Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой код и устройство для его осуществления

 

r: " þ., 1 . B. Я. Загурский и И. Я, Зарумба

Институт электроники и вычислительной гехники--.....,. „

АН Латвийской GCP г (72) Авторы изобретения (7.3) Заявитель (S4) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

В ЦИФРОВОЙ KOll И УСТРОЙСТВО ЙЛЯ ЕГО

ОСУШЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к способам и устройствам преобразования аналогового сигнала в цифровой коц и используемым в системах преобразования формы информации в измерительной и вычислительной технике. 5

По основному авт. св. ¹ 892704 известен способ преобразования аналогового сигнала в цифровой коц, включаюший генерирование вспомогательного сигна- ла, модулирование этим сигналом уров ней квантования преобразуемого сигнала, одновременно квантование преобразуемого и вспомогагельного сигналов и одновременное считывание цифровых значений квантованных величин преобразуемого и вспомогательного сигналов в моменты пересечения преобразуемым сигналом любого иэ моцулированных уровней квантования преобразуемого сигнала f 1 1.

Недостатком этого способа является низкая .точность при преобразовании сигналов, в которых есть участки иэмене2 ния, синфазные изменениям вспомбгательного сигнала.

Известно устройство преобразовании . аналогового сигнала в цифровой «оц по авт. св. СССР ¹ 892704;

coneðæàøåå блок задания эталонных уровйей квантования, подключенный к входам блока квантования преобразуемого сит нала, цругой вхоц которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регист ры старших и млацших раэряцов, генера тор вспомогательного сигнала, первый выход которого подключен к входу блока зацания эталонных уровней и вхоцу блока квантования вспомогательного сигнала, второй выход генератора поцключен к управляюшему входу цешифрагора, выхоц блока кван гования преобразуемого сигнала поцключен к вхоцу формирователя строб-сигналов, выход которого поцключен к входам стробирования регистров стар ших и млацших раэряцов, к входам которых поцключены соответственно выхоцы блока квангования преобразуемого car .

3 10053 нала и блока квантования вспомогательного сигнала, а к выхоцам регистра

° старших разрядов подключены вхоцы цешифратора.

Недостатком ценного устройства является низкая точность при преобразовании сигналов, в которых есть участки изменения, синфазные изменениям вспомогательного сигнала.

Бель изобретения - повышение точно- 3О сти за счет увеличения числа отсчетов.

Поставленная цель цостигается тем, что согласно способу преобразования .аналогового сигнала в цифровой коц,оцновременно с первым генерируют второй вспо- t$ могательный сигнал, Йарафазный первому, при этом первым вспомогательным сигналом моцулируют нечетные, а вторым вспомогательным сигналом — четные уровни квантования, в моменты считыва- 20 ния цифровых значений квантованных сигналов сравнивают между собой текущее и прецыдушее цифровые значения квантовой величины преобразуемого сигнала, причем за старшие разряцы цифрового 23 отсчета принимают текущее значение, если оно меньше прецьщущего, или прецыцущее, если оно меньше текущего или равно ему, а млацшие разряды отсчета опрецеляют как цифровые значения кван- уу тованной величины первого вспомогательного сигнала, если млацший из старших разряцов равен "1", или инверсное цифро- вое значение этой квантованной величины, если млацший из старших разряцов равен

"0 "

Причем в устройство преобразования аналагового сигнала в цифровой коц введены второй блок задания эталонных уровней квантований, блок сравнения и блок опрецеления коца млацших разряцов цифрового отсчета, первый ахоп которого соецинен с выхоцом второго регистра, а второй вход - с .выхоцом блока сравнения, первый вхоц которого соецинен с

43 выхоцом первого регистра, а второй вхоц- . с выходом блока квантования преобразу» емого сигнала, третий ахоп которого соецинен с выхоцом второго блока зацания эталонных уровней квантований вхоц

Ю ,которого соецинен с инверсным выхоцом генератора вспомогательного сигнала.

04 4 ции прецлагаемого способа.; на фиг. 4цругой вариант устройства цля реализации предлагаемого способа, На фиг. 1 обозначено: преобразуемый сигнал 1; кусочно-линейная аппроксимация 1 сигнала 1 по цифровым отсчеI там; вспомогательный сигнал 2, извест-, ный по форме и ограниченный по цлитель ности Т, а по величине значением с, инверсный сигналу 2 второй вспомогательВ ный сигнал 3 такой же формы, цлительностью Т и амплитуцы; четные уровни квантования 4; преобразуемый сигнал 5 синфазный сигналу 2; нечетные уровни 6 квантования; 7 — моцулируемые согласно изменению сигнала 2 нечетные уровни 6 квантования и согласно изменению сигнала 3 четные уровни квантования 4 во времени; ТН начало преобразования;

T l, Т2, ..., Т l 0 — моменты пе ресечения сигналом 1 любого из уровней 7 квантования.

В качестве вспомогательных сигналов

2 и 3, кроме сигнала треугольной формы, может быть выбран любой непрерывный сигнал известной формы; пилдобразный, синусоицальный и т.п.

Фиг, 2 соцержит преобразуемый сигнал 8, уровни квантования 9 вспомогательного сигнала 2 с цискретностью квантования P,%8=AD,, грубые кванты

10 цифрового отсчета, кратные с ; точные кванты 11 цифрового отсчета, кратные 1; T l,..., Т8 — моменты считывания квантовых значений. Остальные обозначения такие же, как на фиг. 1.

Число и грубых квантов с опрецеляется величиной цинамического циапазона преобразуемого сигнала. Для простоты на фиг. 2 показано 4 уровня квантова-, ния, что соответствует и =:4. Число точных квантов 1 выбирается Q = тЮ, цля простоты rn =4, на фиг. 2.

Величина периоца Т сигналов 2 и 3 опрецеляет максимальное время преобразования. Уменьшая Т, можно увеличивать быстроцействие; сохраняя выбранную точность преобразования.

В соответствии с фиг. 1 и 2 реализация способа происходит слецуюшим образом.

На фиг. 1 привецены временные циаг» раммы, иллюстрирующие опрецеление мо- ментов считывания отсчетов; на фиг. 2— принцип опрецеления старших и млацших квантов отсчета; на фиг. 3 — функцио нальная схема устройства цля реализаДо момента TH результат преобразования отсутствует. Диапазон преобразования разбит уровнями квантования 4 и

6 на области шириной q, - цискретностью квантования преобразуемого сигнала, в частном случае на фиг. 1 на 8 областей уровнями квантования Оу 1с 2q,..., Функциональная схема устройства цля реализации способа показана на фиг. 3, гпе 12 - входная линия устройства, соцержашего входную шину

30 12, генератор 13 вспомогательных сигналов, блок 14-1 запания эталонных четных уровней, блок 14-2 зацания эталонных нечетных .уровней, блок 15 квантования вспомогательного сигнала

2, блок 16 квантования вхоцного сиг» нала, формирователь 17 строб-сигна- . лов, регистры 18 и 19, блок 20 сравнения, блок 21 опрепеления кода млацших разряцов цифрово..о отсчета, при этом прямой выхоц генератора 13 вспомагательных сигналов 2 и 3 (фиг. 1) подключен к блоку запания эталонных нечетных уровней квантования 6 (фиг. 1) и к блоку квантования 15 вспомогательного сигнала 2 (фиг. 1), инверсный выход подключен к блоку 14-1 зацания

I, эталонных четных уровней квантования 4 (фиг. 1 ); 16 — блок квантования сигналов, поцанных на вхоц 12, выходы

SO которого поцключены к первым вхопам регистра 19 и первым вхоцам блока сравнения 20, а также к формирователю

17 строб-сигналов, abixoa послецнего поцключен к вторым вхопам стробирова» ния регистров 18 и 19; блок 20 сравне ния, второй вход которого подключен к регистру 19, а млацший разряд выходных старших разряпов отсчета подключен к первому входу блока опрецеления кода

5 100,"3 ,7Е . Е3 момент TH генерируют известный вспомогательный сигнал 2 и опновременно инверсный ему сигнал 3. Сигнал 2 возцействует на нечетные уровни 6 (на фиг. 11с, Зс, 5g, 7Q), а сигнал 3 на чет- S ные уровни квантования 4 (на фиг. 10, 2q,, 4q, 6q ). При этом провопяг модуляцию уровней 6 и 4; изменяют их относительно исходного состояния на максимальную.величину сигналов 2 и 3, рав- о ную . Эти модулированные уровни 7 изменяются во времени по закону изменения сигналов 2 и 3 и ими непрерывно сканируют весь циапазон изменения преобразуемого сигнала.

Уровни 7 квантования разцеляют диапазон изменения преобразуемого сит нала на замкнутые поцооласти и являются границами этих подобластей. В т случае, когда сигналы 2 и 3 треугольного вица, эти подобласти - геометрические ромбы; в общем случае, в зависимости от функции заданная сигналов

2 и 3, эти поцобласти могут быть более 2S сложной формы, оцнако acerna замкнутые.

Замкнутость подобластей обеспечивает пересечение с их границами преобразуемого сигнала любого вица на интервале времени (T.

Квантование сигнала 1 или 8 прецcrammer собой операцию их сравнения с ряпом уровней 7, которые в цифровом випе закодированы кодами с3, ц.

an 1npmeM с(О 01- "" (an 1-Квантование сигнала 2 представляет собой операцию их сравнения с рядом уровней 9 (фиг. 2), которые в цифровом вице закопированы кодами в „, Ь, 3,, э .

После генерации вспомогательных сигналов 2 и 3, моцуляции ими уровней

4 и 6, одновременного квантования преобразуемого сигнала 8 при помоши уровней 7 квантования и вспомогательно»

ro сигнала 2 при помоши уровней квантования 9, в моменты пересечения пре- образуемым сигналом любого из уровней

7 квантования произвоцят считывание цифровых значений квантованных величин преобразуемого сигнала (1 на фиг. 1 или 8 на фиг. 2) и вспомогательного сигнала 2.

11ля,опрецеления значения старших разряцов цифрового отсчета (разряцы цифрового коца с „) и значения млацших разрядов цифрового отсчета (разряды цифрового коца b> ) сравнивают межцу собой текушие цифровые значения квантованной величины преобразуемого сигнала

0-4 6 в вице копя ;, и момент Ф;, с прецыпушим таким значени."м в момент време ни t (t C 4 }, напр мер о . За старi шие Ейзряцы отсчета принимают о;, если сФ. С ol>, или О>, если с „-)рс . Torse младшие разряды цифрового отсчета опре целяют, исхоця из квантованного значения первого вспомогательного сигнала 2, например в, если млапший разряд стар» .1 ших разряпов равен епинице или инверсному значению коца ;- Ь;, если млац ший разряц старших разряцов равец нулк .

ФСвойство замкнутости уровней квантования 7 как по времени, так и по амплитуце указывает на ro, что принци пиально не существует преобразуемых сигналов, цля которых на временном огрезке, большем Т, не будет пересечения с уровнями 7 квантования, и следовательно, повышается точность при преоб- разовании быстроизменяюшихся сигналов, в том числе полностью или частично синфазных со вспомогательным сигналом.

7 10053 млацших разряцов цифрового отсчета 21, к пругому вхоцу послецнего поцключен выхоц регистра 18, первый вхоц zoroporo подключен к выхоцу блока квантова-. ния 15. Блок квантования 16 может $ быть набором компараторов, например, . напряжений нв основе станцартных компарвторов, первые вхоцы которых объецинены и поцключены к вхоцу 12, а другие поцключены к огвоцам резистив ных целителей, которые являются выхо» дами блоков 14 1 и 14-2. Блок 15 аналогичен 16.

Устройство {фиг. 3) функционирует спец уюшим образом.

Сигналами 2 и 3 с прямого и инверсного выхоцов генератора 13 моцулируюг уровни квантования 6 и 4 вхоцного сит нала 8 (фиг. 2), поцанного на вхоц уст- .ройства 12. Четные уровни квантования

4 зацаются блоком 14-1, а нечетные уровни квантования 6 блоком 14-2. С помощью блоков 16 и 15 проиэвоцят одновременное квантование соответственно сигналов 8 и 2, в результате чего образуются квантованные значения сигна лов 8 и 2.

В моменты времени Т1,..., Т8 пересечения моцулированных уровней 7 с Зп преобразуемым сигналом 8 (фиг. 2) происходят переключение компараторов блока квантования 16 и на их выходах появляются сигналы изменения логических уровней (О- -1 и 1- 0), Блок срав35 нения 20 осуществляет сравнение цифрового значения квангованной величины сигнала 8 на выхоце блока 16 и предыцущего такого значения на выхоце регистра 19 и в случае, когца послецнее меньше первого, на выхоце 19 выцеляет ся значение выхоца блока 10, а в случае когца значение на выхоце блока

16 меньше или равно значению на выхоце регистра 19, то на выхоце 20 выцеI ляется значение выхода блока 16. Изме,няющиеся логические сигналы с выходов компараторов блока квантования 16 по ступают на входы формирователя 17 ,строб-сигналов. Строб-сигналы поступают

50 на стробирующие вхоцы регистров 19 и .

18 и фиксируют в них квантованные значения сигналов 8 и 2 соответственно.

При помощи блока 21, в зависимости от значения младшего разряца из старших раэряцов отсчета на выхоце 20, опрецеляюг младшие разряды отсчета, как равные величине на выхоце регистра

18, если млацший раэряц старших раз04 8 рядов единица, и равные инверсному значению величине иа выхоце регистра

18, если млвцший разряц иэ старших раэряцов равен нулю. Тем самым на выхоцах блоков 20 и 21 формируются соответственно старшие и млацщие раз ряцы цифровых отсчетов сигнала 8 в моменты Т1+Т8.

На фиг. 4 показан вариант функцио нальной схемы устройства цля реалиж» ции способа, .отличающийся ог устройст ва на фщ; 3 особенностями синхронизации процессов квантования преобразуемо,го и вспомогательного сигналов и опрецеления разряцов цифрового отсчета, гце

12 — вхоц устройства, 13 - генератор вспомогательных сигналов 2 и 3 (фиг. 1), прямой выхоц которого, поцкпючен K блоку 14-2 зацания эталонных нечетных уровней квантования 6 (фиг. 1 ) и к блоку квантования 15 вспомогательного сигнала 2 (фиг. 1), инверсный выхоц поцключен к блоку 14-1 эацания эталон ных четных уровней квантования 4. (фиг. 1); 16 — блок квантования сигналов, поцанных на первый вхоц 12, вгорой и третий выхоцы соединены с выхдцом блоков 14-1 и 14-2 соогветсгвенно; 23 - блок сравнения цифровых кодов, первый и второй вхоцы которого объеци иены с первым и вторым вхоцами перво« го мультиплексора 25 и поцключены к выходу блока 15 и выходу первого ре гистра 22 соответственно, первый выход блока 23 соецинен с сгробируемыми вхо» цами первого регистра 22 и второго ре» гистра 2 4, а второй - соединен с управляющим вхоцом первого мультиплексора

25; 26 - вгорой мультиплексор, управляюший вход которого подключен к выхо.су младшего разряде мультиплексора 25, входы мультиплексора 26 поцключены к прямому и инверсному вьгхоцам второго регистра памяти 24, управляющие вхоцы которых соединены с выходом блока квантования 15 вспомогательного сигнала.

Выходы мультиплексоров 25 и 26

У являются цифровыми выходами преобразователя и представляют выходные разряд» ные шины старших и млацших разрядов соответственно. В качестве регистров

22 и 24 могут быть использованы 4айм ры элементов памяти, например триггеров любых типов, имеющих управляющие и стробируемые вхоцы приема цифровой информации.

В качестве блока сравнения коцов 23 может быть использована любая цифровая

9 1005304 10 схема сравнения двоичных чисел, имею- авг. св. % 892704, о г л и ч а юпая первый выход, на котором формирует ш и и с я тем, что, c целью увеличеся сигнал, выдаваемый в момент измене- ния го ности за счет увеличения числа ния коца (больше или меньше), и второй отсчетов, оцновременно с первым геневыхоц, на котором формируется сигнал î S рируют второй вспомогательный сигнал, состоянии схемы пасла сравнения чисел: ° парафаэный первому, при этом первым в случае результата сравнения больше . вспомогательным сигналом моцулируюг

1, в случае меньше». "0". нечетные, а вторым вспомогательным

Различие в синхронизации процессов сигналом четные уровни квантования, квантования преобразуемого и вспомога- 30 в моменты считывания цифровых значвтельного сигнала, а также процессов . ний квантованных сигналов сравнивают определения старших и младших разряцов межцу собой текущее и прецыцушее

I ! в устройстве по фиг. 4 по сравнению с цифровые значения квантованной ввличи устройством по фиг. 3 заключается в ны преобразуемого сигнала, причем за следующем. 1S старшие разряды цифрового отсчета приВ момент изменения кода на выхо- ° нимаюг текущее значение, если оно меньце блока 16 сигналом с первого выхода ше предыцушего, или првцыдушее, если блока 23 осуществляется запись кванто оно меньше текущего или равно ему, а ванного текущего значения преобразуе- млацшие разряцы отсчета опрецеляют мого сигнала и вспомогательного сигна- 20 как цифровые значения квантованной ве» ла в регистры 22 и 24 соответственно.. личины первого вспомогательного сигна

Кроме того, сигналом с второго выхода ла, если младший иэ старших разрядов блока 23 одновременно коммутируется равен «1,.или инверсное цифровое зна в 25 текущее квантованное значение ченив этой квангованной величины, если, преобразуемого сигнала или прецыцущее 2$ младший из старших разрядов равен 0 .. хранящееся в блоке 22. Тем самым при 2. Устройство преобразования анало реальном быстродействии логических .. гового сигнала в цифровой кац, .о т.л и элементов возможное повторное измене ч а ю ш е е с я тем, что в него вве ние кода вследствие быстрого изменения цены второй блок задания эталонных входного преобразуемого сигнала на вы Зо уровней квантования, блок сравнвййя и .ходе блока 16 не.повлияет на процесс . бпок определения коца млацших paspsопрецеления млацших разряцов цифрового дов цифрового отсчета, первый вход отсчета и исключаег воэможность роду которого соединен с выходом второго чения сбоев результата преобразования. регистра, а второй вхоц с выходом

Кроме того, в данном устройстве огсуг блока сравнения, первый вход которого

-ствует необхоцимость формирования спе». соединен с выходом первот о регистра, циальных строб-сигналов цля записи теку а второй вхоц - с выходом блока кван» ших значений квантованных величин.пре- гования преобразуемого сигнала, третий образуемого и вспомогательного сигна- вхоц которого соецинен с вйхоцом вто» лов, реализуется запись непосредственно рого блока задания эталонных уровней фронтом и спадом сигналов с выхоца квантований, вхоц которого соединен с блока сравнения коцов. инверсным выхоцом генератора вспомога тельного сигнала.

Источники информации, Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я принятые so. внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

1. Способ преобразования аналогово- % 892704; кл. Н 03 К 13/175, ro сигнала в цифровой к оц по 20.04.77 (прототип).

)005304

1005304

Т2 U Я T5 Тб

Puz. 2

1005304

Составитель А. Куэнецов

РЕдактор А, йолинич Texpeg М.Коштура Корректор N. Kocra

Заказ 1926(77 Тираж 934 Поцписное

ВНИИПИ Госуцарственного комитета СССР по целам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„ц. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгороц, ул. Проектная, 4