Способ аналого-цифрового преобразования с коррекцией результатов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к вычислительной и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в информационно-вычислительных системах, использующих цифровую обработку сигналов. Цель изобретения - повышение точности аналого-цифрового преобразования. Цель достигается тем, что в предлагаемом способе используются промежуточные преобразования параметров процесса дискретизации. Для этого дискретизация сигналов производится с частотой в К раз выше требуемой, после чего цифровые отсчеты обрабатываются по алгоритму цифровой фильтрации, а получаемая последовательность отсчетов подвергается К-кратной децимации. 'Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит первую 1 и вторую 2 входные шины, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, первый 9 и второй 4 делители частоты следования импульсов ., перестраиваемый цифровой фильтр 6, блок масштабирования 7, регистр 8 и выходную шину 10. 2 с.п, ф-лы, 2 ил.(Лс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5Ц5 Н 03 М 1/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 Ф (21) 4711756/24 (22) 27.06.89 (46) 23.02,92. Бюл. М 7 (71) Житомирский филиал Научно-исследовательского института комплексной автоматизации (72) В.Г.Ципоренко е Е.Д.Ципоренко (53) 681.325 (088.8) (56) Гитис Э.И. и др. Аналого-цифровые преобразователи. — Энергоатомиздат, 1981, с. 72-73, Патент Франции O 2563667, кл. Н 0 и 17/02, 1985. (54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО IlPEОБРАЗОВАНИЯ С КОРРЕКЦИЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ECO

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к вычислительной и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в информацион Ж, 1714809 А1 но-вычислительных системах, использующих цифровую обработку сигналов. Цель изобретения — повышение точности аналого-цифрового преобразования. Цель достигается тем, что в предлагаемом способе используются промежуточные преобразования параметров процесса дискретизации.

Для этого дискретизация сигналов производится с частотой в К раз выше требуемой, после чего цифровые отсчеты обрабатываются по алгоритму цифровой фильтрации, а получаемая последовательность отсчетов подвергается К-кратной децимации. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит первую 1 и вторую 2 входные шины, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, первый 9 и второй 4 делители час- 3 тоты следования импульсов ., перестраиваемый цифровой фильтр 6, блок масштабирования 7, регистр 8 и выходную; шину 10. 2 с.п. ф-лы, 2 ил, 1

Изобретение относится к вычислительной и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в информационно-вычислительных системах, использующих цифровую обработку сигналов.

Целью изобретения является повышение точности аналого-цифрового преобразования за счет использования п ромежуточных преобразований параметров процесса дискретизации.

На фиг.1 приведены спектрограммы обрабатываемых сигналов, поясняющие предлагаемый способ; на фиг.2 — структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, Суть способа состоит в следующем.

Пусть необходимо произвести аналогоцифровое преобразование с частотой дискретизации F äî сигнала x(t), спектр которого расположен в полосе частот (fs мин, fs макс} .(фиг.1,а). Имеющийся АЦП обеспечивает преобразование сигналов с шагом квантования h.

Аналого-цифровое преобразование сигналов включает две последовательные взаимосвязанные операции: дискретизацию во времени с формированием дискретной временной последовательности мгновенных отсчетов и квантование по уровню мгновенных отсчетов, При реализации каждой операции в каждый отсчет преобразуемого сигнала x(t) вносятся соответствующие погрешности: погрешность дискретизации и погрешность квантования, Погрешность дискретизации определяется неопределенностью временного положения формируемых мгновенных отсчетов сигнала, т.е, выборки сигнала происходят

Не в требуемые моменты времени ti = Imp =

=1/Fqo, где Тдо — период дискретизации и i— номер выборки, а в моменты < = 1Тдо+ Y(I), где у() — случайный процесс с функцией распределения Р (y(i)), Погрешность дискретизации равна

Л„(1) = (iТ„.) — (iТд +V(i)l. (1) где Лд (i) — погрешность дискретизации I-й временной выборки сигнала x(t);

x(IT>p) — значение диск ретиэируемого сигнала в требуемый I-й момент времени дискретизации; х(!Тдо + y(I)) — значение дискретизируемого сигнала в реальный момент времени дискретизации при формировании l-й выборки.

Погрешность квантования определяется наличием округления значения каждого временного отсчета сигнала x(t) до величины ближайшего дискретного цифрового эквивалента и не превышает по модулю половины шага квантования по уровню

L. () = ФТд+ V(I)) — х- ITn+ уЯ) (2)

Ih., (i) ) Ь/2, где Ls(I) — погрешность квантования по уровню; хкв(Гдо + у(!)) — цифровое значение i-го

®О временного отсчета сигнала x(t).

Таким образом, погрешность аналогоцифрового преобразования Ь „беэ учета собственных шумов используемого АЦП определяется погрешностями дискретизации

15 и квантования:

hsu x(t) — хкв (!Тд+ Y(I)) = Ьд (i) + Ав(). (3)

В предлагаемом способе для повышения точности аналого-цифрового преобразования формируются дополнительные, отсчеты сигнала x(t). расположенные равномерно во времени в пределах каждого периода дискретизации Тдо, путем

25 дискретизации этого сигнала с частотой Ед, в К раз большей, чем требуемая Fq< .

Fä = КРДО = 1/Ктдо = 1/Тдо. (4)

В этом случае спектральная плотность мощности (СПМ) $д(1) погрешности дискре- тизации Ьд(!) для сформированной последовательности мгновенных отсчетов сигнала распределяется в пределах полосы 5 частот {О, Ед/2} следующим образом:

$„(f) = ()c(f) — 1) $х(9 + 2(Я„(О) — э )/ Ед, (5) при f б (О, Ед/2}, где $д٠— СПМ погрешности дискретиза40

c(f) — характеристическая функция распределения значений временной неопределенностии отсчетов y(I);

$٠— СПМ преобразуемого сигнала;

45 R>(0) — значение в нуле корреляционной функции преобразуемого сигнала x(t);

Fg(2

a - )сЩ 5,ЫИ1;

50 с(Я- J P(qlif) exp(j 2afg)Jg, Иэ уравнения (5) следует, что в результате наличия погрешности дискретизации к

55 спектру сигнала x(t) при его дискретизации в выбранном режиме добавляется ровный белый шум в полосе (О, Ед/2}, которому соответствует слагаемое дд(1): дд () = 2 (й,(0) - -э )! д = const, (6) 17 4809

2 2

-а )+h

6 К до

Явцф (1 ) 40

+ 2

У а Гдо (15}

Таким образом, СПМ дискретной последовательности мгновенных отсчетов х(!Тд+

«у(!)) равна

S(f) S.(f)+ S„(f) 1с(62 $.(0+ aa(f). (7) Из уравнения P)следует,,что СПМ погрешности квантования сформированной последовательности мгновенных отсчетов

x(iTa + Y(I)) распределяется в пределах полосы (О, Fa/2) и равна

Якв() = h /6 Fa - const, (8) где Яхв().— СПМ погрешности квантования сформированной последовательности цифровых отсчетов, Следовательно, в результате наличия погрешности аналого-цифрового преобразования к спектру преобразуемого в выбранном режиме сигнала добавляется шум, равномерно распределенный в полосе (О, Fa/2), с СПМ Явц(Ф) (фиг.1.6): ац®= ()5кв И) =!

2(1 „(ol-а ) h2

6 (9) где Явц() — СПМ шумов аналого-цифрового преобразования.

Сформированная дискретная последовательность цифровых отсчетов x„в(!Тд+ у(!)) обрабатывается затем по алгоритму цифровой фильтрации. При этом полоса пропускания цифрового фильтра соответствует полосе частот, занимаемой спектром преобразуемого сигнала х(), а АЧХ фильтра описывается функцией (фиг.1,в) 1, если 1ьмии - смаке )

О,если 1 „„1 3 ("0) После цифровой фильтрации СПМ пре. образованного сигнала хх(!Тд + у(!)) равна (фиг.1,г)

SÄ ()=5,ИМАН) i

«(! (И

42CR„(O}-à× Ü (11) ьгд

Следовательно, СПМ шумов аналогоцифрового преобразования Явцф(т) в преобразованном сигнале после цифровой фильтрации равна (фиг,1,г)

Ь, В1-ц И) " (12)

IEGERÄ(0}- а Ч

Обработанная по алгоритму цифровой фильтрации последовательность цифровых отсчетов сигнала хкф(!Тд + y(i)) в дальнейшем подвергается К-кратной децимации пу10 тем выделения из нее каждого К-ro отсчета, соответствующего определенному интервалу времени длительностью Тдо. В результате формируется последовательность цифровых отсчетов ххф(!Тдо + y(l}) с требуе15 мой частотой дискретизации Рдо = 1 Тдо = 1/

/КТд, однозначно описывающая сигнал х(). В результате уменьшения частоты дискретизации fa в К раз СПМ преобразованного сигнала хкф(!Тдо + y(l)) равна (фиг,1,д) !

2(йх(Î -02) h

" г " (13}

6 до при fg(0, Рдо/2), где Яхф — СПМ результиру25 ющего преобразованного сигнала с требуемой частотой дискретизации Рдо, Из уравнения (13) следует, что в результате выполнения описанной последовательности операций обеспечено

30 аналого-цифровое преобразование сигнала х() с частотой Fap, причем погрешность аналого-цифрового преобразования добавляется в виде шума, равномерно распределенного в полосе (О, Рдо/2j, с СПМ

35 Бвцф(1) (фиг,1,д).

Если аналого-цифровое преобразование сигнала x(t) производить традиционно, то СПМ преобразованного сигнала равна

sx (f) =sõ(} о () +

50 где Sx" (f} — СПМ сигнала хх(!Тдо + y(i}), пол55 ученного обычным аналого-цифроным преобразованием с частотой дискретизации до.

При сраьнении уравнений (14) и(15) видно, что в случае выполнения преобразования и обработки сигнала x(t) предлагаемым способом СПМ шумов уменьшается в требуемое число К раз по сравнению с традиционным способом. Полученная погрешность аналого-цифрового преобразования

Лацф сигнала x(t) в Я7 раз меньше, чем по- 5 грешность 4 ц, обеспечиваемая используемым АЦП без какой-либо дополнительной обработки: г о „„-J 5auqKldk= — J ь„(fldC= — „„. (16)

При использовании статистической обработки для уменьшения в К раз погрешности аналого-цифрового преобразования в каждом периоде дискретизации Tdtc потребуется как минимум К дополнительных отсчетов (2). Однако нэ протяжении периода 20 дискретизации Тд0 преобразуемый сигнал существенно изменяется, а гармоника, например, с частотой fÌÂÊC при Рдо = 2fMBKC меняет свой знак. В случае, когда обрабатываются сигналы с шириной спектра, 25 намного меньшей его средней частоты (AFs « fcp), преобразуемый сигнал может многократно изменять свой знак за время Т, и в результате можно получить даже нулевой результат, что приведет к полной 3О потере обрабатываемого сигнала.

Следовательно, при использовании статистической обработки как способа увеличения точности аналого-цифрового преобразования переменных сигналов. осо- 35 бенно широкополосных, могут возникать существенные динамические случайные погрешности из-за того, что в пределах интервала усреднения преобразуемый сигнал существенно изменяется во времени. В пер- 4О вую очередь это относится к тем сигналам, спектр которых расположен в произвольной полосе частот с шириной, меньшей средней частоты спектра сигнала. При выполнении аналого-цифрового преобразования пере- 45 менных сигналов с использованием предлагаемого способа обеспечивается требуемое уменьшение погрешности аналого-цифрового преобразования с полным исключением каких-либо динамических ошибок и искажений, присущих известному способу, независимо от параметров спектра преобразуемого сигнала.

Таким образом, используя промежуточные преобразования параметров процесса 55 дискретизации, предлагаемый способ обеспечивает заранее заданное увеличение точности аналого-цифрового преобразования сигналов, в том числе с полосовым спектром, при неизменном шаге квантования и по уровню мгновенных отсчетов сигнала, определяемом параметрами используемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.2), состоит из первой 1 и второй 2 входных шин, АЦП 3, делителя 4 частоты, генератора 5импульсов,,цифрового фильтра 6, блока 7 масштабирования, регистра 8, делителя 9 частоты и выходной шины 1О.

Устройство работает следующим образом.

По первой входной шине 1 на вход АЦП

3 поступает преобразуемый сигнал x(t), АЦП

3 преобразует сигнал x(t) в соответствующую последовательность цифровых отсчетов хка(!Тд+ V(i)l с частотой дискретизации

Ед - 1/Тд. 3апуск АЦП 3 осущегтвляется последовательностью импульсов, поступающих на его второй вход с выхода второго делителя 4 частоты, Формируемая после АЦП 3 последовательность отсчетов преобразуемого сигнала хка(1Тд+ у(!)) обрабатывается затем в цифровом фильтре 6. Полоса пропускания цифрового фильтра 6 равна полосе частот {fs Mw

fs ак,), занимаемой спектром S„(f) преобразуемого сигнала в пределах полосы анализа

{О, Ед):

"%= ) ((Ьдин > 5мцкс 4

"1(макс - мич1 >

О1 (f s Möêc f 55,Уц„) где U(f) — АЧХ цифрового фильтра 6 в полосе анализа {О, Рд);

fs мин, fs макс — соответственно нижняя и верхняя частоты полосы частот, занимаемой спектром S(f) преобразуемого сигнала в пределах полосы анализа {О, Ед);

J(° ) — определенная функциональная зависимость.

В результате обработки отсчетов с АЦП

3 на выходе цифрового фильтра 6 формируется последовательность хфка(Тд!) цифровых отсчетов, которая поступает на первый вход регистра 8 с периодом Тд = 1/Рд. Регистр 8 выполняет функцию компрессора частоты дискретизации. На регистре 8 по синхроимпульсам, поступающим на его второй вход с первого делителя 9 частоты, производится уменьшение частоты дискретизации сигнала хфка (1Тд) в К раз путем К-кратного равномерного прореживания последовательности цифровых отсчетов, поступающих на его вход, Таким образом, формируется результирущая последовательность цифровых отсчетов преобразуемого сигнала с требуемым периодом дискретизации Тд,.

1714809

5

Ед - Е2/Кд1, 15

Ко = дацп / дпр (17) ха к(!Тдо) = хкф(1 КТд), которая поступает на выходную шину 10.

Требуемые коэффициенты деления Кд1 и Кд2 соответственно первого 9 и второго 4 делителей частоты следования импульсов, а также набор коэффициентов передаточной функции цифрового фильтра 6 устанавливаются по соответствующим управляющим кодам с блока 7 масштабирования в зависимости от ширины спектра hFs преобразуемого сигнала и требуемого коэффи-. циента Ко относительной точности аналого-цифрового преобразования, 3начения ширины спектра hFs преобразуемого сигнала и требуемого коэффициента Ко относительной точности преобразования поступают на блок 7 масштабирования по второй входной шине 2. Коэффициент Ко относительной точности преобразования показывает, во сколько раз требуемая погрешность аналого-цифрового преобразования дпр меньше погрешности преобразования дацп используемого АЦП 3: где дацп — погрешность аналого-цифрового преобразования АЦП 3, определяемая его основными параметрами — шагом квантования h и апертурной неопределенностью дискретизации та; дпр — требуемое значение погрешности аналого-цифрового преобразования сигнала x(t).

На основании поступивших по шине 2 значений ЬЕз и Ко блок 7 масштабирования по наперед табулированной зависимости формирует на своих выходах соответствующие управляющие коды для первого 9 и второго 4 делителей частоты следования импульсов, а также перестраиваемого цифрового фильтра 6.

КоэффиЦиенты ДелениЯ Кд1 и Кд2 опРеделяются по следующим соотношениям:

Кд1 = Ко Кд2, (18)

Кд2 = Е2/Едо = F2/M Л FS, (19) где F2 — частота следования импульсов, формируемых опорным генератором импульсов

5;

M — коэффициент пропорциональности, определяемый по теореме Котельникова:

Едо = M- AFS.

Значение передаточной функции по частоте U(f) перестраиваемого цифрового фильтра 6 определяется набором соответствующих весовых коэффициентов, описывающих полином передаточной функции или

55 импульсную характеристику цифрового фильтра, ййетоды расчета весовых коэффициентов цифрового фильтра в зависимости от Ед, Ms, fs мин и fs макс хорошо известны, Также известны и методы построения и реализации перестраиваемых цифровых фильтров.

На выходе первого делителя 4 частоты формируется последовательность импульсов запуска АЦП 3, поступающая на его второй вход с частотой следования Ед, путем деления частоты F2 следования импульсов опорного генератора 5 в Кд1 раз:

Аналогично, путем деления в Кд2 раза частоты следования импульсов опорного генератора 5, на выходе первого делителя 9 частоты формируется последовательность импульсов с частотой следования Едо, по которым в регистре 8 производится децимация в Кдец раэ последовательности отсчетов, поступающих с выхода цифрового фильтра

Кдец = Евдо = Кд1 / Кд2 (20) B цифровом фильтре 6 отсчеты преобразуемого сигнала хка(!Тд) обрабатываются в темпе их поступления с АЦП 3 и в соответствующем темпе выдаются на регистр 8.

При изменении параметров спектра сигнала x(t) или требований по точности его аналого-цифрового преобразования на блок

7 масштабирования поступают новые значения hFS и Ко, по которым изменяются соответствующие параметры процесса аналого-цифРового пРеобРаэованиЯ вЂ” Кд1, Кд2, U(f), реализуемого предлагаемым устройством, Формула изобретения

1. Способ аналого-цифрового преобразования с коррекцией результатов, заключающийся в формировании в соответствующие моменты времени, равные. периоду дискретизации, последовательности основных кодов, пропорциональных входному аналоговому сигналу, и одновременном формировании в течение каждого периода дискретизации последовательности дополнительных кодов, пропорциональных соответствующим значениям входного сигнала, формировании из последовательности основных и дополнительных кодов выходного кода, о т л ич а ю щ и и сятем,,что,,с целью повышения точности, после формирования последовательности основных и дополнительных ко1714809

2. Устройство аналого-цифрового преобразования с коррекцией результатов, содержащее аналого-цифровой преобразователь и последовательно соединенные генератор импульсов, первый делитель

S фр/1 9о

Составитель И, Романова

Техред М, Моргентал Корректор А, Осауленко

Редактор И. Горная

Заказ 704 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 дов осуществляют фильтрацию полученной последовательности и формирование выходного кода осуществляют путем выделения К-го кода отфильтрованной последовательности, при этом формирование дополнительных кодов осуществляют равномерно в течение каждого периода дискретизации путем повышения в К раз частоты дискретизации, а фильтрацию осуществляют в полосе частот, соответствующей полосе частот, занимаемой спектром входного аналогового сигнала. частоты и регистр,отл ича ю щееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены блок масштабирования, цифровой фильтр, второй делитель частоты, ин5 формационный вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход — с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является входной шиной, а выходы через

10 цифровой фильтр соединены с соответствующими информационными входами регистра, выходы которого являются выходной шиной, управляющие входы цифрового фильтра, первого и второго делителей час15 таты соединены с соответствующими первыми, вторыми и третьими выходами блока масштабирования, вход которого является шиной "Пуск".