Аналого-цифровий перетворювач

Аналого-цифровий перетворювач, що містить аналоговий компаратор, логічний пристрій керування, перший вхід якого підключений до виходу аналогового компаратора, другий вхід - до кола "Пуск", а перший вихід - до кола "Кінець перетворення" шини керування аналого-цифровим перетворювачем, регістр вихідного коду, інформаційний D-вхід якого підключений до другого виходу логічного пристрою керування, стартовий SR-вхід до третього виходу логічного пристрою керування, вихід перенесення CR - до третього входу логічного пристрою керування, а інформаційні виходи є вихідною шиною аналого-цифрового перетворювача, цифро-аналоговий перетворювач з усередненням вихідної напруги, що містить усереднюючий пристрій, що містить інтегратор, вихід якого підключений до першого входу аналогового компаратора, ключ, інформаційні вхід і вихід якого підключені ВІДПОВІДНО до входу і виходу інтегратора, джерело опорної напруги, цифро-аналоговий перетворювач, вихід якого підключений до входу інтегратора, а вхід опорної напруги - до виходу джерела опорної напруги, цифровий пристрій, що містить перший лічильник імпульсів, виходи (n-m) старших розрядів якого підключені до ВІДПОВІДНИХ входів цифро-аналогового перетворювача, інформаційні входи - до ВІДПОВІДНИХ розрядів вихідної шини аналого-цифрового перетворювача, а вихід перенесення - до його входу перенесення, другий лічильник імпульсів, (т+1)-й вихідний розряд якого підключений до тактового С-входу регістра вихідного коду, до входу запису першого лічильника імпульсів і до керуючого входу ключа, а (т+1)-й інформаційний вхід є колом з низьким логічним рівнем, і кон'юнктор, перший вхід якого підключений до (т+1)-ого вихідного розряду другого лічильника імпульсів, другий вхід - до 1-ого вихідного розряду другого лічильника імпульсів, а вихід - до входу запису другого лічильника імпульсів, і генератор імпульсів, вихід якого підключений до тактових входів першого і другого ЛІЧИЛЬНИКІВ імпульсів, який відрізняється тим, що в нього введений цифровий компаратор, вихід якого підключений до m інформаційних входів молодших значущих розрядів другого лічильника імпульсів, перший цифровий вхід - до m молодших розрядів вихідної шини аналого-цифрового перетворювача, а другий цифровий вхід є шиною логічного нуля, другий вхід аналогового компаратора є колом з фіксованим потенціалом, а в усереднюючий пристрій цифроаналогового перетворювача введений другий вхід, який є одночасно і входом інтегратора, і входом аналого-цифрового перетворювача Винахід належить до галузі автоматики і обчислювальної техніки, як засіб для перетворення інформації і може бути використаний при побудові прецизійних цифрових вимірювальних систем, переважно для океанографічних досліджень Специфіка сучасних вимог до більшості гідрофізичних вимірювальних пристроїв і приладів контролю технологічних процесів полягає в тому, що апаратура повинна мати високу точність вимірювань і високу технологічність виготовлення Основним вузлом в цифрових вимірювальних приладах є аналого-цифровий перетворювач (АЦП), від якого в значній мірі і залежить точність приладу Широко відомий інтегруючий АЦП з двохтактним інтегруванням [1, с 162], який завдяки високим точносним характеристикам, простоті структурної схеми і простоті реалізації на інтегральних схемах (ИС) знайшов широке застосування [1, с 170] Наприклад аналого-цифровий перетворювач, викладений в [2], або пристрій для вимірювання електропровідності рідини [3] Вказаний АЦП, так само як і в АЦП, що пропонується, містить інтегратор, на вхід якого поступає О 00 (О 00 о ю 50868 є аналого-цифровий перетворювач [9], що містить як вхідний сигнал, так і сигнал, пропорційний опоаналоговий компаратор, на один з входів якого рної напруги, аналоговий компаратор, перший вхід поступає вхідний сигнал, що перетворюється, лоякого підключений до виходу інтегратора, а другій гічний пристрій управління, перший вхід якого під- до ланцюга з нульовим потенціалом, логічний ключений до виходу аналогового компаратора, пристрій управління, перший вхід якого підключедругий вхід - до ланцюга "Пуск", а перший вихід ний до виходу аналогового компаратора, а на ІНШІ до ланцюга "Кінець перетворення" шини управлінвходи-імпульси управління, регістр вихідного коду, ня аналого-цифровим перетворювачем, регістр керовані входи якого підключені до виходів логічвихідного коду, інформаційний D-вхід якого підного пристрою управління, а виходи є шиною вихіключений до другого виходу логічного пристрою дного коду, а також джерело опорної напруги управління, стартовий вхід SR - до третього вихоКрім високої точності, інтегруючі АЦП можна ду логічного пристрою управління, вихід перенебудувати досить з високою розрядністю (до 16 р і сення CR - до третього входу логічного пристрою вище), однак час перетворення їх досягає сотень управління, а інформаційні виходи регістра вихідмілісекунд, що не дозволяє їх використати для ного коду є вихідною шиною аналого-цифрового вимірювання гідрофізичних параметрів, максимаперетворювача, цифро-аналоговий перетворювач льні частоти МІНЛИВОСТІ яких лежать в межах з усередненням вихідної напруги [10], що містить 100Гц, наприклад при використанні в турбулентусереднюючий пристрій, що включає в себе інтегності [4, с 4] ратор, вихід якого підключений до іншого входу Відомий аналого-цифровий перетворювач з аналогового компаратора, ключ, інформаційні вхід проміжним перетворенням в частоту [5, с, 85, мал і вихід якого підключені ВІДПОВІДНО до входу і вихо35в], в якому швидкодія і достатнє число розрядів ду інтегратора, джерело опорної напруги, цифро[8, с, 20, 24] можуть бути отримані простим збільаналоговий перетворювач, вихід якого підключешенням частоти повторення імпульсів, що постуний до входу інтегратора, а вхід опорної напруги пають на інтегратор [5, с, 86] до виходу джерела опорної напруги, цифровий Вказаний АЦП, так само як і в тому, що пропопристрій, що містить перший лічильник імпульсів, нується, містить інтегратор, на вхід якого поступає виходи (n-m) старших розрядів якого підключені до як вхідний сигнал, так і сигнал зворотного зв'яжу, в ВІДПОВІДНИХ входів цифро-аналогового перетворюякому міститься частина опорної напруги, аналовача, вихід перенесення - до свого входу переноговий компаратор, вхід якого підключений до виса, а інформаційні входи - до ВІДПОВІДНИХ розрядів ходу інтегратора, логічний пристрій управління, вихідної шини аналого-цифрового перетворювача, вхід якого підключений до виходу аналогового другий лічильник імпульсів ( т + 1)-й вихідний розкомпаратора, регістр вихідного коду, вхід якого ряд якого підключений до тактового С-входу регіспідключений до виходу логічного пристрою управтра вихідного коду, до входу запису першого лічиління, а вихід с шиною вихідного коду АЦП, цифльника імпульсів і до керуючого входу ключа, а ровий пристрій, в який входить лічильник імпульінформаційні входи - до шини з низьким логічним сів, що формує сигнал зворотного зв'язку на вхід рівнем і елемент І, перший вхід якого підключений інтегратора, а також генератор імпульсів, вихід до ( т + 1)-го вихідного розряду другого лічильника якого підключений до лічильника імпульсів цифроімпульсів, другий вхід - до 1-ого вихідного, більш вого пристрою і джерело опорної напруги молодшого розряду другого лічильника імпульсів, а вихід - до входу запису другого лічильника імпуУ цьому АЦП в значній мірі вдалося скоротити льсів і генератор імпульсів, вихід якого підключечас перетворення - від 25мсек до 200мксек, що ний до тактових входів першого і другого ЛІЧИЛЬНИцілком прийняттю для вимірювання гідрофізичних КІВ імпульси (див фіг 1) Вказані ознаки параметрів, однак точність його порядку 0,1% [5, с співпадають з ознаками заявленого винаходу 87], що неприпустимо, так як наприклад, температуру, згідно з вимогами до точності гідрологічних параметрів [13, с, 211], необхідно вимірювати з У регістрі вихідного коду аналого-цифрового точністю 0,0005 - 0,007°, що по відношенню до ь перетворювача - прототипу закладений алгоритм робочого діапазону (40°С) становить всього послідовних наближень, а в логічному пристрої 0,00125-ь0,005% управління закладений алгоритм, визначений математичним виразом У роботі [4, с 43], де викладений аналіз багаторічної роботи інженерів Морського гідрофізичного інституту по створенню аналого-цифрових пе"Вих 2"="Вх 1" (1) ретворювачів, зроблений висновок, що для створення вимірювальних систем гідрофізичних де сигнали "Вх1" і "Вих 2" є - ВІДПОВІДНО перпараметрів найбільш доцільно застосування перешим входом і другим виходом логічного пристрою творювачів наступних видів, АЦП, в ланцюгу звоуправління, і блок-схемою, проілюстрованою на ротного зв'яжу яких застосовані цифро-аналогові фіг 2, де - сигнали "Вх 2", "Вх,3", "Вих 1" і "Вих 3" є перетворювачі і інтегруючі АЦП Існування ж струВІДПОВІДНО другим і третім входами, і першим і ктурних методів підвищення точності [7, с 248] третім виходами логічного пристрою управління відкрило принципову можливість побудови точних Вхідний сигнал, що перетворюється Ux постуАЦП із застосуванням цифрових пристроїв, які, пає на один з входів компаратора Початок циклу нарівні із зменшуваною їх вартістю, дозволяють перетворення цього сигналу в n-розрядний код реалізувати алгоритми практично будь-якої точнопочинається в момент появи сигналу "Пуск" на сті другому вході логічного пристрою управління, на третьому виході якого, згідно із закладеним алгоНайбільш близьким пристроєм того ж признаритмом, встановлюється напруга, відповідна низьчення до заявленого винаходу по сукупності ознак 50868 кому логічному рівню (див фіг За, б) і поступає на ЦАП зростає на величину Ди ц а п , відповідної його стартовий SR-вхід регістра вихідного коду, готуюдискретности, що використовується (к - розрядів) чи його тим самим до режиму установки в початЦя величина напруги на виході ЦАП буде залишаковий стан тися при m = 4 до 16-го тактового імпульсу, тобто до моменту появи імпульсу на ( т + 1)-ом вихідноПо мірі надходження тактових імпульсів з виму розряді другого лічильника імпульсісі ходу генератора імпульсів (див фіг Зв) в момент (див фіг Зз) Тобто, в процесі перетворення вихідпояви позитивного перепаду на ( т + 1)-му виході ного коду АЦП в напругу зворотного зв'язку просто другого лічильника імпульсів починається обнулебуде відбуватися широтно-імпульсна модуляція ния інтегратора, а регістр вихідного коду встановмолодшого розряду ЦАП, що використовується люється в початковий стан і на його виході встаДІІцап на фоні встановленого значення, що визнановлюється n-розрядне двійкове число з "лог 0" в чається виразом (2) (див фіг Зз) самому старшому розряді, а в інших -"лог 1" (можливо "лог 1" в старшому розряді, а в інших "лог 0", Отже, АЦП - прототип являє собою АЦП з ЦАП якщо застосовується регістр іншої якоі-небудь в ланцюгу зворотного зв'язку, вхідний аналоговий конструкції, наприклад [11, с, 134, 145]) сигнал якого урівноважується вихідним аналогоНа виході перенесення CR регістра вихідного вим сигналом ЦАП Зрівноваження ж може відбукоду встановлюється "лог 1", яка поступає на треватися по будь-якому алгоритму, а не тільки згідно тій вхід логічного пристрою управління і через час з двійковим законом послідовного наближення затримки (встановлює "Вих 3" в стан "лог1" 3 поСпецифіка АЦП - прототипу складається лише в явою напруги високого рівня на третьому вході застосуванні ЦАП з усередненням вихідної напрулогічного пристрою управління на його першому ги в ланцюгу зворотного зв'язку, що володіє підвиході встановлюється напруга низького логічного вищеною точністю [7, с 178] рівня, сигналізуючи про процес перетворення вхіЗастосування ЦАП з усередненням вихідного дної величини U x АЦП в цифровий код напруження дозволило підвищити точність АЦП не Нехай другий вхід елемента І підключений до тільки за рахунок малої диференціальної нелінійпершого молодшого вихідного розряду другого ності, але і за рахунок збільшення дозволяючої лічильника імпульсів, тоді тривалість імпульсу з ( т здатності шляхом простого нарощування МІСТКОСТІ + 1)-го виходу лічильника, а значить і час обнуледругого лічильника імпульсів і КІЛЬКОСТІ МОЛОДШИХ ния інтегратора складе рівне один період Т прохорозрядів першого лічильника імпульсів цифрового дження імпульсів з генератора Цим же імпульсом пристрою ЦАП [10] відбувається запис вихідного коду АЦП в перший Крім того, використовуючи технічне рішення лічильник імпульсів по входу запису [10], АЦП - прототип дозволив застосувати в ланПри появі високого логічного рівня на 1-ому цюгу зворотного зв'язку сучасний швидкодіючий молодшому виході другого лічильника імпульсів інтегральний ЦАП, наприклад, 594ПА1 з максима(див фіг Зд) на виході елемента І так само з'явитьльною ефективністю не тільки по швидкодії, але і ся високий рівень і тут же скине другий лічильник в по використанню його максимальної розрядності, початковий стан, в результаті зникне і високий так як цей ЦАП вже має диференціальну нелінійлогічний рівень з виходу елемента збігу, 3 цього ність менше кванта, тобто завжди мають однознамоменту починається цикл перетворення вихідночність між вхідним кодом і вихідною напругою А го коду АЦП в аналоговий сигнал зворотного зв'язце означає, що можна використати всі розряди ку ЦАП, не підключаючи молодші до шини логічного нуля, але зменшуючи при цьому диференціальну По мірі надходження імпульсів з виходу гененелинейность, що вже є ратора імпульсів на тактові входи першого і другого ЛІЧИЛЬНИКІВ імпульсів на виходах останніх почиОднак нарівні з цими перевагами прототип вонає зростати значення кодів від записаних в них по лодіє наступним недоліком імпульсу з ( т + 1)-го виходу другого лічильника і У описаному аналого-цифровому перетворювиходу елемента І вачі прагнення додатково збільшити його швидкоПроцес формування аналогового сигналу на дію за рахунок застосування ВІДПОВІДНИХ алгоритвиході цифро-аналогового перетворювача при m = мів в логічному пристрої, наприклад алгоритмів, З ілюструється часовими діаграмами, представлезабезпечуючих змінну тривалість тактів кодування ними на фіг Зз [7, с 245], приводить до погіршення точності Цей Після занесення вихідного коду АЦП в перший недолік легко показати аналітично лічильник імпульсів на виході ЦАП встановиться Вирішуючи рівняння урівноваження значення, рівне ДІІ = и в х - и 3 3 п р и д и ^ О , (3) де и в х - вхідна напруга аналого-цифрового пеи ретворювача, цап= А и цап (Ціла часткадробу(2) -)• U33 - напруга зворотного зв'язку, що поступає з виходу цифро-аналогового перетворювача з уседе m = п - k - КІЛЬКІСТЬ молодших розрядів, що редненням вихідної напруги (тобто після усередвиходять в процесі перетворення вихідного коду нення ІІцап) АЦП в напругу зворотного зв'язку цифровим приРозкриваючи U33 отримаємо строєм По мірі надходження тактових імпульсів з геJy_Ug нератора, через певну КІЛЬКІСТЬ періодів тактових = = UBX R,C, N імпульсів, що визначаються чисельним значенням R,C, t -'цап коду з m молодших розрядів, напруга на виході (4) 50868 тцци 0 и (5) де Тц - період усереднення інтегратором після кожного обнуления, він же, виходючи з принципу роботи прототипу, рівний тривалості періоду такту кодування, Uo - опорна напруга, яка живить - цифро-аналоговий перетворювач, R, С, - опір і МІСТКІСТЬ елементів інтегратора, забезпечуючий його динамічний коефіцієнт передачі, N m - максимальний вхідний код цифро-аналогового перетворювача або, що одне і те ж, вихідний код аналогоцифрового перетворювача З виразу (5) видно, що вихідний код аналого-цифрового перетворювача залежить не тільки від вхідного сигналу UBX, але і від часу усереднення Тц або, що те ж саме, від тривалості такту кодування, а нам необхідно його міняти для збільшення швидкодії Наявність операції усереднення в ланцюгу зворотного зв'язку в прототипі заважає досягненню необхідного результату Наприклад, при використанні в регістрі вихідного коду алгоритму послідовних наближень вказаного в [11, с 134, 145], в якому виконується операція порозрядного зсуву "лог1" в напрямі від старшого розряду до молодшого, витрачати час на широтно-імпульсну модуляцію одиниці молодшого розряду ЦАП у всьому його діапазоні зовсім не обов'язково Це легко проілюструвати на наступному прикладі Нехай КІЛЬКІСТЬ розрядів АЦП п = 15, а КІЛЬКІСТЬ молодших розрядів m = 4 Маючи на увазі, що абсолютно байдуже, в якому наборі нулів і одиниць буде приходити код з виходу регістра АЦП на вхід ЦАП з усередненням вихідної напруги, при ЗМІНІ коду по алгоритму послідовних наближень, модуляція одиниці молодшого розряду ЦАП не буде відбуватися аж до (п-т)-го розряду, починаючи зі старшого, так як молодші m розрядів до цього моменту завжди будуть мати низький логічний рівень Дійсно, ПОКИ чотири молодших розряди рівні нулю, молодший розряд інтегрального ЦАП повинен включитися лише на 16-тому тактовому імпульсі, але з цього моменту вже відбувається обнуління інтегратора і запис результату в регістр послідовних наближень, тобто сигнал на виході інтегрального ЦАП змінитися на проміжку часу перетворення вихідного коду в напругу зворотного зв'язку просто не встигне, Тобто час на перетворення вихідного коду в напругу зворотного зв'язку в процесі одного циклу роботи АЦП можна істотно скоротити, зменшивши час для отримання (n-m) старших розрядів Однак, спроба підвищити швидкодію АЦП, заклавши ВІДПОВІДНИЙ алгоритм в логічний пристрій управління, приводить до недопустимого погіршення точності перетворення, так як зміна періоду тактування регістра послідовних наближень в прототипі приводить до зміни часу усереднення при отриманні напруги зворотного зв'язку Uo, що еквівалентно ЗМІНІ коефіцієнта передачі в ланцюгу зворотного зв'язку АЦП під час одного циклу перетворення Наприклад, при реалізації 15-розрядного АЦП 8 на базі 12-розрядного інтегрального ЦАП (594ПА1 або 572ПА2), у якого використане всього 11 розрядів, а ІНШІ 4 розряди отримані за допомогою широтно-імпульсної модуляції кванта інтегрального ЦАП за принципом, викладеним в [10], для отримання одного молодшого розряду необхідне 16 періодів імпульсів генератора тактових імпульсів, не вважаючи часу на обнуління інтегратора Якщо тепер, з метою підвищення швидкодії при отриманні старших 11 розрядів, інтегратор обнуляти не через 16 періодів, а, наприклад, через 1 період імпульсів генератора тактових імпульсів, а при отриманні молодших 4-х розрядів - через 16 тактових періодів, то очевидно, що коефіцієнт передачі АЦП при отриманні старших 11-ти розрядів буде рівно в 16 раз вище, ніж при отриманні молодших розрядів, що може спричинити насичення перетворювача в певному діапазоні вхідних напруг Тч - для отримання більш високої швидкодії АДП необхідно в процесі одного циклу перетворення змінювати частоту тактування регістра вихідного коду, а саме - збільшити и при отриманні старших (n-m) розрядів і зменшити при отриманні молодших m розрядів вихідного коду, але при цьому гіршає точність перетворення, так як в процесі одного перетворення змінюється коефіцієнт передачі аналого-цифрового перетворювача В основу винаходу поставлена задача створення аналого-цифрового перетворювача на основі цифро-аналогового перетворювача з усередненням вихідної напруги в ланцюгу зворотного зв'язку, в якому шляхом виключення часу на широтно-імпульсну модуляцію молодшого розряду в діапазоні отримання (n-m) старших розрядів вихідного коду і однакового усереднення як сигналу з виходу цифро-аналогового перетворювача, так і вхідного сигналу аналого-цифрового перетворювача забезпечено збільшення швидкодії і стабілізація коефіцієнта передачі перетворення у всьому діапазоні отримання п розрядів вихідного коду Поставлена задача вирішується тим, що в аналого-цифровому перетворювачі, що містить аналоговий компаратор, логічний пристрій управління, перший вхід якого підключений до виходу аналогового компаратора, другий вхід - до ланцюга "Пуск", а перший вихід-до ланцюга "Кінець перетворення" шини управління аналого-цифровим перетворювачем, регістр вихідного коду, інформаційний D-вхід якого підключений до другого виходу логічного пристрою управління, стартовий SR-вхід - до третього виходу логічного пристрою управління, вихід перенесення CR - до третього входу логічного пристрою управління, а інформаційні виходи є вихідною шиною аналого-цифрового перетворювача, цифро-аналоговий перетворювач з усередненням вихідної напруги, що містить усереднюючий пристрій, що включає в себе інтегратор, вихід якого підключений до першого входу аналогового компаратора, ключ, інформаційні вхід і вихід якого підключені ВІДПОВІДНО до входу і виходу інтегратора, джерело опорної напруги, цифро-аналоговий перетворювач, вихід якого підключений до входу інтегратора, а вхід опорної напруги - до виходу джерела опорної напруги, цифровий пристрій, що містить перший лічильник імпульсів, виходи (n-m) 50868 10 старших розрядів якого підключені до ВІДПОВІДНИХ сигналів - усередненого вхідного сигналу аналоговходів цифро-аналогового перетворювача, інфорцифрового перетворювача і усередненого сигналу маційні входи до ВІДПОВІДНИХ розрядів вихідної з виходу інтегрального цифрово-аналогового пешини аналого-цифрового перетворювача, а вихід ретворювача перенесення - до його входу перенесення, другий Вирішуючи рівняння зрівноваження лічильник імпульсів, ( т + 1)-й вихідний розряд якого підключений до тактового С-входу регістра вили = — J (UBHX-uuan)dt прилило (6) хідного коду, до входу запису першого лічильника R,C імпульсів і до керуючого входу ключа, а ( т + 1)-й інформаційний вхід є ланцюгом з низьким логічним рівнем і елемент І, перший вхід якого підключений до ( т + 1)-ого вихідного розряду другого лічильниотримаємо ка імпульсів, другий вхід - до 1-ого вихідного розряду другого лічильника імпульсів, а вихід - до (7) входу запису другого лічильника імпульсів і генеR|C, RiC, Nr ратор імпульсів, вихід якого підключений до тактових входів першого і другого лічильника імпульсів, особливість полягає в тому, що в нього введений При умові рівності вихідного опору ЦАП і вхідцифровий компаратор, вихід якого підключений до ного опору ЦАП m інформаційних входів молодших розрядів другого лічильника імпульсів, перший цифровий вхід (8) до m молодших розрядів вихідної шини аналогоцифрового перетворювача, а другий цифровий вхід є шиною логічного нуля, другий вхід аналогоЗ виразу (8) видно, що вихідний код перестав вого компаратора є ланцюгом з фіксованим потезалежати від періоду усереднення Тц (або періоду нціалом, а в усереднюючий пристрій цифропроходження тактових імпульсів), що і дозволила аналогового перетворювача введений другий вхід, виключити час на широтно-імпульсну модуляцію який є одночасно і входом інтегратора, і входом при формуванні старших розрядів Це і визначило аналого-цифрового перетворювачатехнічний результат - підвищення швидкодії при ВІДМІННОСТІ заявленого аналого-цифрового перетворювача належать до особливостей виконання і підключення цифро-аналогового перетворювача з усереднення м вихідної напруги Введений цифровий компаратор, що дозволив контролювати число, що отримується в m молодших розрядах вихідного коду і змінювати період тактування регістра вихідного коду в процесі перетворення Введений другий вхід в усереднюючий пристрій цифро-аналогового перетворювача, за рахунок чого усереднюючий пристрій цифроаналогового перетворювача крім основної функції усереднення вихідного сигналу цифроаналогового перетворювача, отримало ще одну функцію - порівняння двох сигналів Крім того, підключення другого входу аналогового компаратора до ланцюга з фіксованим потенціалом, а другий вхід усереднюючого пристрою цифро-аналогового перетворювача зробивши вхідним ланцюгом аналого-цифрового перетворювача, дозволило усереднювати одночасно як сигнал з виходу цифро-аналогового перетворювача, так і вхідний сигнал аналого-цифрового перетворювача, стабілізуючи тим самим коефіцієнт передачі перетворення вхідного сигналу в цифровий код Покажемо це на конкретному прикладі Нехай, наприклад, необхідно реалізувати 16ти розрядний аналого-цифровий перетворювач з алгоритмом двійкового послідовного наближення на базі 12-ти розрядного інтегрального цифроаналогового перетворювача 594ПА1, 4 молодші розряду якого виходять за допомогою широтноімпульсної модуляції кванта інтегрального ЦАП У запропонованому аналого-цифровому перетворювачі аналоговий компаратор фіксує логічний рівень, ВІДПОВІДНИЙ вже різниці двох усереднених перетворенні вхідного сигналу в код, застосувавши при цьому цифро-аналоговий перетворювач підвищеної точності У даному конкретному випадку в аналогоцифровому перетворювачі для отримання одного молодшого розряду необхідне 24, тобто 16 періодів проходження тактових імпульсів, а для отримання одного старшого розряду АЦП досить усього один період, так як, як це вже вказувалося вище, витрачати час на широтно-імпульсну модуляцію одиниці молодшого розряду ЦАП при отриманні 12 старших розрядів АЦП не обов'язково, так як модуляція одиниці молодшого розряду ЦАП набуде відбуватися аж до приходу 12-го розряду, починаючи зі старшого Тч для отримання всіх 16-ти розрядів в прототипі було б потрібно 16-16 розрядів, тобто 256 періодів тактових імпульсів, а в запропонованому АЦП - всього 1 2 + 1 6 - 4 розряду, тобто 76 періодів, це без урахування часу обнуління в 3,4 разу менше, що і ілюструє підвищення швидкодії Крім того, ВІДМІННОСТІ запропонованого АЦП дозволили за рахунок одночасного усереднення сигналу з ЦАП і вхідного сигналу АЦП виключити похибку відхилення параметрів в робочому діапазоні температур реактивних елементів усереднюючого пристрою, що і дозволило отримали додатковий технічний результат - підвищення точності Звичайно в гідрофізичної апаратурі при точних вимірюваннях застосовують конденсатори типу КМ-6 ОЖО,460,061 ТУ або К10-17 ОЖО460 107 ТУ з групою ПЗЗ Враховуючи, що температура океану змінюється приблизно в діапазоні 40°С [13, с 7], а так само враховуючи приведені вище технічні умови елементів, параметри конденсаторів КМ6 і К10-17 йдуть у вказаному діапазоні температурна 0,4% від номіналу при 20°С, що неприпус 12 11 50868 тимо, так як згідно з вимогами до точності вимірюгого лічильника імпульсів 12 підключений до таквань гідрологічних параметрів [13, с 211] в ряді тового входу регістра вихідного коду 3, до керуюзадач необхідно визначати, наприклад, темперачого входу ключа 7, до першого входу елемента І туру з точністю 0,0005 + 0,002° , що по відношен13 і до входу запису першого лічильника імпульсів ню до робочого діапазону становить всього 11, а і-й, більш молодший, вихідний розряд - до 0,00125 + 0,005% У 16-ти розрядного АЦП - продругого входу кон'юнктора 13, вихід якого підклютотипу такий ВІДХІД становитиме 262 кванта, що чений до входу запису другого лічильника імпульвимагає додаткових заходів по корекції такої посів 12, ( т + 1)-й інформаційний вхід другого лічигрішності від температури, наприклад, контроль льника імпульсів 12 є ланцюгом з низьким температури в контейнері з АЦП або термостатулогічним рівнем Вихід цифрового компаратора 15 вання, що ускладнює вимірювання підключений до m інформаційних входів молодших розрядів другого лічильника імпульсів 12, перший З виразу (4) видно, що похибка перетворення цифровий вхід - до m молодших розрядів вихідної АЦП-прототипом прямо залежить від відхилення шини аналого-цифрового перетворювача, а другий ємності С, усереднюючого пристрою в робочому цифровий вхід є шиною логічного нуля Вихід гедіапазоні температур, а з виразу (8) видно, що в нератора імпульсів 14 підключений до тактових запропонованому АЦП ця залежність виключена, входів першого 11 і другого 12 ЛІЧИЛЬНИКІВ імпультобто зміна МІСТКОСТІ не впливає на точність засів, Другий вхід усереднюючого пристрою 5 є і пропонованого АЦП входом інтегратора 6 і входом аналого-цифрового Т,ч в порівнянні з прототипом АЦП, що пропоперетворювача нується має більш високу точність Суть винаходу пояснюється кресленнями, на Аналоговий компаратор 1 може бути виконаяких зображено ний, наприклад, на мікросхемі 521САЗ або будьякій ІНШІЙ мікросхемі описаній в [15, с 175], Логічфіг 4 - структурна схема аналого-цифрового ний пристрій управління 2 може бути виконаний на перетворювача, що пропонується, мікросхемах RLEP8, ЕР310 або інших, більш зручфіг 5 - 4 часові діаграми, що пояснюють робоних для розробника, логічних інтегральних мікроту пристрою, що пропонується для випадку п = 15 і схемах (ПЛИС), що програмуються, описаних в ш=З [22, с 261] Як регістр вихідного коду 3 може бути Запропонований аналого-цифровий перетвобудь-яка керована пам'ять з різним и алгоритмами рювач містить аналоговий компаратор 1, логічний наближення [17, с 45], наприклад, в АЦП двійкопристрій управління 2, регістр вихідного коду З, вого послідовного наближення регістр вихідного цифро-аналоговий перетворювач з усередненням коду 3 може бути виконаний на мікросхемах 564 вихідної напруги 4, в який входять усереднюючий ИРіЗ [18, с, 257], а в АЦП зі ступінчастою пилопопристрій 5, виконаний на базі інтегратора з обнудібною напругою і АЦП стежачого типу регістр вилінням 6 і ключа 7, джерело опорної напруги 8, хідного коду 3 може бути виконаний у вигляді ліцифро-аналоговий перетворювач 9 і цифровий чильника імпульсів на мікросхемах 564 ИЕ11 [16, пристрій 10, в який входять перший лічильник імс 61], з ВІДПОВІДНИМ алгоритмом управління в логіпульсів 11, другий лічильник імпульсів 12, чному пристрої управління 2 кон'юнктор 13, цифровий компаратор 15 і генератор імпульсів 14 Як усереднюючий пристрій 5 може бути викоПерший вхід логічного пристрою 2 підключеристаний інтегратор диференціального тилу, інтений до виходу аналогового компаратора 1, другий груючий різницю вхідних напруг [12, с 139], обнувхід - до ланцюга "Пуск", а перший вихід логічного ління якого виконане по схемі, викладеній в [12, с, пристрою 2 - до ланцюга "Кінець перетворення" 141) шини управління аналого-цифровим перетворюУсереднюючий пристрій 5 може бути виконавачем Інформаційний D-вхід регістра вихідного ний також на базі біполярного джерела струму [20, коду 3 підключений до другого виходу, стартовий с, 176] з конденсатором в навантаженні, що обнуSR-вхід - до третього виходу, а вихід перенесення ляється GR - до третього входу логічного пристрою управУ разі застосування ЦАП, що виробляє на виління 2 Інформаційні розряди регістра вихідного ході струм, пропорційний вхідному коду, наприкоду 3, що формують вихідний код АЦП, підключеклад 594ПА1, як усереднюючий пристрій може, ні до інформаційних входів цифро-аналогового бути застосований звичайний інтегратор зі скиданперетворювача з усередненням вихідної напруги ням [15, с, 122] без вхідного резистора Тоді на 4, а саме до інформаційних входів першого лічивході інтегратора підсумовуються струм, що є вхільника імпульсів 11 цифрового пристрою 10 Вихід дним сигналом АЦП і вихідний струм ЦАП, фаза інтегратора 6 усереднюючого пристрою 5 підклюякого, по відношенню до вхідного сигналу АЦП, чений до першого входу аналогового компаратора регулюється полярністю опорної напруги 1, другий вхід якого є ланцюгом з фіксованим нуДжерело опорної напруги 8 може бути викональовим потенціалом, Інформаційні вхід і вихід не по будь-якій необхідній схемі, викладеній в [1, с, ключа 7 підключені ВІДПОВІДНО ДО входу і виходу 71] або промисловій мікросхемі типу 142 ЕН [21, с, інтегратора 6 Вихід цифро-аналогового перетво292] рювача 9 підключений до входу інтегратора, вхід У якості ЦАП 9 може бути використаний будьопорної напруги - до виходу джерела опорної наякий ЦАП, що випускається промисловістю, наприпруги 8, а інформаційні входи ' до інформаційних клад, мікросхеми 572ПА1, 572ПА2, 594ПАІ [21, с виходів першого лічильника імпульсів 11 ВІДПОВІД238] НО, вихід перенесення якого підключений до свого Лічильник імпульсів 11 і 12 можуть бути виковходу перенесення, ( т + 1)-й вихідний розряд друнані на мікросхемі 564 НЕ11 [16 с 61] 14 13 50868 Кон'юктор 13 може бути виконаний на мікроцьовує, внаслідок чого інформаційні m молодших схемі 564 ЛА7 [16, с 34] розрядів другого лічильника імпульсів 12 виявляться під низьким логічним рівнем, а по приходу Цифровий компаратор може бути виконаний імпульсу з і-го вихідного розряду лічильника 12 в на мікросхемах 561 ИП2 [18, с 270] усі ( т + 1) розрядів лічильника 12 запишуться Генератор імпульсів може бути виконаний по "лог 0" і цифровий пристрій 10 перейде в режим схемі, викладеній в [18, с 25] роботи такої ж, як і в прототипі, тобто почнеться Запропонований АЦП працює таким чином широтно-імпульсна модуляція молодшого розряду Вхідний сигнал (безпосередньо, якщо він є струвихідного коду АЦП (див фіг 5з) На виході інтеграмом або через резистор, якщо він є напругою), що тора 6 під час формування вихідного розряду до перетворюється, поступає на другий вхід усередприходу 14-го тактового імпульсу на регістр вихіднюючого пристрою 5, Початок циклу перетворення 03 я нии К ного коду 3 встановиться вихідний сигнал, посилев п-Р Р Д °Д починається в момент появи т ний в 2 раз, що особливо важливо до кінця урівсигналу "Пуск" на другому вході логічного приноваження (див фіг 5и), коли різниця між вхідним строю управління 2 з алгоритмом, викладеним на сигналом АЦП і вихідним сигналом ЦАП дуже мафіг 2, по якому на третьому виході логічного прила строю управління 2 встановлюється сигнал низького логічного рівня (див фіг 5а, б) і поступає на Запропонований аналого-цифровий перетвостартовий SR-вхід регістра вихідного коду 3, готурювач може працювати з регістром вихідного коду ючи його тим самим до режиму установки в початз алгоритмом зважування, ВІДМІННИМ ВІД прототиковий стан По мірі надходження тактових імпульпу, наприклад, послідовного рахунку [23, с 243], сів з виходу генератора імпульсів 14 (див фіг 5в) в стежачого типу [1, с 158], з ВІДПОВІДНИМ записаним момент появи першого позитивного перепаду на алгоритмом в логічному пристрої управління 2 У ( т + 1)-ом виході другого лічильника імпульсів 12 будь-якому випадку, як тільки код, що складається починається обнуління інтегратора (фіг 5г, и), в з m молодших розрядів, стане рівним нулю, час на старшому значущому розряді регістра вихідного широтно-імпульсну модуляцію при формуванні коду 3 записується логічна одиниця, а в інших розряду буде виключатися "лог О" У цей же момент часу на виході перенеСпочатку підібравши коефіцієнт передачі усесення регістра вихідного коду 3 з'явиться "лог1" реднюючого пристрою 5 досить високим технічне (див фіг 5е), яка спричинить появу "лог 0" на перрішення дозволяє Його автоматично збільшувати шому виході логічного пристрою управління 2, що до кінця урівноваження в 2 т раз, що дозволяє збісигналізує про початок перетворення (див фіг 5ж) льшити співвідношення вхідний сигнал/шум комПісля ПОЯВИ " Л О Г І " на ( т + 1)-ому виході другого паратора при формуванні останніх молодших розлічильника імпульсів 12 через час затримки х на рядів третьому виході логічного пристрою управління 2 Інтегрування вхідного сигналу під час усередзнов встановиться сигнал "лог 1" (див фіг 56) нення нарівні з сигналом зворотного зв'язку, так само як і в інтегруючих АЦП приводить до зглаВІДПОВІДНО вибраному режиму цифрового комджування всіх швидких, в порівнянні з часом інтегпаратора 15 при коді з m молодших розрядів вихірування, перешкод наведень і шумів, так як інтегдного коду АЦП рівному 0 на виході цифрового рування сигналу за час Т еквівалентно Його компаратора встановлюється "лог 1", яка поступає фільтрації за допомогою фільтра низьких частот на m інформаційних входів молодших розрядів [1, с, 168] другого лічильника імпульсів 12 3 появою високого логічного рівня на і-ому виході другого лічильниОдночасне усереднення не тільки сигналу ка імпульсів 12 інформація з виходу цифрового зворотного зв'язку, але і вхідного сигналу додає компаратора "логі" записується в лічильник, внаАЦП, що пропонується, переваги інтегруючих слідок m молодших його розрядів рівні "лог 1" а ( т АЦП, що дозволяють компенсувати і ряд складо+ 1)-й рівний "лог 0", оскільки ( т + 1)-й інформавих статичної погрішності - зміна коефіцієнта поційний вхід завжди знаходиться під низьким логічсилення усереднюючого пристрою, зумовлену ним рівнем (див фіг 5д) 3 цього моменту йде усезміною параметрів ланцюгів, зберігаючи відому реднення різниці двох сигналів з виходу цифроструктуру АЦП з ЦАП в ланцюгу зворотного зв'язаналогового перетворювача і входу аналогоку, у яких перетворення йде відразу в двох коорцифрового перетворювача (фіг 5и) динатах - в просторі і часі, і не тільки у часі, як у інтегруючих Наступний імпульс з ( т + 1)-го виходу другого Технічне рішення дозволило використати колічильника імпульсів 12 прийде рівне через період рисну особливість інтегруючих методів, викладену надходження тактових імпульсів з генератора 14, в [14, с 68], а саме струменевий вхід, коли напруга так як під час формування (n-m) старших розрядів зсуву інтегратора не грає ролі, що потрібно розрацифровий компаратор 15 завади буде втримувати ховувати на отримання хороших характеристик другий лічильник імпульсів 12 в переповненому при малих сигналах, стані по m молодшим розрядам Джерела використаної інформації Т ч протягом перших дванадцяти періодів 1 Бахтиаров Г Д , Малинин В В , Школин В Г надходження тактових імпульсів формування вихі"Аналого-цифровые преобразователи" , - М , Содного коду АЦП буде відбуватися без широтноветское радио, 1980 імпульсної модуляції По приходу тринадцятого імпульсу на тактовий вхід регістра вихідного коду З 2 A C CPCP№ 323789 встановиться "лог 1" в тринадцятому розряді вихі3 Заявка ФРН № 2325055, G01P 27/22, 1974 дного коду і код з m молодших розрядів не стане 4 Смирнов Г В , Шаповалов Ю Н , Немировский не рівним нулю Цифровий компаратор 15 спраЮ В , Петров В А Аналого-цифровые преобразо 16 15 50868 ватели в модульных измерительных системах, АН 15 Алексеенко А Г , Коломбет Е А , Стародуб Г Н УССР, Морской гидрофизический институт, преПрименение прецизионных аналоговых микроспринт, Севастополь, 1983 хем - М Радио и связь, 1985 5 Махнанов В,Д,, Мишшш Н,Т Устройства частот16 Ланцов А Л , Зворикин Л Н , Осипов И Ф , Циного время-импульсного преобразования, Москва, фровые устройства на комплементарных МДП Энергия, 1970 интегральных микросхемах - М Радио и связь, 1983 6 Васильев В Н , Гусев Ю М , Миронов В Н и др Электронные промышленные устройства Москва, 17 Балакай В Г, Крюк И П , Лукьянов Л М ИнтегВысшая школа, 1988 ральные схемы аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей - М Энергия, 7 Микроэлектронные цифро-аналоговые- и анало1978 го-цифровые преобразователи информации Под редакцией В Б Смолова -Л,, Энергия, 1976 18 Шило В Л Популярные цифровые микросхемы, - М, Радио и связь , 1987 8 Марцинкявичус А,-И К,, Багданскис Э.-АК,, Лотюнас Р Л,, Драган Б,В , Кажукаускас Й М , Кучинс19 Статин В В , Урусов А В , Мологонцева О Ф , кас И Д Быстродействующие интегральные микПроектирование цифровых устройств на однокриросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров стальных микроконтроллерах - М ЭнергоатомизМ Радио и связь, 1988 дат, 1990 9 А,с, СРСР № 1837392 - прототип 20 Тице У , Шенк К , Полупроводниковая схемотехника - М Мир, 1982 10 А с СРСР №1642587 11 Федорков Б Г , Телец В А Микросхемы ЦАП и 21 Гутников В С Интегральная электроника в изАЦП функционирование, параметры, применение мерительных устройствах 2-е издание, - Л Энер- М Энергоатомиздат, 1990 гоатомиздат, Ленинградское 12 Щербаков В Н , Грездов Г И Электронные 22 Нефедов А В , Савченко А М , Феоктистов схемы на операционных усилителях - Киев, "ТехЮ Ф , Зарубежные интегральные микросхемы для ніка", 1983 промышленной электронной аппаратуры Справочник Под ред Ширякова ЮФ - М,, Энергоатоми13 Парамонов А Н , Кушнир В М , Забурдаев В И здат, 1989 Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана, - Киев, Наукова 23 Кар Дж Проектирование и изготовление элекдумка, 1979 тронной аппаратуры Под ред, д т н,, проф, Теплякова И М , 2-е издание, -М,, Мир, 1986 14 Хоровиц П , Хилл У , Искусство схемотехники т, I и II, под ред Гальперина М - М,, Мир, 1984 Vyі"=.t \ 1 н? ^> к d- — і У є та не і ФІГ 2 17 50868 ррппгшпппппппппппппппппрпплт fir 5 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 18