Способ формирования абсолютного значения сигнала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области цифровой техники, в частности к устройствам преобразования однополярных аналого-цифровых преобразователей в биполярные. Техническим результатом является повышение точности формирования абсолютного значения сигнала при одновременном увеличении быстродействия. Способ формирования абсолютного значения сигнала предусматривает выполнение операций: определения полярности входного сигнала; инвертирования входного сигнала; коммутации неинвертированного входного сигнала; коммутации инвертированного входного сигнала, сдвига фазы неинвертированного входного сигнала; суммирования коммутированных сигналов. Устройство формирования абсолютного значения сигнала содержит два компаратора, инвертор, два аналоговых ключа, фазовращатель, сумматор. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области цифровой техники, в частности к устройствам преобразования однополярных аналого-цифровых преобразователей в биполярные.

Уровень техники

Известен способ формирования абсолютного значения сигнала, включающий операции:

- определения полярности входного сигнала;

- коммутации полярности конденсатора хранения входного сигнала;

- запоминания входного сигнала;

- перекоммутации полярности конденсатора хранения входного сигнала.

Для реализации данного способа использовано устройство формирования абсолютного значения сигнала, содержащее схему управления, пять аналоговых ключей, конденсатор и повторитель напряжения на операционном усилителе ([1, с.31, рис.37] - Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 432 с.: ил. + CD).

Недостатком указанного способа является низкое быстродействие и низкая точность формирования абсолютного значения сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является способ формирования абсолютного значения сигнала, включающий операции:

- определения полярности входного сигнала;

- инвертирования входного сигнала;

- коммутации неинвертированного входного сигнала;

- коммутации инвертированного входного сигнала;

Для реализации данного способа использовано устройство формирования абсолютного значения сигнала, содержащее инвертор, два аналоговых ключа, два компаратора, причем вход устройства подключен одновременно к первому (неинвертирующему) входу первого компаратора, второму (инвертирующему) входу второго компаратора, входу первого аналогового ключа, входу инвертора, выход которого подключен ко входу второго аналогового ключа; второй и первый входы соответственно первого и второго компараторов, «заземлены»; выходы первого и второго компараторов подключены к входам управления соответствующих ключей, выходы которых являются выходом устройства. (Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. - М.: Техносфера 2006. - 392 с; рис.6.50, стр.266).

Недостатком указанного способа является низкое быстродействие и низкая точность формирования абсолютного значения сигнала.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности формирования абсолютного значения сигнала при одновременном увеличении быстродействия.

В основе предлагаемого способа формирования абсолютного значения сигнала лежат следующие концепции.

1. Прохождение сигнала через некоторый участок электрической цепи (функциональный блок) сопровождается рядом преобразований, которым подвергается сигнал. Степень преобразований определяется параметрами комплексной передаточной функции блока. Одним из которых является время прохождения сигнала, представляющее собой производную фазы по частоте:

Отличительной особенностью блоков, выполненных на базе операционных усилителей, является «завал» не только амплитудно-частотной характеристики, но и фазочастотной характеристики, а в случае использования цепей коррекции, возникает явно выраженная нелинейность фазочастотной характеристики, а значит, и времени прохождения сигнала.

Алгоритм способа, взятого за прототип, предполагает, что входной сигнал, в случае его положительной полярности, коммутируется на выход устройства без какой бы-то ни было предварительной обработки, а в случае отрицательной полярности, предварительно подвергается инвертированию.

Учитывая конечное время срабатывания компараторов, ключей (фиг.1б, в) и фазовый сдвиг сигнала на выходе инвертора (фиг.1г), используемых в устройстве, реализующем способ, взятый за прототип, правомерно утверждать о низком быстродействии и низкой точности формирования абсолютного значения сигнала, фиг.1д.

Как видно из анализа фиг.1, форма выходного сигнала (фиг.1д) приведенного к абсолютному значению, подвергается существенным искажениям, величина которых возрастает по мере увеличения частоты входного сигнала.

2. Введение операции сдвига фазы в цепи прохождения неинвертируемого сигнала (фиг.2д), посредством фазовращателя, обеспечит снижение искажения формы выходного сигнала (фиг.2е).

3. Введение операции суммирования коммутируемых сигналов обеспечит нормирование абсолютного значения сигнала и величины выходного импеданса. Что в свою очередь, обеспечит снижение степени искажения формы выходного сигнала и улучшит согласование с нагрузкой.

Технический результат, по предлагаемому способу, достигается тем, что в устройство формирования абсолютного значения сигнала, содержащее два компаратора, инвертор, два аналоговых ключа, введены фазовращатель и сумматор, причем вход устройства подключен одновременно к первому (неинвертирующему) входу первого компаратора, второму (инвертирующему) входу второго компаратора, входу фазовращателя, входу инвертора, выход которого подключен ко входу второго аналогового ключа; выход фазовращателя подключен ко входу первого аналогового ключа; второй и первый входы соответственно первого и второго компараторов, «заземлены»; выходы первого и второго компараторов подключены к входам управления соответствующих аналоговых ключей, выходы которых являются входами сумматора, выход которого служит сигнальным выходом устройства; выход первого компаратора одновременно является знаковым выходом устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность способа прототипа.

На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность предлагаемого способа.

На фиг.3 приведена структурная схема устройства формирования абсолютного значения сигнала.

Осуществление изобретения

Устройство реализации предлагаемого способа содержит два компаратора 1 и 2, фазовращатель 3, инвертор 4, два ключа 5 и 6 и сумматор 7, причем вход устройства подключен одновременно к первому (неинвертирующему) входу компаратора 1, второму (инвертирующему) входу компаратора 2, входу фазовращателя 3; инвертора 4, выход фазовращателя 3 подключен к сигнальному входу первого аналогового ключа 5; выход инвертора 4 подключен к сигнальному входу второго аналогового ключа 6; второй и первый входы соответственно компараторов 1 и 2, «заземлены»; выходы компараторов 1 и 2 подключены к входам управления соответственно аналоговых ключей 5 и 6, выходы которых являются входами сумматора 7, выход которого служит сигнальным выходом устройства; выход компаратора 1 одновременно является знаковым выходом устройства.

Структурная схема устройства формирования абсолютного значения сигнала приведена на фиг.3.

Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.2.

Устройство формирования абсолютного значения сигнала призвано определить знак (полярность) уровня напряжения входного сигнала и ретранслировать сигнал далее с заданным коэффициентом передачи, в случае его положительной полярности, а в случае отрицательной полярности, дополнительно подвергнуть транслируемый сигнал инверсии.

Устройство формирования абсолютного значения сигнала работает следующим образом.

В случае поступления на вход устройства сигнала положительной полярности:

- компаратор 1 формирует положительный потенциал, фиг.2б;

- компаратор 2 формирует нулевой потенциал, фиг.2в;

- на знаковый выход устройства поступает сигнал с уровнем логической единицы;

- аналоговый ключ 5 переводится в открытое состояние;

- аналоговый ключ 6 переводится в закрытое состояние;

- входной сигнал, сдвинутый на время Δt (фиг.2д), посредством фазовращателя 3, транслируется, через открытый аналоговый ключ 5, на первый вход сумматора 7;

- сумматор 7 нормирует коэффициент передачи устройства и транслирует сигнал на выход, фиг.2е.

В случае поступления на вход устройства сигнала отрицательной полярности:

- компаратор 1 формирует нулевой потенциал, фиг.2б;

- компаратор 2 формирует положительный потенциал, фиг.2в;

- на знаковый выход устройства поступает сигнал с уровнем логического нуля;

- аналоговый ключ 5 переводится в закрытое состояние;

- аналоговый ключ 6 переводится в открытое состояние;

- входной сигнал, инвертированный и сдвинутый на время Δt (фиг.2г), посредством инвертора 4, транслируется, через открытый аналоговый ключ 6, на второй вход сумматора 7;

- сумматор 7 нормирует коэффициент передачи устройства и транслирует сигнал на выход, фиг.2е.

В предлагаемом устройстве, имеет место параллельная обработка сигнала, выполняемая в соответствии с условием:

где Δt_инв - время срабатывания инвертора (инвертор 4) - задержка, вносимая инвертором при прохождении сигнала;

Δt_ком.1,2 - время срабатывания первого компаратора (компаратор 1), второго компаратора (компаратор 2);

Δt_кл.1,2 - время срабатывания первого аналогового ключа (аналоговый ключ 5), второго аналогового ключа (аналоговый ключ 6);

Δt_фв - время срабатывания фазовращателя (фазовращатель 3 - задержка, вносимая фазовражателем при прохождении сигнала.

С учетом того, что:

- время срабатывания инвертора (Δt_инв) есть не что иное как время выполнения операции инвертирования;

- время срабатывания первого компаратора (Δt_ком.1) есть не что иное как время выполнения операции определения положительной полярности входного сигнала (Δt_о.о.п);

- время срабатывания первого аналогового ключа (Δt_кл.1) есть не что иное как время выполнения операции коммутации неинвертированного входного сигнала (Δt_ком.н.);

- время срабатывания второго компаратора (Δt_ком.2) есть не что иное как время выполнения операции определения отрицательной полярности входного сигнала (Δt_о.о.п.);

- время срабатывания второго аналогового ключа (Δt_кл.2) есть не что иное как время выполнения операции коммутации инвертированного входного сигнала (Δt_ком.и.);

- время срабатывания фазовращателя (Δt_фв) есть не что иное как время выполнения операции сдвига фазы неинвертированного сигнала (Δt_с.ф.), выражение (2) примет вид:

Реализуемое по предлагаемому способу устройство характеризуется тем, что:

1) в силу некритичности времени задержки, вносимой инвертором 4, в цепях операционных усилителей, на базе которых выполняется как инвертор 4, так и фазовращатель 3, возможно использование цепей коррекции, что в свою очередь, обеспечивает более качественное воспроизведение формы входного сигнала (с меньшей степенью искажения) на более высоких частотах, нежели в прототипе.

2) возможность приведения времени прохождения сигнала через фазовращатель 3 и инвертор 4 (прежде всего за счет изменения параметров цепи коррекции) к суммарному времени переключения компаратора 1 (2) и аналогового ключа 5 (6), обеспечивает безыскаженное формирование формы абсолютного значения сигнала.

То есть в реализуемом по предлагаемому способу устройстве имеет место повышение точности формирования абсолютного значения сигнала при одновременном увеличении быстродействия.

1. Способ формирования абсолютного значения сигнала, включающий операции определения полярности входного сигнала; инвертирования входного сигнала; коммутации неинвертированного входного сигнала; коммутации инвертированного входного сигнала, отличающийся тем, что введены операции: сдвига фазы неинвертированного входного сигнала; суммирования коммутированных сигналов, причем, согласно предлагаемому способу, имеет место параллельная обработка сигнала, выполняемая в соответствии с условием:
Δt_инв.=Δt_о.о.п.+Δt_ком.и.=Δt_с.ф.=Δt_о.п.п.+Δt_ком.н.,
где Δt - время выполнения операций соответственно: Δt_инв. - инвертирования; Δt_о.о.п. - определения отрицательной полярности входного сигнала; Δt_ком.и. - коммутации инвертированного входного сигнала; Δt_с.ф. - сдвига фазы неинвертированного сигнала; Δt_o.п.п. - определения положительной полярности входного сигнала; Δt_ком.н. - коммутации неинвертированного входного сигнала.

2. Устройство формирования абсолютного значения сигнала, содержащее два компаратора, инвертор, два аналоговых ключа; вход устройства подключен одновременно к первому неинвертирующему входу первого компаратора, второму инвертирующему входу второго компаратора, входу инвертора; выход инвертора подключен к сигнальному входу второго аналогового ключа; второй и первый входы соответственно первого и второго компараторов «заземлены»; выход первого компаратора одновременно подключен к входу управления первого аналогового ключа и знаковому выходу устройства; выход второго компаратора подключен к входу управления второго аналогового ключа, отличающийся тем, что в устройство введены фазовращатель и сумматор, причем вход фазовращателя подключен ко входу устройства, а выход к сигнальному входу первого аналогового ключа; выходы первого и второго аналоговых ключей являются входами сумматора, выход которого служит выходом устройства.