Логарифмічний аналого-цифровий перетворювач

Номер патенту: 113138

Опубліковано: 12.12.2016

Автор: Мичуда Леся Зиновіївна

Є ще 1 сторінка.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Логарифмічний аналого-цифровий перетворювач, який містить генератор тактових імпульсів, вихід якого з'єднаний з першим входом елемента збігу, другий вхід якого об'єднаний з інформаційним входом регістра результату і підключений до виходу компаратора, який підключений першим входом до інформаційного входу перетворювача, а другим входом з'єднаний з виходом блока формування показникової функції, який містить регульований масштабний підсилювач, якого вихід і керуючий вхід підключені відповідно до виходу і керуючого входу блока формування показникової функції, п'ять ключів, два конденсатори, Т-тригер, вхід установки в ″0″ якого з'єднаний з керуючим входом першого ключа і підключений до входу запуску блока формування показникової функції, джерело опорної напруги, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом першого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа і виходом третього ключа і через перший конденсатор підключений до шини нульового потенціалу, виходи другого і четвертого ключів об'єднані і підключені до інформаційного входу регульованого масштабного підсилювача, інформаційні входи третього і п'ятого ключів об'єднані і підключені до виходу регульованого масштабного підсилювача, керуючі входи другого і п'ятого ключів об'єднані і підключені до інверсного виходу Т-тригера, керуючі входи третього і четвертого ключів об'єднані і підключені до прямого виходу Т-тригера, тактовий вхід якого є тактовим входом блока формування показникової функції, який підключений до виходу елемента збігу, одновібратор, вхід якого є входом запуску перетворювача, а вихід об'єднаний з входом запуску блока формування показникової функції і підключений до входів установки в ″0″ регістра результату і лічильника, вихід якого з'єднаний з керуючим входом блока формування показникової функції, а тактовий вхід об'єднаний з тактовим входом регістра результату, вихід якого є виходом перетворювача, який відрізняється тим, що додатково введено лічильник результату, RS-тригер, одновібратор і два елементи збігу, перші входи яких об'єднані і підключені до виходу генератора тактових імпульсів, а виходи підключені відповідно до тактових входів регістра результату і лічильника результату, вихід компаратора підключений до входу додаткового одновібратора, вихід якого з'єднаний з входом установки в ″1″ RS-тригера, якого вхід установки в ″0″ об'єднаний з входом установки в ″0″ лічильника результату і підключений до входу установки в ″0″ регістра результату, прямий вихід додаткового тригера з'єднаний з другим входом першого додаткового елемента збігу, а інверсний вихід з'єднаний з другим входом другого додаткового елемента збігу.

Текст

Реферат: Винахід належить до автоматики, обчислювальної та інформаційно-вимірювальної техніки. Логарифмічний аналого-цифровий перетворювач, який містить генератор тактових імпульсів, регістр результату, одновібратор, елемент збігу, лічильник і компаратор, який підключений першим входом до інформаційного входу перетворювача, а другим входом з'єднаний з виходом блока формування показникової функції, який містить джерело опорної напруги, п'ять ключів, два конденсатори, Т-тригер і регульований масштабний підсилювач, якого вихід і керуючий вхід підключені відповідно до виходу і керуючого входу блока, додатково містить лічильник результату, RS-тригер, одновібратор і два елементи збігу, перші входи яких об'єднані і підключені до виходу генератора тактових імпульсів, а виходи підключені відповідно до тактових входів регістра результату і лічильника результату, вихід компаратора підключений до входу додаткового одновібратора, вихід якого з'єднаний з входом установки в ″1″ RS-тригера, якого вхід установки в ″0″ об'єднаний з входом установки в ″0″ лічильника результату і підключений до входу установки в ″0″ регістра результату, прямий вихід додаткового тригера з'єднаний з другим входом першого додаткового елемента збігу, а інверсний вихід з'єднаний з другим входом другого додаткового елемента збігу, що дозволяє спостити реалізацію та здешевити перетворювач. UA 113138 C2 (12) UA 113138 C2 UA 113138 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до автоматики та може бути використаний у засобах автоматики, обчислювальної та інформаційно-вимірювальної техніки. Найближчим по технічній суті до запропонованого є логарифмічний аналого-цифровий перетворювач, який містить генератор тактових імпульсів, вихід якого з'єднаний з першим входом елемента збігу, другий вхід якого об'єднаний з інформаційним входом регістра результату і підключений до виходу компаратора, який підключений першим входом до інформаційного входу перетворювача, а другим входом з'єднаний з виходом блока формування показникової функції, який містить регульований масштабний підсилювач, якого вихід і керуючий вхід підключені відповідно до виходу і керуючого входу блока формування показникової функції, п'ять ключів, два конденсатори, Т-тригер, вхід установки в "0" якого з'єднаний з керуючим входом першого ключа і підключений до входу запуску блока формування показникової функції, джерело опорної напруги, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом першого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа і виходом третього ключа і через перший конденсатор підключений до шини нульового потенціалу, виходи другого і четвертого ключів об'єднані і підключені до інформаційного входу регульованого масштабного підсилювача, інформаційні входи третього і п'ятого ключів об'єднані і підключені до виходу регульованого масштабного підсилювача, керуючі входи другого і п'ятого ключів об'єднані і підключені до інверсного виходу Т-тригера, керуючі входи третього і четвертого ключів об'єднані і підключені до прямого виходу Т-тригера, тактовий вхід якого є тактовим входом блока формування показникової функції, який підключений до виходу елемента збігу, одновібратор, вхід якого є входом запуску перетворювача, а вихід об'єднаний з входом запуску блока формування показникової функції і підключений до входів установки в "0" регістра результату і лічильника, вихід якого з'єднаний з керуючим входом блока формування показникової функції, а тактовий вхід об'єднаний з тактовим входом регістра результату, вихід якого є виходом перетворювача, [Мичуда З.Р. Логарифмічні Аналого-Цифрові Перетворювачі АЦП майбутнього. - Львів: Простір, 2002. - 242 с; рис. 5.2.1, с. 159]. Недоліком цього логарифмічного аналого-цифрового перетворювача є рівність кількості входів регульованого масштабного підсилювача кількості двійкових розрядів перетворювача. Внаслідок цього у перетворювачі є порівняно велика кількість прецизійних резисторів, якими задаються коефіцієнти передачі масштабного підсилювача, що в свою чергу збільшує вартість перетворювача, оскільки прецизійні резистори є дорогими. В основу винаходу поставлено задачу створити логарифмічний аналого-цифровий перетворювач із кількістю входів масштабного підсилювача меншою кількості розрядів перетворювача, але із збереженням значення похибки квантування відповідної цій кількості розрядів перетворювача. Це також спростить реалізацію та здешевить перетворювач. Поставлена задача вирішується тим, що в логарифмічний аналого-цифровий перетворювач, який містить генератор тактових імпульсів, вихід якого з'єднаний з першим входом елемента збігу, другий вхід якого об'єднаний з інформаційним входом регістра результату і підключений до виходу компаратора, який підключений першим входом до інформаційного входу перетворювача, а другим входом з'єднаний з виходом блока формування показникової функції, який містить регульований масштабний підсилювач, якого вихід і керуючий вхід підключені відповідно до виходу і керуючого входу блока формування показникової функції, п'ять ключів, два конденсатори, Т-тригер, вхід установки в "0" якого з'єднаний з керуючим входом першого ключа і підключений до входу запуску блока формування показникової функції, джерело опорної напруги, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом першого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа і виходом третього ключа і через перший конденсатор підключений до шини нульового потенціалу, виходи другого і четвертого ключів об'єднані і підключені до інформаційного входу регульованого масштабного підсилювача, інформаційні входи третього і п'ятого ключів об'єднані і підключені до виходу регульованого масштабного підсилювача, керуючі входи другого і п'ятого ключів об'єднані і підключені до інверсного виходу Т-тригера, керуючі входи третього і четвертого ключів об'єднані і підключені до прямого виходу Т-тригера, тактовий вхід якого є тактовим входом блока формування показникової функції, який підключений до виходу елемента збігу, одновібратор, вхід якого є входом запуску перетворювача, а вихід об'єднаний з входом запуску блока формування показникової функції і підключений до входів установки в "0" регістра результату і лічильника, вихід якого з'єднаний з керуючим входом блока формування показникової функції, а тактовий вхід об'єднаний з тактовим входом регістра результату, вихід якого є виходом перетворювача, додатково введено лічильник результату, RS-тригер, одновібратор і два елементи збігу, перші входи яких об'єднані і підключені до виходу генератора тактових імпульсів, а виходи підключені відповідно до тактових входів регістра результату і лічильника результату, вихід компаратора підключений до 1 UA 113138 C2 5 10 15 20 25 входу додаткового одновібратора, вихід якого з'єднаний з входом установки в "1" RS-тригера, якого вхід установки в "0" об'єднаний з входом установки в "0" лічильника результату і підключений до входу установки в "0" регістра результату, прямий вихід додаткового тригера з'єднаний з другим входом першого додаткового елемента збігу, а інверсний вихід з'єднаний з другим входом другого додаткового елемента збігу. За рахунок введення додаткових елементів діапазон перетворення поділено на два піддіапазони, причому на першому з них проводиться перетворення з використанням лише одного значення коефіцієнта передачі регульованого масштабного підсилювача, що дає змогу забезпечити значення похибки квантування відповідне кількості розрядів перетворювача при кількості входів масштабного підсилювача меншій кількості розрядів і здешевити перетворювач. На Фіг. 1 наведена функціональна схема запропонованого логарифмічного аналогоцифрового перетворювача, а на Фіг. 2 - епюри напруг, що ілюструють роботу цього перетворювача, причому суцільною лінією та точками подано відповідно напруги на вході та виході регульованого масштабного підсилювача. Запропонований логарифмічний аналого-цифровий перетворювач містить компаратор 1, генератор тактових імпульсів 2, одновібратори 3 і 4, RS-тригер 5, елементи збігу 6-8, регістр 9 результату, лічильники 10 і 11, блок 12 формування показникової функції, регульований масштабний підсилювач 13 виконаний на буферному каскаді 14, аналоговому комутаторі 15 і підсилювачі 16 з керованим коефіцієнтом передачі, Т-тригер 17, джерело 18 опорної напруги, п'ять ключів 19-23, два конденсатори 24 і 25, інформаційний вхід 26 перетворювача, вхід 27 запуску перетворювача, вихід 28 молодших розрядів і вихід 29 старших розрядів вихідного коду перетворювача, а також - входи 30 запуску, 31 тактуючий і 32 керуючий і вихід 33 блока 12 формування показникової функції. Робота запропонованого логарифмічного аналого-цифрового перетворювача протікає наступним чином. Попередньо задаються значення коефіцієнтів передачі напруги (K i ) по входах регульованого масштабного підсилювача 13 для будь-якого і-го входу за формулою Nн Ki   2 , де Nн - номінальне значення вихідного коду;   const ; причому   1 і значення його залежить від потрібної точності. Коефіцієнт  задає значення дискретних приростів коефіцієнта передачі масштабного підсилювача 13; його можна визначити виходячи з номінального значення вихідного коду Nн за i 30 формулою 1 35 40 1   eNн lnD , де D - динамічний діапазон вхідних сигналів, що рівний відношенню максимального значення вхідної напруги до мінімального. За сигналом запуску одновібратор 4 виробляє імпульс, яким тригери 5 і 17 установлюються у стан логічної одиниці на інверсному виході, а регістр 9 результату та лічильники 10 і 11 обнулюються, причому вихідний код лічильника 11 подається на вхід 32 керування регульованого масштабного підсилювача 13 і вмикає перший вхід цього підсилювача. Максимальне значення коефіцієнта передачі регульованого масштабного підсилювача 13 буде на першому вході, тобто при i  1: K1   Nн 2 45 . За час дії імпульсу одновібратора 4 через ввімкнений перший 19 ключ заряджається перший конденсатор 24 до рівня опорної напруги (UО ) джерела 18. 50 Логічна одиниця з інверсного виходу тригера 17 вмикає другий 20 і п'ятий 23 ключі. Через ввімкнений другий 20 ключ рівень напруги з першого 20 конденсатора подається на інформаційний вхід регульованого масштабного підсилювача 13 (вхід буферного каскаду 14) і напруга на виході підсилювача 13, з'єднаному з виходом 33 блока 12 формування показникової функції, приймає значення Nн 2 U1  Uо  K 1  Uо   , де U 0 - опорна напруга. 2 UA 113138 C2 5 10 15 Напруга U1 через ввімкнений п'ятий 23 ключ записується на другий 25 конденсатор, а також надходить на вихід 33 блока 12 формування показникової функції, з якого подається на компаратор 1 і порівнюється з вхідним сигналом UВХ . Коли напруга на виході 33 блоку 12 формування показникової функції є більшою від вхідного сигналу, то компаратор 1 установлюється у стан логічної одиниці на своєму виході, а у протилежному випадку - у логічний нуль. На Фіг. 2 наведено перший випадок, тобто напруга U1 більша від UВХ і на виході компаратора 1 є рівень логічної одиниці. Після закінчення імпульсу одновібратора 4 починається перетворення на першому піддіапазоні. Перший після цього моменту часу тактовий імпульс генератора 2 проходить через відкритий тригером 5 елемент збігу 7 на лічильник результату 10 і через відкритий логічною одиницею з виходу компаратора 1 елемент збігу 8 на тактовий вхід 31 блока 12, перекидаючи тригер 17, яким вимикаються ключі 20, 23 і вмикаються ключі 21, 22. Внаслідок цього другий конденсатор 25 виявляється підключеним до входу регульованого масштабного підсилювача 13, а перший конденсатор 24 - до виходу підсилювача 13, напруга на якому приймає значення Nн 2 Nн U2  U1   2  U0   2 . Напруга U 2 (див. Фіг. 2) перевищує рівень вхідного сигналу і компаратор зберігає рівень 20 25 30 логічної одиниці на виході. Оскільки стан компаратора 1 не змінився, дія другого тактового імпульсу аналогічна дії першого, тобто другий імпульс записується у лічильник результату 10 і перекидає тригер 17, внаслідок чого знову перемикаються ключі 20-25 і перший конденсатор 24 виявляється підключеним до входу регульованого масштабного підсилювача 13, а другий конденсатор 25 до виходу підсилювача 13, напруга на якому приймає значення Nн 2 3 Nн 2 U3  U2    U0   . Напруга U 3 (див. Фіг. 2) перевищує рівень вхідного сигналу і компаратор далі зберігає рівень логічної одиниці на виході. Оскільки стан компаратора 1 не змінився, дія третього тактового імпульсу аналогічна попереднім, тобто третій імпульс записується у лічильник результату 10 і перекидає тригер 17, внаслідок чого знову перемикаються ключі 20-23 і другий конденсатор 25 виявляється підключеним до входу регульованого масштабного підсилювача 13, а перший конденсатор 24 до виходу підсилювача 13, напруга на якому приймає значення U4  U3   Nн 2 4 Nн 2  U0   . Оскільки ця напруга U 4 менша від вхідної, то компаратор 1 переходить у стан логічного 35 40 45 нуля на своєму виході. Цей нуль забороняє проходження тактових імпульсів на тактовий вхід 31 блока 12, тобто тригер 17 не перекидається і ключі 20-23 не перемикаються і конденсатори залишаються підключеними до регульованого масштабного підсилювача як у стані після третього імпульсу. Одночасно логічний нуль на виході компаратора 1 запускає одновібратор 3, вихідним імпульсом якого тригер 5 перекидається у стан логічного нуля на інверсному виході, забороняючи подальше проходження тактових імпульсів через елемент збігу 7 на лічильник результату 10 (в якому у наведеному на Фіг. 2 прикладі кількість записаних тактових імпульсів n1  3 ). У цей же час логічна одиниця з прямого виходу тригера 5 дозволяє проходження тактових імпульсів через елемент збігу 6 на об'єднані тактові входи регістра результату 9 і лічильника 11. Кількість тактових імпульсів n 1 , записаних у лічильнику результату 10, визначає значення старших розрядів (N1 ) вихідного коду запропонованого логарифмічного аналого-цифрового перетворювача згідно з формулою N1  n1  w 1 , 3 UA 113138 C2 де w 1 - вага першого (старшого) розряду вихідного коду запропонованого перетворювача, N яка рівна w 1  н . 2 Отже, значення старших розрядів вихідного коду перетворювача у наведеному на фіг. 2 прикладі N1  3  5 10 Nн . 2 Після першого з моменту запуску перетворювача переходу компаратора 1 у стан логічного "0" (у наведеному на Фіг. 2 прикладі після закінчення четвертого тактуючого імпульсу) починається перетворення на другому піддіапазоні. П'ятий тактуючий імпульс проходить через елемент збігу 7, записує логічний нуль у перший розряд регістра 9 результату і записується у лічильник 11. Вихідний код лічильника 8 подається на керуючий 32 вхід блока 12 і вмикає другий вхід масштабуючого підсилювача, тобто установлює друге значення коефіцієнта передачі Nн 2 K2   2 . 15 Тому напруга на виході підсилювача 13, а отже і на виході 33 блока 12 формування показникової функції, стає рівною 3 Nн Nн U5  U3  K 2  Uо   2   2 . Напруга U 5 записується на першому конденсаторі 24, підключеному до виходу підсилювача 2 13. 20 25 Оскільки напруга U 5 (див. Фіг. 2) перевищує рівень вхідного сигналу, то компаратор переходить у стан логічної одиниці на виході і дозволяє проходження тактових імпульсів через елемент збігу 8 на тактовий 31 вхід блока 12. Шостий тактовий імпульс проходить через елемент збігу 7, записує логічну одиницю у другий розряд регістра 9 результату, установлює третє значення коефіцієнта передачі підсилювача 13. Цей же тактовий імпульс перекидає тригер 17, вихідними сигналами якого вимикають ключі 21, 22 і вмикають ключі 20, 23. Внаслідок цього до входу підсилювача 13 підводиться напруга U 5 з першого 24 конденсатора, а вихідна напруга підсилювача 13 стає рівною 3 Nн 2 Nн Nн 3 U6  U5  K 3  Uо    2 . Оскільки ця напруга U 6 менша від вхідної (Фіг. 2), то компаратор 1 переходить у стан 30 35 22 логічного нуля на своєму виході. Цей нуль забороняє проходження тактових імпульсів на тактовий вхід 31 блока 4, тобто тригер 17 не перекидається і ключі 20-23 не перемикаються і конденсатори залишаються підключеними до регульованого масштабного підсилювача 13 як у стані після п'ятого імпульсу. Сьомий тактуючий імпульс має таку ж дію як і п'ятий (лише установлює четверте значення коефіцієнта передачі підсилювача 13) і т.д. Після надходження n тактуючих імпульсів на другому піддіапазоні напруга на виході блока 12 матиме значення in Un2  Un1    Ai  Nн 2i , i2 де Un - значення напруги на першому піддіапазоні після 1 40 n 1 тактових імпульсів; A i - коефіцієнт, що приймає в кожному і-такті перетворення значення 1 або 0 відповідно до стану компаратора логічна "1" або логічний "0". Значення напруги U n на другому піддіапазоні після (n) тактових імпульсів, тобто після 2 45 підключення останнього входу регульованого масштабного підсилювача буде рівне вхідній напрузі Un  Uвх , 2 4 UA 113138 C2 з похибкою, що не перевищує ваги останнього молодшого розряду. n  1 тактуючим імпульсом у регістрі результату 9 буде записане значення молодших розрядів вихідного коду (N2 ) запропонованого логарифмічного аналого-цифрового перетворювача: n 5 N2   A i  i 2 Nн . 2i Отже, вихідний код (N) запропонованого логарифмічного перетворювача рівний сумі кодів на першому та другому піддіапазонах N  N1  N2 або N  Nн 2 n Nн     n1   A i  i1  ,  2  i2   тобто є пропорційний логарифму відношення вхідної напруги 10 N аналого-цифрового UВХ до опорної UО U 1  log ВХ . log  UО ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 Логарифмічний аналого-цифровий перетворювач, який містить генератор тактових імпульсів, вихід якого з'єднаний з першим входом елемента збігу, другий вхід якого об'єднаний з інформаційним входом регістра результату і підключений до виходу компаратора, який підключений першим входом до інформаційного входу перетворювача, а другим входом з'єднаний з виходом блока формування показникової функції, який містить регульований масштабний підсилювач, якого вихід і керуючий вхід підключені відповідно до виходу і керуючого входу блока формування показникової функції, п'ять ключів, два конденсатори, Ттригер, вхід установки в "0" якого з'єднаний з керуючим входом першого ключа і підключений до входу запуску блока формування показникової функції, джерело опорної напруги, вихід якого з'єднаний з інформаційним входом першого ключа, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа і виходом третього ключа і через перший конденсатор підключений до шини нульового потенціалу, виходи другого і четвертого ключів об'єднані і підключені до інформаційного входу регульованого масштабного підсилювача, інформаційні входи третього і п'ятого ключів об'єднані і підключені до виходу регульованого масштабного підсилювача, керуючі входи другого і п'ятого ключів об'єднані і підключені до інверсного виходу Т-тригера, керуючі входи третього і четвертого ключів об'єднані і підключені до прямого виходу Т-тригера, тактовий вхід якого є тактовим входом блока формування показникової функції, який підключений до виходу елемента збігу, одновібратор, вхід якого є входом запуску перетворювача, а вихід об'єднаний з входом запуску блока формування показникової функції і підключений до входів установки в "0" регістра результату і лічильника, вихід якого з'єднаний з керуючим входом блока формування показникової функції, а тактовий вхід об'єднаний з тактовим входом регістра результату, вихід якого є виходом перетворювача, який відрізняється тим, що додатково введено лічильник результату, RS-тригер, одновібратор і два елементи збігу, перші входи яких об'єднані і підключені до виходу генератора тактових імпульсів, а виходи підключені відповідно до тактових входів регістра результату і лічильника результату, вихід компаратора підключений до входу додаткового одновібратора, вихід якого з'єднаний з входом установки в "1" RS-тригера, якого вхід установки в "0" об'єднаний з входом установки в "0" лічильника результату і підключений до входу установки в "0" регістра результату, прямий вихід додаткового тригера з'єднаний з другим входом першого додаткового елемента збігу, а інверсний вихід з'єднаний з другим входом другого додаткового елемента збігу. 5 UA 113138 C2 6 UA 113138 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7

Дивитися

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: G06G 7/24

Мітки: перетворювач, аналого-цифровий, логарифмічний

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/9-113138-logarifmichnijj-analogo-cifrovijj-peretvoryuvach.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Логарифмічний аналого-цифровий перетворювач</a>

Подібні патенти