Преобразователь аналогового сигнала в цифровой

Изобретение относится к области аналого-цифровых преобразователей. Технический результат - повышение качества передаваемой информации путем исключения нелинейных искажений восстановленного аналогового сигнала за счет исключения потерь импульсов сигнала с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ). Для этого введен второй счетчик импульсов ЧИМ с вспомогательными элементами, работающим в паузах первого счетчика импульсов. Это позволило преобразовать параллельный код счетчиков в последовательный и их обнуление производить в паузах работы другого счетчика, тем самым исключить потери импульсов ЧИМ и искажения восстановленного аналогового сигнала. В предложенном АЦП отсутствуют шумы квантования и исключен компандер. 2 ил.

 

Изобретение относится к области аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Известные АЦП описаны в различных источниках, например в:

1. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 1994. - С.187, 188.

2. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М.: Радио и связь, 1987. - С.241-245.

3. Цифровые аналоговые и интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. - М.: Радио и связь, 1991. - С.432-445.

По технической сущности наиболее близкими к данному изобретению является устройство, описанное в первом источнике, которое по этой причине и принимается за его прототип.

Прототип состоит из последовательно включенных источника аналогового сигнала, частотно-импульсного модулятора (ЧИМ), схемы совпадения, счетчика импульсов, регистра сдвига, а также мультивибратора, выход которого соединен через делитель частоты со вторым входом схемы совпадений и входом сброса счетчика в нулевое состояние. Период импульсной последовательности на втором входе схемы совпадений состоит из длительности импульса Ти и длительности паузы Тп. В течение длительности импульса Ти счетчик считает количество импульсов ЧИМ на его входе в двоичной системе исчисления, образуя тем самым цифровой сигнал на своем выходе. Во время паузы Тп регистр сдвига осуществляет преобразование параллельного кода этого цифрового сигнала в последовательный и обнуление счетчика в конце кодового слова. Поэтому импульсы ЧИМ, соответствующие паузе Тп, устраняются, что приводит к существенным искажениям восстановленного аналогового сигнала по такому цифровому сигналу.

Во втором источнике описано устройство, преобразующее колебание с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), сформированное по аналоговому сигналу, в цифровой сигнал. Оно является аналогом изобретения.

В третьем источнике описаны стандартные АЦП, в которых амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) преобразуется в цифровой сигнал с шумом квантования.

Основным недостатком прототипа является относительно большой уровень нелинейных искажений восстановленного аналогового сигнала из-за потери части импульсов ЧИМ.

Техническим результатом заявленного устройства является повышение качества передаваемой информации путем исключения нелинейных искажений восстановленного аналогового сигнала за счет исключения потерь импульсов ЧИМ.

Сущность изобретения состоит в том, что в преобразователь аналогового сигнала в цифровой, содержащий последовательно соединенные источник аналогового сигнала, частотно-импульсный модулятор (ЧИМ), схему совпадения, счетчик импульсов, регистр сдвига, а также мультивибратор, выход которого через делитель частоты соединен с другим входом схемы совпадений, дополнительно введены три счетчика импульсов, пять схем совпадений, цифровой инвертор, регистр сдвига, схема ИЛИ, причем к одному входу первой дополнительной схемы совпадений подключен выход модулятора ЧИМ, а к другому входу которой через последовательно соединенные делитель частоты и цифровой инвертор подключен выход мультивибратора, а выход первой дополнительной схемы совпадения через последовательно соединенные первые дополнительный счетчик импульсов и дополнительный регистр сдвига соединен с одним из входов схемы ИЛИ, к второму входу которой подсоединен выход регистра сдвига, а выход схемы ИЛИ является выходом преобразователя; при этом выход мультивибратора соединен с тактовым входом регистра сдвига через вторую дополнительную схему совпадения, а с тактовым входом дополнительного регистра сдвига - через третью схему совпадений, к второму входу которой подключен выход цифрового инвертора, при этом выход второй дополнительной схемы совпадений через последовательно соединенные второй дополнительный счетчик импульсов и четвертую дополнительную схему совпадения соединен с R-входом (входом обнуления) счетчика импульсов и R-входом второго дополнительного счетчика импульсов, кроме того, выход третьей схемы совпадения соединен с тактовым входом дополнительного регистра сдвига и через последовательно соединенные третий дополнительный счетчик импульсов и пятую схему совпадения соединении с R-входом первого дополнительного счетчика импульсов и R-входом третьего дополнительного счетчика импульсов.

Существенным отличием изобретения является совокупность введенных элементов и их связей, т.к. только они позволяют исключить потерю импульсов ЧИМ и тем самым уменьшить нелинейные искажения восстановленного аналогового сигнала по цифровому, т.е. достигнуть цели.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого изобретения, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

На фиг.1 обозначено:

1 - усилитель-ограничитель амплитуды аналогового сигнала с ЧМ;

2 - аналоговый частотный модулятор;

3 - источник аналогового (передаваемого) сигнала;

4 - дифференцирующая цель;

5 - двухполупериодный выпрямитель с активной нагрузкой;

6 - одновибратор;

7, 9, 17, 18, 21, 22 - схемы совпадений;

8 - мультивибратор;

10, 12, 19, 20 - счетчики импульсов;

11 - делитель частоты;

13, 15 - регистры сдвига, преобразующие параллельный код в последовательный;

14 - цифровой инвертор;

16 - схема ИЛИ.

Блоки 1, 2, 4, 5, 6 образуют частотно-импульсный модулятор (ЧИМ).

Введенные элементы обведены пунктирной линией.

Работа схемы происходит следующим образом.

Входной аналоговый сигнал u₃(t) (фиг.2) с источника 3 (фиг.1) осуществляет аналоговую частотную модуляцию (ЧМ) в блоке 2. С выхода данного блока ЧМ сигнал усиливается и ограничивается по амплитуде в блоке 1, после чего дифференцируется по времени в блоке 4. Разнополярные остроконечные импульсы u₄(t) (фиг.2) с выхода блока 4 преобразуются в однополярные в двухполупериодном выпрямителе 5 с активной нагрузкой. По сути в блоке 5 осуществляется удвоение частоты следования импульсов и их девиации. Одновибратор 6 преобразует остроконечные импульсы u₅(t) в импульсы u₆(t) прямоугольной формы постоянной амплитуды и длительности, но разной частоты следования (фиг.2). Так аналоговая ЧМ преобразуется в частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ). С выхода блока 6 сигнал ЧИМ поступает на одни входы схем совпадения 7, 9. Мультивибратор 8 вырабатывает прямоугольные колебания формы меандр, у которых длительность импульса равна длительности пауз. С выхода блока 8 колебания поступают на вход делителя частоты 11, а также на одни входы схем совпадения 17, 18. На выходе блока 11 имеют место прямоугольные импульсы u₁₁(t), тоже формы меандр, частота следования которых в 8 раз меньше частоты следования входных импульсов. Эти импульсы u₁₁(t) поступают на вторые входы схем совпадения 7, 17 и на вход цифрового инвертора 14, как показано на фиг.1. С выхода блока 14 импульсы u₁₄(t) подаются на второй вход схемы совпадения 9 и на второй вход схемы совпадения 18. Длительности импульсов u₁₁(t) и u₁₄(t) (огибающие на фиг.2) определяют число импульсов ЧИМ, которые поступают через блоки 7, 9 на входы счетчиков 10, 12. На фиг.2 эти импульсы ограничены вертикальными пунктирными линиями. Видно, что импульсу u₁₁(t) соответствует 8 импульсов ЧИМ u₆(t), а импульсу u₁₄(t) - только 4 импульса ЧИМ u₆(t). Количество импульсов пропорционально частоте их следования, а последняя пропорциональна амплитуде входного аналогового сигнала u₃(t). На выходе счетчиков 10, 12 количество импульсов ЧИМ представлены в двоичной системе исчисления в виде временной диаграммы u₆(t) на фиг.2, т.е. цифровым сигналом. Видно, что операция квантования по уровню здесь полностью отсутствует, что полностью исключает шумы квантования. Тем самым данный преобразователь выгодно отличается от стандартных АЦП, представленных в третьем источнике. Код цифрового сигнала на выходе счетчиков 10, 12 - параллельный. Регистры сдвига 13, 15 преобразуют параллельный код в последовательный. Это преобразование происходит в паузах работы одного счетчика, когда работает другой, что исключает потери импульсов ЧИМ. Для этого на тактовые выходы блоков 13, 15 попадаются колебания с выхода мультивибратора 8 через схемы совпадения 17, 18 соответственно. На второй вход схемы 17 поступают колебания с входа инвертора 14, а на второй вход схемы 18 - с его выхода. Коэффициент деления частоты импульсов мультивибратора в блоке 11 выбран как обычно, равным 8-и. Это значит, что схемы совпадений 17, 18 пропускают на свой выход ровно по 8 импульсов с мультивибратора 8, соответствующих импульсу со входа и выхода блока 14. Эти 8 импульсов под огибающей u₁₁(t) и u₁₄(t) фиг.2 поступают на тактовые входы регистров 13, 15, которые преобразуют параллельный 8-разрядный код счетчиков 10, 12 в последовательный код тоже 8-разрядный. Выход преобразователя 13 соединен с одним, а выход преобразователя 15 - с другим входом схемы ИЛИ 16, в результате чего цифровые сигналы этих преобразователей на выходе блока 16 идут последовательно (u₁₆(t) фиг.2) как в стандартных АЦП [3]. Поэтому их преобразовывать в аналоговые сигналы можно стандартными цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) [3]. Выход блока 17 соединен с тактовым (С) входом счетчика 19, а выход блока 18 - с (С) входом счетчика 20. Десятичное число 8 в двоичной системе счисления будет 1000, т.е. (8)₁₀→(111)₂. Поэтому сигналы с выхода каждого счетчика 19, 20, состоящего из трех триггерных ячеек, подаются на трехвходовые схемы совпадений 21, 22, сбрасывающие счетчики 10, 12, 19, 20 в 0 при числе импульсов, равных 8. После сброса счетчиков в нуль процесс повторяется.

Технико-экономическим эффектам изобретения является уменьшение нелинейных искажений аналогового сигнала, восстановленного по данному цифровому, не имеющему потерь импульсов ЧИМ. В данном АЦП вообще отсутствуют шумы квантования, поскольку здесь нет операций квантования по уровню отсчетов. Это позволяет исключить компрессор и экспандер, и уменьшить разрядность кодового слова, т.е. увеличить быстродействие данного АЦП.

Преобразователь аналогового сигнала в цифровой, содержащий последовательно соединенные источник аналогового сигнала, частотно-импульсный модулятор (ЧИМ), схему совпадения, счетчик импульсов, регистр сдвига, а также мультивибратор, выход которого через делитель частоты соединен с другим входом схемы совпадений, отличающийся тем, что дополнительно введены три счетчика импульсов, пять схем совпадений, цифровой инвертор, регистр сдвига, схема ИЛИ, причем к одному входу первой дополнительной схемы совпадений подключен выход модулятора ЧИМ, к другому входу которой через последовательно соединенные делитель частоты и цифровой инвертор подключен выход мультивибратора, а выход первой дополнительной схемы совпадения через последовательно соединенные первый дополнительный счетчик импульсов и дополнительный регистр сдвига соединен с одним из входов схемы ИЛИ, к второму входу которой подсоединен выход регистра сдвига, а выход схемы ИЛИ является выходом преобразователя; при этом выход мультивибратора соединен с тактовым входом регистра сдвига через вторую дополнительную схему совпадения, а с тактовым входом дополнительного регистра сдвига через третью схему совпадений, к второму входу которой подключен выход цифрового инвертора, при этом выход второй дополнительной схемы совпадений через последовательно соединенные второй дополнительный счетчик импульсов и четвертую дополнительную схему совпадения соединен с R-входом (входом обнуления) счетчика импульсов и R-входом второго дополнительного счетчика импульсов, а выход третьей схемы совпадения соединен с тактовым входом дополнительного регистра сдвига и через последовательно соединенные третий дополнительный счетчик импульсов и пятую схему совпадения соединен с R-входом первого дополнительного счетчика импульсов и R-входом третьего дополнительного счетчика импульсов.