Вероятностный аналого-цифровой преобразователь
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных вычислительных машиЛах, вычислительной технике и телеметрии. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Цель достигается за счет того, что в устройство, содержащее генератор 1 случайных чисел , цифроаналоговый преобразователь 2, блок 3 элементов вычитания, блок 5 компараторов, блок 6 элементов антисовпадения , шифратор 7, введен блок 4 корректировки результата преобразования , содержащий элемент 12 суммирования , компаратор 13 и два элемента 14 и 15 антисовпадения. Генератор 1 случайных чисел имеет треугольный закон распределения случайных чисел, при этом у цифроаналогового преобразователя 2 в два раза увеличен диапазон выходного напряжения, что обеспечивает независимость математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. 1 ил. (Л
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
COUHAËÈÑTÈ×EÑÍÈХ
РЕСПУБЛИК
980
А1 (51) 4 H 03 М 1/04
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4105319/24-24 (22) 02.06.86 (46) 07.02.88. Бюл. М 5 (72) Е.И.Телешинин и В.Е.Фарбер (53) 681.325(088.8) (56) Бахтиаров Г.Д. и др. Аналогоцифровые преобразователи. — М.: Советское радио, 1980, с. 30, 186-188.
Гладкий В.С. Вероятностные вычислительные модели. — M. Наука, 1973, с. 113-118. (54) ВЕРОЯТНОСТНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (») Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных вычислительных маши%ах, вычислительной технике и телеметрии. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Цель достигается за счет того, что в устройство, содержащее генератор 1 случайных чисел, цифроаналоговый преобразователь
2, блок 3 элементов вычитания, блок
5 компараторов, блок 6 элементов ан— тисовпадения, шифратор 7, введен блок
4 корректировки результата преобразования, содержащий элемент 12 суммирования, компаратор 13 и два элемента 14 и 15 антисовпадения. Генератор
1 случайных чисел имеет треугольный закон распределения случайных чисел, при этом у цифроаналогового преобразователя 2 в два раза увеличен диапазон выходного напряжения, что обеспее чивает независимость математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. 1 ил.
1372617
Изобретение относится к цифровой вычислительной и управляющей технике, предназначено для преобразования аналоговых электрических сигналов в цифровую форму и может быть использовано в управляющих вычислительных машинах, вычислительной технике и те-. леметрии.
Цель изобретения — повышение точ- 1р ности за счет обеспечения независимости математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. 15
На чертеже представлена блок-схема вероятностного аналого-цифрового преобразователя.
Устройство содержит генератор 1 распределенных по треугольному закону 20 случайных чисел, цифроаналоговый преобразователь 2 (ЦАП), блок 3 элементов вычитания, блок 4 корректировки результата преобразования, блок 5 компараторов, блок 6 элементов антисовпадения (ЭАС), шифратор 7, тактовую 8 и входную 9 шины, шину 10 опорных напряжениЙ и выходную шину
11. Блок 4 корректировки результата преобразования содержит элемент !2 суммирования, компаратор 13, первый
14 и второй 15 элементы антисовпадения.
Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.
На входную шину 9 поступает входной сигнал U(t), который необходимо оцифровать. Каждый элемент вычитания блока 3 уменьшает этот входной сигнал на величину своего опорного уровня U; и формирует разностный аналоговый сигнал
bU, = U(t) — U,, где i = 1,2,...,ш, который подается на второй вход соответствующего компаратора блока 5. Со45 седние опорные уровни напряжения отличаются на постоянный дискрет hU.
Элемент 12 суммирования формирует дополнительный суммарный сигнал о = () + = U(t) + "1 50 необходимый для обеспечения корректировки результата округления малых напряжений и который подается на второй вход компаратора 13. На первые входы всех компараторов блока 5 и компаратора 13 с ЦАП 2 поступает случайное аналоговое напряжение U, распределенное по треугольному закону в диапазоне (0,2Ы), дискретно меняющееся по тактовому импульсу и постоянное в течение такта оцифровки.
Это случайное напряжение формируется с помощью генератора 1 распределенных по треугольному закону случайных чисал ГС4 и ЦАП 2 после поступления на тактовую шину 8 очередного тактового импульса, запускающего
ГСЧ. В компараторах происходит сравнение этого случайного напряжения и разностного аналогового сигнала а0;. На выходах компараторов вырабатывается логическая "1", если $ U Ж, и логический "0" при обратном соотношении.
Поскольку сравнение разностей АЦ, производится со случайной величиной, меняющейся в диапазоне 0,2dU и имеющей треугольные законы распределения, то одновременно со сравнением и происходящей при этом оцифровкой входного сигнала, т.е. получением на выходах компараторов совместного унитарного кода, осуществляется вероятностное округление входного аналогового напряжения, в результате чего обеспечивается независимость мате" матического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. Сигналы с выходов компараторов подаются на ЭАС блока 6 и элементов 14 и 15, которые на выходе вырабатывают-логическую "1" только в случае наличия на двух входах противоположных логических сигналов ("0" и "1").
Таким образом, логическая "1" возникает только на одном ЭАС блока б или элементе 14 или 15, который находится на границе перехода сигналов от "1" к "0" на выходах блока 5 компараторов и компаратора 13, т.е. на той, ниже которой компараторы вырабатывают "1", а выше — логические "0".
По выходному сигналу антисовпадений блока 6 и элементов 14 и 15 шифратор
7 формирует выходной п-разрядный код, который выдается на шину 11.
По сравнению с известным преобразователем предлагаемый обеспечивает независимость математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения квантуемого сигнала, что повышает точность вычислений.
Докажем наличие этого свойства.
Обозначают Ь0 дискрет квантования
АЦП. Плотность вероятности распреде1372617 ленного по треугольному закону на интервале от 0 до 2ЛБ случайного напряжения Uy, с которым сравниваются разности дУ; = U(t) — U; для каждого опорного уровня U,, определяется выражением
О, при 2йБ» U coo;
1 — — „—,(2Ь1) — Uq), при41) » Б Ж; 0
W(U() =
1 — — — Б при (ьО) Г
0» 1)(» ди;
О, при — oo»U »О, 15
hU, = U(t) — U, = U(t) — Π= U(t).
3)
Во всех компараторах, включая эти два компаратора, производится сравнение "своего" разностного аналогового
Представляют квантуемый сигнал
U(t) в виде Ч = jbU + U, где, = О, 1..., 0» У» Ь 1). Тогда, результат предварительного округления и дальнейшей оцифровки можно представить следующим образом:
Y = jdU+y, где у = ИБ;
= 0,1,2 и представляет собой поправку при вероятностном квантовании, кратно h U.
Поскольку ошибка округления равна
f = Y — Ч = у — U то, не нарушая общности полученных результатов, анализируют случай j = О, т.е. V = U, Y у 0» U»bU, 30
Для обеспечения единого закона округления входного аналогового сигнала во всем диапазоне, включая малые сигналы в пределах первого дискрета квантования О с U» ЬБ, в АЦП используется цепь корректировки результата оцифровки малых напряжений, построенная аналогично цепочкам анализа для каждого опорного уровня напряжения в АЦП и содержащая элемент 40
12 суммирования, компаратор 13 и два элемента 14 и 15, элемент 12, совместно с положительным опорным уровнем U = b U формирует суммарный сигнал
bU = 1)() — (-U) = U(t) + М =
U(t) + U21 (2) который используется в качестве младшего разностного сигнала и подается на первый компаратор блока 5.
На второй компаратор блока 5 подается разностный сигнал с первого элемента вычитания блока 3: сигнала bU,, i = 1,2,..., m co случайным напряжением U и вырабатывается логический О в случае (4) и логическая "1" при обратном соотношении.
В рассматриваемом случае 0» U» д U на всех компараторах блока 5, кроме первых двух, вырабатываются логические "О" при любом случайном напряжении У Е (0,2aU), так как для них всегда выполняется соотношение (4). На выходах первого и второго компараторов блока 5 значения логических сигналов зависят от случайного напряжения U, причем возможны следующие комбинации выходных сигналов этих компараторов: 00, 10, 11, что соответствует поправкам при округлении "О", bU, 2bU, для определения математического ожидания m и дисперсии 6 ошибок округления находят
Е вероятности формирования этих поправок P (0), Р (1), P (2) .
Нулевая поправка у = О вырабатывается в АЦП при одновременном появлении на выходах первого и второго компараторов блока 5 логических "О", что выполняется при условии U»Up (для второго компаратора) и U + bU»
» Uq (для первого компаратора) .
Вероятность появления нулевой поправки равна вероятности выполнения нижнего условия и определяется выражением
2д0 2ь0
P(0) = J W(U ) dU) = --у (2 Л
1 а0 0 1 аи>>и
U )dU = — — -(bU (2bU (5)
Поправка у = 2ЬБ соответствует появлению на выходах обоих компараторов логических "1". Вероятность формирования поправки у = 2ЬБ равна вероятности выполнения условия
U)U( (6) и определяется из следующего выражения: и U
P(2) = f W(UF)dUF (— - U dU
ЬП о
1)2 (7)
2дБ2
В остальных случаях формируется поправка округления, когда вырабатывается логическая "1" на первом компараторе и логический "О" на втором компараторе ° Вероятность появления такой поправки округления при оцифровке равна!
372617 .
Р(1) = 1 — Р(0) — Р(2) = 1 — — — х
2aU2
1О
U2 ьи
x ——
2aU 2 (9) Ф о р и у л а и э о б р е т е н и я
Вероятностный аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок
Составитель В.Гейирихс
Техред М,Дидык Корректор С.Шекмар
Редактор И.Дербак
Заказ 499/55
Тираж 928 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4
Ц2
x (aU — U)
2aU (8)
Математическое ожидание m и дис6 персия G ошибок округления по найе денным вероятностным определяются следующим образом: г
m (iaU — U) P(i) = (U) х о
1 1
x — — (aU — U) + (Ь13 — U) 1- — — х
2aU 2aU х (aU — U) — — --J + (24U — U) х у 1
2aU J
5 = (iЬ1) =о
Ь1)з
Таким образом, математическое ожидание m и дисперсия Q ошибок округ- 25 с E.ления при оцифровке в предлагаемом вероятностном АЦП равны соответствень11 Ьцв но — и — — и не зависят от .закона
2 4
30 распределения квантуемого аналогового напряжения V().
Независимость вероятностных характеристик (математического ожидания и дисперсии) от входного сигнала позволяет устранить неконтролируемую поте- 35 рю точности и дает воэможность проводить компенсацию систематической ошибки при вычислениях, что ведет к повышению точности вычислений или к снижению. требования к высокой разрядности АЦП. элементов вычитания, первый вход которого является входной шиной, вторая группа входов которого является ши" ной равномерно возрастающих опорных уровней, блок компараторов, первый вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, входы которого соединены с соответствующими выходами генератора случайных чисел, вход которого является шиной тактовых импульсов, выходы блока элементов вычитания соединены с соответствующими вторыми входами блока компараторов, выходы которого соединены с соответствующими входами блока элементов антисовпадения, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами шифратора, выходы которого являются выходной шиной, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности, введен блок корректировки результата преобразования, выполненный на элементе суммирования, компараторе и двух элементах антисовпадения, выходы которых соединены с соответствующими вторыми входами шифратора, первый вход первого элемента антисовпадения является шиной уровня логической единицы, второй вход первого элемента антисовпадения объединен с первым входом второго элемента антисовпадения и подключен к выходу компаратора, второй вход второго элемента антисовпадения соединен с первым выходом блока компараторов, причем первый вход компаратора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а второй вход — с выходом элемента суммирования, первый вход которого соединен с входной шиной устройства, а второй объединен с соответствующим входом второй группы входов блока элементов вычитания, при этом генератор случайных чисел Имеет треугольный закон распределения случайных чисел.
