аналого-цифровой преобразователь с плавающей запятой
Классы МПК: | H03M1/00 Аналого-цифровое преобразование; цифро-аналоговое преобразование H03M1/12 аналого-цифровые преобразователи G01V1/24 запись сейсмических данных |
Автор(ы): | Бескровный Николай Иванович, Колмыкова Светлана Ивановна |
Патентообладатель(и): | Бескровный Николай Иванович, Колмыкова Светлана Ивановна |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-08-26 публикация патента:
30.01.1994 |
Изобретение относится к сейсморазведке и может быть использовано в качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой многоканальной аппаратуре. Цель изобретения - увеличение динамического диапазона АЦП и его упрощение. Цель достигается тем, что в АЦП с плавающей запятой, содержащей АЦП, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения, блок управления, постоянное запоминающее устройство, регистр кода порядка, входную шину и выходные шины кода порядка и мантиссы, введены регистр кода усиления и аналоговый переключатель. 2 табл. , 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАПЯТОЙ, содержащий аналого-цифровой преобразователь, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения, блок управления, постоянное запоминающее устройство, регистр кода порядка, входную шину и выходные шины кода порядка и кода мантиссы, отличающийся тем, что, с целью увеличения динамического устройства и его упрощения, в него введены регистр кода усиления и аналоговый переключатель, первый информационный вход которого является входной шиной, второй информационный вход соединен с выходом устройства выборки-хранения, вход управления которого объединен с управляющим входом аналогового переключателя и соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к входу управления аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первой группой адресных входов постоянного запоминающего устройства, а информационный вход объединен с информационным входом блока выборки-хранения и подключен к выходу программируемого усилителя, аналоговый вход которого соединен с выходом переключателя, а цифровой вход подключен к выходам регистра кода усиления, вход данных которого и вход данных регистра кода порядка подключены соответственно к первой и второй группам выходов постоянного запоминающего устройства, входы сброса регистров кода усиления и порядка соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока управления, пятый выход которого подключен к входам записи регистров кода усиления и порядка, выходы последнего из которых соединены с второй группой адресных входов постоянного запоминающего устройства и являются выходной шиной кода порядка, выходной шиной кода мантиссы являются выходы аналого-цифрового преобразователя.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к сейсморазведке и может быть использовано в цифровой многоканальной сейсморазведочной скважинной аппаратуре. Известно устройство, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), усилитель с программируемым коэффициентом усиления, схему управления [1] . Недостатками известного устройства являются невысокое быстродействие и сложность конструкции. Невысокое быстродействие обусловлено тем, что для определения порядка измеряемой величины требуется до 12 тактов, каждый из которых включает операцию преобразования аналоговой величины в цифровую. Сложность конструкции обусловлена применением двухкаскадного усилителя. Для обработки сейсмических сигналов, имеющих большой динамический диапазон (более 100 дБ), максимальное усиление должно быть не менее 72 дБ (4096 раз). Однокаскадный усилитель с таким коэффициентом усиления имеет время установления, значительно превышающее допустимое. Поэтому в известном устройстве применен двухкаскадный усилитель, в котором максимальное усиление каждого каскада равно 64. Это усложняет конструкцию и не позволяет применять устройство в многоканальной скважинной аппаратуре. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа АЦП с плавающей запятой, содержащий АЦП, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения, блок управления, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), регистр кода порядка, аналоговый вход, выходы, выход кода порядка и выход кода мантиссы [2] . Недостатком известного АЦП с плавающей запятой является сложность конструкции, обусловленная применением двух АЦП: одного для измерения мантиссы, другого для измерения порядка, причем второй является параллельным, что еще более усложняет конструкцию. Недостатком известного АЦП является также невозможность обработки им сейсмических сигналов с динамическим диапазоном более 100 дБ. Целью изобретения является увеличение динамического диапазона АЦП с плавающей запятой и его упрощение. Упрощение конструкции достигается за счет использования для измерения порядка и мантиссы одного АЦП, а увеличение динамического диапазона достигается за счет того, что усиление сигнала производится однокаскадным усилителем в два этапа. На фиг. 1 представлена блок-схема АЦП с плавающей запятой; на фиг. 2 - блок-схема программируемого усилителя; на фиг. 3 - блок-схема блока управления; на фиг. 4 - временная диаграмма работы АЦП с плавающей запятой. АЦП с плавающей запятой (фиг. 1) содержит АЦП 1, ПЗУ 2, устройство 3 выборки и хранения, регистр 4 кода усиления, регистр 5 кода порядка, переключатель 6, программируемый усилитель 7, блок 8 управления, вход 9, первый и второй выходы 10 и 11. На первом выходе 10 формируется цифровое значение порядка (Р), а на втором выходе 11 - цифровое значение мантиссы (М) измеряемой величины. Результат измерения (А) представляется в виде числа с плавающей запятой, имеющего видА =

K= - Nмакс/N ,
здесь Nмакс = 2n, где n - число двоичных разрядов ЦАП:
N - двоичное число, поступающее на цифровые входы ЦАП. В качестве умножающего ЦАП 25 применена микросхема 572ПА1 (бКО. 347.182 ТУ1), для которой n = 10. Из всех возможных значений К выбирают необходимые для работы предлагаемого АЦП. Эти значения и соответствующие им двоичные коды N на входе ЦАП приведены в табл. 1. Как видно из табл. 1, четыре младших разряда кода во всех случаях имеют одинаковые значения, поэтому они объединены и сигнал на них поступает по одной шине. Управление коэффициентом усиления усилителя 7 производится словом длиной 7 бит. Операционный усилитель 26 может иметь структуру, предложенную в работе Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л. : Энергоатомиздат, 1988, с. 51, рис. 1.22. Его низкочастотный канал выполняется на операционном усилителе типа 140УД17 (бКО. 347.004 ТУ 17), а высокочастотный - на 544УД2 (бКО. 347.040 ТУ). Блок 8 управления может являться составной частью устройства управления системы сбора и обработки аналоговой информации, в состав которой входит предлагаемый АЦП. Если оно используется самостоятельно, то блок управления должен входить непосредственно в состав АЦП. Один из примеров технического решения блока управления приведен на фиг. 3. В его состав входят генератор 27 тактовых импульсов, распределитель 28 импульсов, комбинационная схема, собранная на элементах ИЛИ 29-31, одновибратор 32. Генератор 27 может быть выполнен по схеме, предложенной в работе Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. - Челябинск: Металлургия, 1989, с. 214, рис. 2.21а. Он вырабатывает тактовые импульсы (ТИ). Их период задает длительность такта работы АЦП. Как показано ниже, количество тактов, необходимое для одного измерения (цикл измерения), для предлагаемого АЦП равно восьми. Такты пронумерованы от нулевого до седьмого. Они показаны на временной диаграмме работы АЦП (фиг. 4). Цикл измерения начинается нулевым тактом и заканчивается седьмым тактом. За седьмым тактом следует нулевой такт следующего цикла измерений. На временной диаграмме (фиг. 4) показаны также сигналы, которые должен вырабатывать блок 8 в каждом такте. Номер такта определяется состоянием распределителя 28 импульсов. Единичный сигнал на одном из его выходов, обозначенных цифрами, указывает номер текущего такта. Распределитель представляет собой последовательно соединенные двоичный счетчик, считающий до восьми, и дешифратор на восемь выходов. Такую структуру имеет микросхема 564ИЕ9 (бКО. 347.064 ТУ8). Блок 8 управления работает следующим образом. С приходом ТИ на С-вход распределителя 28 последний переходит в следующее состояние, благодаря чему единица с одного из его выходов передвигается на следующий. Некоторые сигналы с выхода распределителя поступают непосредственно на выход блока 8 управления. Это происходит, когда управляющий сигнал должен быть активным только в одном такте. Например, сигнал, поступающий на вход 19 регистра 5, должен быть активен только в нулевом такте. Поэтому этот сигнал снимается непосредственно с нулевого выхода распределителя 28. Если сигнал должен быть активен в нескольких тактах, то он является логической суммой сигналов этих тактов. Например, сигнал, поступающий на вход 13 АЦП 1, активен в первом, четвертом и седьмом тактах. Поэтому он формируется элементом ИЛИ 29, к входам которого подключены первый, четвертый и седьмой выходы распределителя 28 импульсов. Сигнал установки в ноль на входе 18 регистра 4 в четвертом такте должен иметь длительность меньше длительности такта. Поэтому он формируется одновибратором 32, запускаемым сигналом с четвертого выхода распределителя 28. В качестве одновибратора может быть использована микросхема 564АГ1 (бКО. 347.064 ТУ32). Выход одновибратора подключен к входу элемента ИЛИ 30. Логические элементы ИЛИ 29-31 могут быть выполнены на микросхеме 564ЛС2 (бКО. 347.064 ТУ7). Управление устройством 3 выборки-хранения и переключателем 6 производится сигналом, снимаемым с выхода переноса распределителя 28 импульсов. Он активен с четвертого по седьмой такты. Предлагаемый АЦП работает в соответствии с временной диаграммой, приведенной на фиг. 4. Цикл преобразования состоит из восьми тактов. В нулевом такте АЦП с плавающей запятой переводится в исходное состояние. Первый, второй, третий и четвертый, пятый, шестой такты являются соответственно первым и вторым этапами определения порядка. В конце шестого такта в АЦП сформированы порядок числа в цифровом виде и мантисса в аналоговом виде. В седьмом такте происходит преобразование мантиссы в цифровой код, после чего на выходах 10, 11 формируется двоичное число с плавающей запятой, являющееся результатом измерения аналогового сигнала, поступающего на вход 9 в первом, втором и третьем тактах данного цикла преобразования. В предлагаемом АЦП применен однокаскадный усилитель с коэффициентом усиления, изменяющимся ступенями через 6 дБ в соответствии с табл. 1. Усиление сигнала производится в два этапа. На первом этапе измеряемый сигнал поступает на вход 24 усилителя 7, усиливается в К1 раз и запоминается в устройстве 3 выборки-хранения. На втором этапе вход 24 усилителя 7 подключается к выходу устройства 3 и происходит усиление сигнала в К2 раз. Коэффициент усиления такого усилителя равен К = К1


М = 11010000002. По сравнению с известными устройствами аналогичного назначения предлагаемый АЦП с плавающей запятой позволяет снизить вес и размеры сейсморазведочной скважинной аппаратуры, являющиеся ее важнейшими характеристиками. Их уменьшение приводит к повышению качества измерений. Немаловажное значение имеет также ее термостойкость. Предлагаемый АЦП позволяет удовлетворить эти требования. Размеры и вес аппаратуры определяются в большой степени сложностью конструкции электронных узлов аппаратуры, наиболее ответственным из которых является АЦП. Упрощение конструкции аппаратуры достигнуто в данном случае не только за счет упрощения конструкции АЦП, но и за счет расширения его динамического диапазона и снижения энергопотребления. Первое приводит к упрощению предварительного усилителя аппаратуры за счет исключения цепей переключения коэффициента усиления, второе - к упрощению блока питания аппаратуры. Снижение энергопотребления достигается за счет применения элементной базы, выполненной по технологии К-МОП. Снижение тока потребления ПЗУ достигается за счет применения для него импульсного питания. Предлагаемый АЦП не содержит элементов, рассеивающих большую мощность и разогревающихся за счет этого. Это позволяет использовать его при максимально допустимых температурах для применяемых элементов. При этом компенсация ухода нуля предлагаемого АЦП и его калибровка производятся при дальнейшей обработке получаемой информации. (56) 1. Сейсмометры, регистраторы и сейсмометрические каналы. Сейсмические приборы. Вып. 18. - М. : Наука, 1986, с. 66-67, рис. 3. 2. Приборы и техника эксперимента, N 2, , 1986, с. 109-111.
Класс H03M1/00 Аналого-цифровое преобразование; цифро-аналоговое преобразование
Класс H03M1/12 аналого-цифровые преобразователи
Класс G01V1/24 запись сейсмических данных