порівнянні з однофазним за рахунок позитивного тригерного зворотного зв'язку між прямим та інверсним виходами [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmh7324.pdf (рис. 29)]. Таким чином, досягнуто підвищення швидкодії удосконаленого АЦП у 2 рази у порівнянні з відомим АЦП, який формує вихідні паралельні коди Хаара-Крестенсона. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Аналого-цифровий перетворювач, що містить першу шину вводу вхідного аналогового потенціалу, яка з'єднана з першими входами лінійки компараторів, другу вхідну шину еталонного потенціалу, з'єднану з першим входом послідовно з'єднаних взірцевих резисторів, відповідні i-ті виходи яких з'єднані з відповідними другими входами i-тих компараторів, шифратор паралельного унітарного коду у паралельний код Хаара-Крестенсона, виходи якого є виходами АЦП, який відрізняється тим, що додатково введені компаратори з парафазними виходами, перші прямі виходи i-тих компараторів додатково з'єднані з першими входами додатково введених i-тих логічних елементів "І-НІ", другі входи яких додатково з'єднані інверсними виходами i+1-их компараторів, а виходи - з'єднані з відповідними входами додатково введених логічних елементів "І-НІ", виходи яких є виходами АЦП у паралельному розрядно-позиційному коді Хаара-Крестенсона системи залишкових класів. 4 UA 116185 U Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5