Преобразователь кода в сигнал с временной модуляцией

 

Изобретение относится к технике преобразования цифровых величин в аналоговые и может быть использовано в цифроаналоговых преобразователях, в том числе и со значительным уровнем выходной мощности. Техническим результатом предложения является повышение основных частот спектра получаемого сигнала с временной модуляцией и снижение амплитуд низкочастотных составляющих спектра. Предлагаемый преобразователь кода в сигнал с временной модуляцией содержит n-разрядный регистр для приема и хранения преобразуемого кода, n-разрядный счетчик с шиной входа тактовых импульсов и блок сравнения кодов, в котором повышение основных энергонесущих частот спектра получаемого сигнала при неизменной тактовой частоте обеспечивается введением m элементов И, m-входового элемента ИЛИ, элемента И и элемента ИЛИ. В предложенном преобразователе при неизменной тактовой частоте по сравнению с прототипом происходит увеличение частоты основной гармоники в 16 раз, а снижение амплитуды низкочастотной компоненты не менее, чем в 80 раз, что обеспечивает улучшение условий фильтрации сигнала. 2 ил.

Изобретение относится к технике преобразования цифровых величин в аналоговые и может быть применено в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), в том числе и со значительным уровнем выходной мощности.

Известны преобразователи кода в сигнал с временной модуляцией, основанные на использовании импульса фиксированной (эталонной) длительности и изменении периода следования получаемых выходных импульсов в соответствии с заданным кодом [1] называемые иногда преобразователями с частотно-импульсной модуляцией.

Основным недостатком таких преобразователей является трудность получения значительного коэффициента заполнения импульсов при высоком разрешении в случае использования фиксированной тактовой сетки возможных переходов выходного сигнала с одного на другой двоичный уровень.

Известны и преобразователи кода в сигнал с временной модуляцией, основанные на использовании m последовательностей сигналов с так называемой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) со сдвигом каждой последовательности на величину T/m относительно импульсов другой последовательности, где T период следования импульсов ШИМ, а m число импульсных последовательностей [2] обеспечивающие уменьшение ошибок ЦАП за счет усложнения их аппаратурной реализации. Этот недостаток существенно усугубляется при попытках снизить динамическую погрешность преобразователя [3] Наиболее близким по технической сущности к данному преобразователю является принятый в качестве прототипа преобразователь кода в сигнал с временной модуляцией, содержащий n-разрядный регистр для приема и хранения преобразуемого кода, n-разрядный счетчик с шиной входа тактовых импульсов и блок сравнения кодов, входы которого соединены с выходами регистра и счетчика соответственно [1] В сущности это классический преобразователь кода в сигнал с ШИМ, главным достоинством которого является простота обеспечения высокой точности преобразования путем увеличения разрядности кода. А главный недостаток такого преобразователя относительно низкие основные частоты спектра получаемого сигнала (снижающиеся с увеличением разрядности кода), что ограничивает частотные характеристики ЦАПов и приводит к необходимости применения инерционных и громоздких фильтров или к необходимости применения элементов повышенного быстродействия в счетно-логической части ЦАПов для получения заданных частотных характеристик.

Целью изобретения является повышение основных частот спектра получаемого сигнала с временной модуляцией и снижение амплитуд низкочастотных составляющих этого спектра.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь кода в сигнал с временной модуляцией, содержащий n-разрядный регистр для приема и хранения преобразуемого кода, n-разрядный счетчик с шиной входа тактовых импульсов и блок сравнения кодов, введены группа из m элементов И, m-входовой элемент ИЛИ, элемент И и элемент ИЛИ, выход которого является выходом преобразователя, а с соответствующими входами блока сравнения кодов соединены выходы (n m) старших разрядов n-разрядного регистра и (n m) младших разрядов n-разрядного счетчика, блок сравнения кодов имеет выходы соответственно равенства кодов и превышения кода (n m) старших разрядов регистра над кодом (n m) младших разрядов счетчика, последний из выходов соединен с одним из входов элемента ИЛИ, соединенного по другому входу с выходом элемента И, и один из входов которого соединен с выходом равенства кодов блока сравнения кодов, а другой с выходом m-входового элемента ИЛИ, входы которого соединены с выходами m элементов И группы соответственно, причем первый вход каждого i-го элемента И группы соединен с выходом i-го из младших разрядов n-разрядного регистра, последний вход каждого элемента И группы, кроме элемента, соединенного по первому входу с выходом младшего разряда регистра, соединен с выходом (n i + 1) разряда n-разрядного счетчика, промежуточные входы с инверсными выходами более младших, начиная с (n i), из m старших разрядов n-разрядного счетчика, последний вход элемента И группы, первый вход которого соединен с выходом младшего разряда регистра, соединен или с выходом старшего разряда n-разрядного счетчика, или подключен к выходу источника импульсного сигнала с периодом, равным периоду сигнала на шине входа тактовых импульсов, с коэффициентом заполнения, равным 0,5, и синхронизированного с ними.

Положительный эффект при этом достигается благодаря повышению основных частот спектра получаемого сигнала, максимальная амплитуда которых равна максимальной амплитуде сигналов в прототипе, по сравнению с прототипом, в 2^m раз, а максимальная амплитуда гармоники частоты f/2ⁿ ( являющейся основной для прототипа), где f частота следования тактовых импульсов, снижается, по сравнению с прототипом, не менее чем в 2ⁿ/π раз, из-за снижения глубины модуляции на этой частоте и предотвращения возможности увеличения ее при значениях m младших разрядов регистра, превышающих единицу младшего разряда.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя кода в сигнал с временной модуляцией, содержащего n-разрядный регистр 1 для приема и хранения преобразуемого кода, n-разрядный счетчик 2 с шиной 3 входа тактовых импульсов и блок 4 сравнения кодов, а также вновь введенную группу из m элементов И 5, m-входовый элемент ИЛИ 6, элемент И 7 и элемент ИЛИ 8, выход которого является выходом преобразователя, а с соответствующими входами блока 4 сравнения кодов соединены выходы (n m) старших разрядов n-разрядного регистра 1 и (n m) младших разрядов n-разрядного счетчика 2, причем блок 4 сравнения кодов имеет выходы соответственно равенства кодов и превышения кода (n m) старших разрядов регистра 1 над кодом (n m) младших разрядов счетчика 2, последний из названных выходов соединен с одним из входов элемента ИЛИ 8, соединенного по другому входу с выходом элемента И 7, один из входов которого соединен с выходом равенства кодов блока 4 сравнения кодов, а другой -с выходом m-входового элемента ИЛИ 6, входы которого соединены с выходами m элементов И 5 группы соответственно, причем первый вход каждого i-го элемента И 5 группы соединен с выходом i-го из младших разрядов n-разрядного регистра 1, последний вход каждого элемента И 5 группы соединен с выходом (n i + 1) разряда n-разрядного счетчика 2, а промежуточные входы с инверсными выходами более младших, начиная с (n i), из m старших разрядов n-разрядного счетчика 2.

Для определенности рисунка m принято равным 4.

На фиг.2 приведена диаграмма работы старших разрядов n-разрядного счетчика 2, начиная с (n m) разряда с переключением (счетом) по отрицательному фронту, номера разрядов счетчика указаны слева от соответствующих циклограмм.

Работает преобразователь следующим образом: n-разрядный регистр 1 принимает и хранит до очередного изменения n-разрядный преобразуемый код входного слова А, а n-разрядный счетчик 2 производит непрерывный счет импульсов, поступающих по шине 3 входа тактовых импульсов; при нулевых значениях m-младших разрядов преобразуемого кода прохождение сигнала с выхода равенства кодов блока 4 сравнения кодов блокируется всеми элементами И 5 группы независимо от состояния старших разрядов n-разрядного счетчика 2 и преобразователь формирует классический сигнал с ШИМ с частотой f/2^n-m, действие которого в каждом цикле работы (n m) младших разрядов n-разрядного счетчика 2 начинается от момента переполнения этих (n - m) младших разрядов, т. е. от момента их перехода в "0" состояние, и заканчивается в момент начала периода счетного импульса, при котором код этих разрядов счетчика 2 становится равным коду (n m) старших разрядов n-разрядного регистра 1, т.е. когда код этих разрядов регистра 2 перестает быть большим, чем код сравниваемых разрядов счетчика 2; при нулевых значения (n m) старших разрядов преобразуемого кода нулевое значение (n m) старших разрядов регистра 1 ни в одном из счетных тактов не превышает значения кода (n m) младших разрядов n-разрядного счетчика 2, определяя нулевое состояние сигнала на выходе превышения блока 4 сравнения кодов, и лишь на выходе равенства кодов блока 4 сравнения кодов появляется сигнал в течение одного периода счетных импульсов, соответствующего нулевому состоянию (n m) младших разрядов n-разрядного счетчика, в каждом из циклов его работы, однако его прохождение на выход преобразователя определяется соотношением кодов m младших разрядов регистра 1 и m старших разрядов счетчика 2; наклонной штриховкой на фиг. 2 отмечены временный циклы (n m) разряда счетчика, в которых имеет место, согласно фиг.1, формирование указанных выше импульсов счетного периода (формируется разрешающий сигнал на выходе m-входового элемента ИЛИ 6) при наличии единицы в разрядах регистра, отмеченных в крайней правой колонке фиг.2, а над циклограммой работы (n m) разряда счетчика указаны десятичные значения кодов m старших разрядов счетчика, образующих полный набор циклов работы (n m) разряда, соответствующий полному циклу работы n-разрядного счетчика 2, по этой штриховке видно, что помеченные штриховкой циклы работы (n m) младших разрядов n-разрядного счетчика 2 при наличии "1" в любом одном из m младших разрядов регистра нигде не перекрываются, а частота формирования указанных импульсов (частота следования штрихованных циклов) меняется в 2 раза при каждом перемещении "1" в соседний разряд регистра 1, что определяет режим частотно-импульсной модуляции при "1" лишь в одном из m младших разрядов регистра (при нулевых старших разрядах), а при наличии "1" в нескольких из m младших разрядов регистра 1 кодируемый коэффициент заполнения обеспечивается путем логического сложения сигналов m-входовым элементом ИЛИ 6, но уже с получением более общего (по сравнению с частотно-импульсным) режима число-импульсной модуляции с нарушением строгой равномерности (периодичности) следования импульсов; при ненулевых значения m младших и (n m) старших разрядов n-разрядного регистра 1 кодируемый коэффициент заполнения, на основании изложенного, обеспечивается смешанным (комбинированным) режимом работы с ШИМ, но с увеличением длительности сигнала на один период следования счетных импульсов (на интервал, в котором коды (n m) младших разрядов счетчика 2 равны кодам (n m) старших разрядов регистра 1) в циклах работы (n m) младших разрядов счетчика 2, соответствующих кодам m младших разрядов регистра 1, отмеченных штриховкой на фиг.2, для "1" значений соответствующих разрядов кода m младших разрядов регистра 1; кроме того, по штриховым пометкам видно, что при связях в преобразователе на фиг.1 никогда не используется для формирования дополнительного импульса с длительностью, равной периоду следования счетных импульсов, "0" цикл работы (n m) младших разрядов счетчика 2, который сдвинут относительно помеченного штриховкой цикла работы (n m) младших разрядов счетчика 2 для "1" в младшем разряде регистра 1 ровно на половину периода работы n-разрядного счетчика 2, а это дает возможность практически полностью исключить из спектра получаемого сигнала гармонику f/2ⁿ, если последний вход элемента И 5 группы, первый вход которого соединен с выходом младшего разряда регистра 1 (правый крайний элемент И 5 для фиг.1), подключить (вместо выхода старшего разряда счетчика 2) к выходу источника импульсного сигнала с периодом, равным периоду сигнала на шине входа тактовых импульсов с коэффициентом заполнения, равным 0,5, и синхронизированного с ними. В этом варианте преобразователя при "1" в младшем разряде регистра будет формироваться в режиме ЧИМ или удлиняться в режиме ШИМ дополнительный импульс не только в "2^m-1" цикле работы (n m) младших разрядов счетчика 2, а и в "0" цикле, но его длительность будет в 2 раза меньше в каждом из этих двух циклов, чем период счетных импульсов.

Разложение получаемого в преобразователе сигнала в ряд Фурье показывает, что, по сравнению с прототипом, для которого максимальная амплитуда сигнала равна , где E перепад выходного сигнала, при частоте его f/2ⁿ, в предложенном преобразователе имеет место такой же по величине максимум амплитуды на частоте f/2^n-m=(f/2ⁿ)·2^m, т.е. на гораздо более высокой (в 2^m раз) частоте, а на частоте f/2ⁿ амплитуда по крайней мере в 2ⁿ/π раз меньше (при варианте реализации по фиг.1). Не имеет особого смысла заниматься в рамках данного описания анализом более высоких гармоник, хотя и их подавление в предложенном преобразователе достаточно велико, так как эффективность их подавления фильтрами ЦАП растет, причем в ЦАП с мощным выходом (например, в регуляторах температуры чувствительных элементов гиростабилизированных платформ или во вторичных источниках питания с цифровым управлением) нагрузка, как правило, подключается через LC-фильтры, коэффициент подавления которых растет с ростом номеров гармоник пропорционально квадрату частоты, т.е. пропорционально квадрату гармоник.

Например, при n 8 и m 4 в предложенном преобразователе, по сравнению с прототипом, при неизменной тактовой частоте обеспечивается при равной амплитуде увеличение частоты основной энергонесущей гармоники в 2^m 2⁴ 16 раз, а снижение амплитуды самой низкочастотной компоненты (частоты f/2ⁿ) не менее, чем в 2ⁿ/π= 2⁸/π = 81,42 раза, что обеспечивает возможность значительного облегчения фильтрации сигнала и миниатюризацию фильтров.

В этом и состоит технико-экономический эффект от реализации предлагаемого преобразователя.

Формула изобретения

Преобразовател кода в сигнал с временной модуляцией, содержащий n-рязрядный регистр для приема и хранения преобразуемого кода, n-разрядный счетчик с шиной входа тактовых импульсов и блок сравнения кодов, отличающийся тем, что в него введены группа из m элементов И, m-входовый элемент ИЛИ, элемент И и элемент ИЛИ, выход которого является выходом преобразователя, а с соответствующими входами блока сравнения кодов соединены выходы n m старших разрядов n-разрядного регистра и n m младших разрядов n разрядного счетчика, блок сравнения кодов имеет выходы соответственно равенства кодов и превышения кода n m старших разрядов регистра над кодом n-m младших разрядов счетчика, последний из выходов соединен с одним из входом элемента ИЛИ, соединенного по другому входу с выходом элемента И, один из входов которого соединен с выходом равенства кодов блока сравнения кодов, а другой с выходом m-входового элемента ИЛИ, выходы которого соединены с выходами m элементов И группы соответственно, причем первый вход каждого i-го элемента И группы соединен с выходом i-го из младших разрядов n-разрядного регистра, последний вход каждого элемента И группы, кроме элемента, первый вход которого соединен с выходом младшего разряда регистра, соединен с выходом (n i + 1)-го рязряда n-разрядного счетчика, промежуточные входы с инверсными выходами младших, начиная с (n i)-го из m старших разрядов n-разрядного счетчика, последний вход элемента И группы, первый вход которого соединен с выходом младшего разряда n-разрядного регистра соединен или с выходом старшего разряда n-разрядного счетчика или подключен к выходу источника импульсного сигнала с периодом, равным периоду сигнала на шине входа тактовых импульсов с коэффициентом заполнения 0,5 и синхронизированного с ними.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2