Способ каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования



Способ каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования
Способ каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования
Способ каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования

 

H03M1/42 - Кодирование, декодирование или преобразование кода вообще (с использованием гидравлических или пневматических средств F15C 4/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; кодирование, декодирование или преобразование кода, специально предназначенное для особых случаев применения, см. в соответствующих подклассах, например G01D,G01R,G06F,G06T, G09G,G10L,G11B,G11C;H04B, H04L,H04M, H04N; шифрование или дешифрование для тайнописи или других целей, связанных с секретной перепиской, G09C)

Владельцы патента RU 2571916:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к аналого-цифровому преобразованию и может быть использовано при построении аналого-цифровых преобразователей для высокоточных исследований быстропротекающих процессов. Техническим результатом является повышение точности и сокращение времени аналого-цифрового преобразования. Способ основан на поэтапном аналого-цифровом преобразовании входного сигнала, при котором на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, и осуществляется его аналого-цифровое преобразование, а во втором и последующих этапах аналого-цифрового преобразования преобразуется усиленная ошибка квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования, и объединении результатов преобразований со всех этапов в выходной двоичный код, ошибку квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования формируют как разность сохраненного значения входного аналогового сигнала и значения уровня квантования соответствующего текущему этапу аналого-цифрового преобразования. 3 ил.

 

Изобретение относится к способам аналого-цифрового преобразования и может быть использовано при построении аналого-цифровых преобразователей для высокоточных исследований быстропротекающих процессов.

Известен способ аналого-цифрового преобразования путем последовательного приближения. Данный способ основан на последовательной оценке значения каждого разряда выходного кода [Применение высокоточных систем. Под ред. Уолта Кестера / Москва: Техносфера, 2009. - 368 с. ISBN 978-5-94836-199-4].

Недостатком известного способа является недостаточная точность преобразования, определяемая нелинейностью внутреннего цифроаналогового преобразования.

За прототип принят способ конвейерного аналого-цифрового преобразования [Rudy van Plassche, CMOS Integrated Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Converters, Second Edition, Kluwer Academic Publishers, 2003, ISBN 1-40-20-7500-6]. Он основан на поэтапном аналого-цифровом преобразовании входного сигнала и объединении результатов всех преобразований в выходной двоичный код, при этом на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, осуществляется его аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование, а во втором и последующих этапах преобразования аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование осуществляется над усиленной ошибкой квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования. Ошибку квантования на каждом этапе аналого-цифрового преобразования формируют как разность входного аналогового сигнала текущего этапа аналого-цифрового преобразования и значения выходного аналогового сигнала с цифроаналогового преобразователя текущего этапа.

Аналого-цифровое преобразование, основанное на конвейерной архитектуре, обеспечивает недостаточную точность и быстродействие для его использования в высокоточных исследованиях быстропротекающих импульсных процессов, что обусловлено наличием на каждом этапе цифроаналогового преобразования двоичного кода.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени аналого-цифрового преобразования за счет применения одних и тех же значений уровней квантования на всех этапах аналого-цифрового преобразования, использующихся для определения ошибки квантования на каждом, кроме оконечного, этапах аналого-цифрового преобразования.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования, основанного на поэтапном аналого-цифровом преобразовании входного сигнала, при котором на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, и осуществляется его аналого-цифровое преобразование, а во втором и последующих этапах аналого-цифрового преобразования преобразуется усиленная ошибка квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования, и объединении результатов преобразований со всех этапов в выходной двоичный код, ошибку квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования формируют как разность сохраненного значения входного аналогового сигнала и значения уровня квантования, соответствующего текущему этапу аналого-цифрового преобразования.

Сущность поясняется следующими рассуждениями.

В известном способе аналого-цифрового преобразования, взятого за прототип, на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, а на втором и последующих этапах сохраняется значение усиленной ошибки квантования предыдущего этапа, которое сравнивается с формируемыми на каждом этапе значениями уровней квантования. Результат сравнения на каждом этапе выражается в виде «единичного» кода, который преобразуется в двоичный, и используется для формирования общего результата аналого-цифрового преобразования в виде К-разрядного двоичного кода, где К=n·(k+1); n - разрядность двоичного кода формируемого на каждом этапе аналого-цифрового преобразования; k - количество этапов преобразования, учитывающих формирование ошибки квантования. Ошибка квантования определяется на всех этапах аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного. На первом этапе аналого-цифрового преобразования ошибка квантования формируется как разность значения полученного после цифроаналогового преобразования двоичного кода текущего этапа и сохраненного значения входного аналогового сигнала, а на втором и последующих этапах аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, ошибка квантования текущего этапа формируется как разность значения полученного после цифро-аналогового преобразования двоичного кода текущего этапа и значения усиленной ошибки квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования.

Применение цифроаналогового преобразования характеризуется нелинейностью преобразования (Цифровые устройства и микропроцессоры/ Д.А. Безуглов, И.В. Калиенко. - Изд. 2-е - Ростов н/Д: Феникс, 2008. - 468 с.: ил.), т.е. разностью реального напряжения, соответствующего полученному значению двоичного кода, и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в идеальном случае (опорному напряжению, формирующемуся резистивной линейкой). Одновременно с усилением полезного сигнала усиливается и значение нелинейности, вносимой цифроаналоговым преобразователем. При увеличении этапов аналого-цифрового преобразования, нелинейность, вносимая цифроаналоговыми преобразованиями, на каждом этапе усиливается и накладывается на нелинейность цифроаналогового преобразования последующего этапа, и общая погрешность преобразования увеличивается. На фиг. 1 представлена последовательность действий, необходимых для осуществления первого этапа аналого-цифрового преобразования входного аналогового сигнала в прототипе, где: 1 - сохранение значения входного аналогового сигнала; 2 - формирование N значений уровней квантования, где N=2n; 3 - формирование N-разрядного «единичного» кода путем сравнения значения сохраненного входного на данном этапе аналогового сигнала с N значениями уровней квантования; 4 - формирование n-разрядного двоичного кода из N-разрядного «единичного» кода; 5 - цифроаналоговое преобразование сформированного двоичного кода; 6 - сохранение значения двоичного кода; 7 - определение и усиление ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования.

Момент формирования значения усиленной ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования по отношению к моменту сохранения входного аналогового сигнала на данном этапе характеризуется задержкой:

tзад.=tком.+tшиф.+ts+tву,

где tком. - интервал времени, необходимый для осуществления формирования N-разрядного «единичного» кода путем сравнения значения сохраненного входного аналогового сигнала с N значениями уровней квантования; tшиф. - интервал времени, в течение которого N-разрядный «единичный» код преобразуется в n-разрядный двоичный; ts - интервал времени, необходимый для осуществления цифроаналогового преобразования, т.е. от момента изменения двоичного кода до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины квантования; tву - время определения и усиления ошибки квантования на текущем этапе аналого-цифрового преобразования. При увеличении на каждом этапе разрядности аналого-цифрового преобразования, tшиф. будет увеличиваться соответственно, следовательно, время аналого-цифрового преобразования будет увеличиваться.

Реализация предлагаемого способа заключается в следующем. На фиг. 2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования, где: 8 - устройство сохранения отсчета входного аналогового сигнала; 9 - устройство формирования N значений уровней квантования; 10 - формирователь N-разрядного «единичного» кода первого блока аналого-цифрового преобразования; 11 - формирователь n-разрядного двоичного кода первого блока аналого-цифрового преобразования; 12 - коммутатор значения уровня квантования первого блока аналого-цифрового преобразования; 13 - устройство определения ошибки квантования первого блока аналого-цифрового преобразования; 14 - усилитель значения ошибки квантования первого блока аналого-цифрового преобразования; 15 - формирователь N-разрядного «единичного» кода k-го блока аналого-цифрового преобразования; 16 - формирователь n-разрядного двоичного кода k-го блока аналого-цифрового преобразования; 17 - коммутатор значения уровня квантования k-го блока аналого-цифрового преобразования; 18 - устройство определения ошибки квантования k-го блока аналого-цифрового преобразования; 19 - усилитель значения ошибки квантования k-го блока аналого-цифрового преобразования; 20 - формирователь N-разрядного «единичного» кода оконечного блока аналого-цифрового преобразования; 21 - формирователь n-разрядного двоичного кода оконечного блока аналого-цифрового преобразования; 22 - устройство формирования выходного К-разрядного двоичного кода. При этом входной аналоговый сигнал подается на вход устройства сохранения отсчета входного аналогового сигнала 8, выход которого соединен с первым входом формирователя N-разрядного «единичного» кода первого блока аналого-цифрового преобразования 10 и с первым входом устройств определения ошибки квантования аналого-цифрового преобразования во всех блоках аналого-цифрового преобразования кроме оконечного 13 и 18, соответственно, выход устройства формирования N значений уровней квантования 9 соединен со вторым входом формирователя N-разрядного «единичного» кода во всех блоках аналого-цифрового преобразования 10, 15, и 20, соответственно, и с первым входом коммутатора значений уровней квантования во всех блоках аналого-цифрового преобразования. кроме оконечного 12 и 17, соответственно, выход формирователя N-разрядного «единичного» кода во всех блоках аналого-цифрового преобразования 10, 15 и 20 соединен с первым входом формирователя n-разрядного двоичного кода во всех блоках аналого-цифрового преобразования 11, 16 и 21, соответственно, а также со вторым входом коммутатора значений уровней квантования 12 и 17 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, соответственно, выход коммутатора значений уровней квантования 12 и 17 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, соответственно, соединен со вторым входом устройства определения ошибки квантования 13 и 18 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного соответственно, выход устройства определения ошибки квантования 13 и 18 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного, соединен с входом усилителя значения ошибки квантования 14 и 19 во всех блоках аналого-цифрового преобразования, соответственно, выход которого соединен с первым входом формирователя N-разрядного «единичного» кода очередного блока аналого-цифрового преобразования 15 и 20, а выход формирователя n-разрядного двоичного кода 11, 16 и 21 во всех блока аналого-цифрового преобразования соединен с входом устройства формирования выходного К-разрядного двоичного кода 22, соответственно, на выходе которого формируется выходной К-разрядный двоичный код.

В каждом блоке аналого-цифрового преобразования реализуется этап аналого-цифрового преобразования, где на первом этапе формируется n-разрядный двоичный код, использующийся для формирования общего результата аналого-цифрового преобразования в виде выходного К-разрядного двоичного кода, при этом на всех этапах преобразования используются одни и те же значения уровней квантования, а определение ошибки квантования осуществляется на всех этапах аналого-цифрового преобразования, кроме оконечного. Путем сравнения значения входного аналогового сигнала с формируемыми N значениями уровней квантования формируется N-разрядный «единичный» код, который одновременно используется для формирования n-разрядного двоичного кода, а также выбора значения коммутируемого уровня квантования, использующегося для определения ошибки квантования. Ошибка квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования, определяемая как разность сохраненного значения входного аналогового сигнала и значения коммутируемого уровня квантования, соответствующего «единичному» коду определенному на текущем этапе аналого-цифрового преобразования, усиливается в (N-1) раз и подается на следующий этап аналого-цифрового преобразования.

На фиг. 3 представлена последовательность действий необходимых для осуществления первого этапа предлагаемого каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования входного аналогового сигнала, где: 23 - сохранение значения входного аналогового сигнала; 24 - формирование N значений уровней квантования; 25 - формирование N-разрядного «единичного» кода путем сравнения значения сохраненного входного аналогового сигнала с N значениями уровней квантования; 26 - коммутация значения уровня квантования, соответствующего сформированному на данном этапе N-разрядному «единичному» коду; 27 - формирование n-разрядного двоичного кода из N-разрядного «единичного» кода; 28 - сохранение значения двоичного кода; 29 - определение и усиление в (N-1) раза ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования.

Момент времени сохранения входного аналогового сигнала по отношению к моменту времени формирования значения усиленной ошибки квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования на одном этапе аналого-цифрового преобразования характеризуется задержкой:

tзад.=tком.+tкл.+tву,

где tкл. - время коммутации значения уровня квантования, соответствующего сформированному на текущем этапе «единичному» коду. Из данного выражения видно, что при увеличении на каждом этапе разрядности аналого-цифрового преобразования tзад. остается постоянной.

Применение предлагаемого способа каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования позволяет увеличить точность и уменьшить общее время преобразования входного аналогового сигнала в выходной двоичный код.

Способ каскадно-конвейерного аналого-цифрового преобразования, основанный на поэтапном аналого-цифровом преобразовании входного сигнала, при котором на первом этапе сохраняется значение входного аналогового сигнала, и осуществляется его аналого-цифровое преобразование, а во втором и последующих этапах аналого-цифрового преобразования преобразуется усиленная ошибка квантования предыдущего этапа аналого-цифрового преобразования, и объединении результатов преобразований со всех этапов в выходной двоичный код, отличающийся тем, что ошибку квантования текущего этапа аналого-цифрового преобразования формируют как разность сохраненного значения входного аналогового сигнала и значения уровня квантования, соответствующего текущему этапу аналого-цифрового преобразования.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами. Техническим результатом является повышение динамической точности интегрирующего аналого-цифрового преобразования.

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для высокоточного преобразования быстроизменяющихся электрических сигналов в цифровой код.

Группа изобретений относится к электронике и может быть использована в интегральных схемах (ИС) цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Техническим результатом является улучшение интегральной нелинейности и дифференциальной нелинейности ИС ЦАП посредством использования автоматической калибровки.

Группа изобретений относится к области аналого-цифрового преобразования и может быть использована в системах управления и контроля. Техническим результатом является обеспечение динамически изменяемого разрешения преобразования.

Изобретение относится к средствам проектирования объектов самонаведения, стабилизированных вращением с многими неизвестными. Технический результат заключается в моделировании в реальном времени как цифровых, так и аналоговых форм квадратурных опорных сигналов.

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат - уменьшение относительной погрешности аналого-цифрового преобразования с двухтактным интегрированием.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для различных измерений. Достигаемый технический результат - осуществление контроля работоспособного состояния дифференциально-трансформаторного преобразователя (ДТП) и стабильности его метрологических характеристик.

Изобретение относится к области регулирования уровня громкости. Технический результат - обеспечение повышения быстродействия и точности преобразования.

Изобретение относится к обработке внутри вычислительной среды, в частности к преобразованию данных из одного формата в другой формат. Технический результат заключается в упрощении компилируемого кода и улучшении производительности, в частности производительности операций память-память.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию, а именно к кодовым шкалам преобразователей угла поворота вала в код.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в быстродействующих цифроаналоговых преобразователях (ЦАП), в том числе системах передачи информации. Технический результат заключается в повышении быстродействия и уменьшении искажения спектра выходного сигнала ЦАП. Устройство содержит первый (1) и второй (2) выходные полевые транзисторы, стоки которых соединены с соответствующими противофазными первым (3) и вторым (4) токовыми выходами устройства, истоки объединены и соединены с источником коммутируемого разрядного тока (5), первый (6) коммутирующий полевой транзистор, затвор которого связан с первым (7) логическим входом устройства, исток подключен к шине источника питания (8), а сток соединен с затвором первого (1) выходного полевого транзистора и истоком второго (9) коммутирующего полевого транзистора, причем затвор второго (9) коммутирующего полевого транзистора связан со вторым (10) противофазным логическим входом устройства, третий (11) коммутирующий полевой транзистор, затвор которого связан со вторым (10) противофазным логическим входом устройства, исток подключен к шине источника питания (8), а сток соединен с затвором второго (2) выходного полевого транзистора и истоком четвертого (12) коммутирующего полевого транзистора, причем затвор четвертого (12) коммутирующего полевого транзистора связан с первым (7) логическим входом устройства. Стоки второго (9) и четвертого (12) коммутирующих транзисторов связаны с объединенными истоками первого (1) и второго (2) выходных транзисторов. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может использоваться в датчиках неэлектрических величин, в информационно-измерительных устройствах при контроле и управлении технологическими процессами в диапазоне частот. Достигаемый технический результат - повышение точности и быстродействия. Функциональный преобразователь синусоидальных сигналов частота-код содержит электронно-управляемый фазовращатель, компаратор фаз, ключ, одновибратор, функциональный генератор развертки, преобразователь напряжение - код и микроконтроллер. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат заключается в повышении точности и стабильности ЦПУ. Устройство содержит образцовый цифровой преобразователь угла (ЦПУ) 1, управляемый электропривод (УЭП) 2, контролируемый ЦПУ 3, схему И-НЕ 4, первый триггер (T1) 5, первый ключ (Кл1) 6, первую схему совпадения (CC1) 7, первую схему И (И1) 8, второй ключ (Кл2) 9, первую схему задержки (СЗ1) 10, первый сумматор (Σ1) 11, вторую схему совпадения (СС2) 12, первый и второй формирователи импульса (F1) 13 и (F2) 14, схему ИЛИ 15, третий ключ (Кл3) 16, регистратор 17, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, второй сумматор (Σ2) 19, вторую схему задержки (СЗ2) 20, регистрирующее устройство 21, устройство задания требуемого кода (УЗТК) 22, третий формирователь импульса (F3) 23, счетчик (Сч) 24, управляющее логическое устройство (УЛУ) 25, второй триггер (Т2) 26, переключатель 27. УЛУ, в свою очередь, содержит инвертор (Инв) 28, вторую схему И (И2) 29, третий триггер (T3) 30, четвертый ключ 31, пятый ключ 32, первый источник питания (ИП1) 33, второй источник питания (ИП2) 34, кнопку «СТАРТ» 35, тумблер 36. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области обработки изображений. Технический результат - обеспечение уменьшения смещения, включенного в цифровой сигнал, которое возникает вследствие разности между временем, когда потенциал опорного сигнала начинает изменяться во времени, и временем, когда счетчик начинает подсчет синхросигнала. Способ для возбуждения устройства фиксации изображений, которое содержит: пиксель для вывода пиксельного сигнала и средство аналого-цифрового преобразования для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал; причем средство аналого-цифрового преобразования содержит: средство сравнения для вывода сигнала (СМР) результата сравнения, получаемого посредством сравнения аналогового сигнала с опорным сигналом, потенциал которого изменяется с течением времени, и средство подсчета для подсчета синхросигнала; причем способ содержит: формирование первого цифрового сигнала (DN1); формирование второго цифрового сигнала (DN2); формирование третьего цифрового сигнала; корректировку третьего цифрового сигнала на основе первого цифрового сигнала (DN1) и второго цифрового сигнала (DN2). 6 н. и 16 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к средствам автоматики и вычислительной техники, например, в системе контроля объектов. Технический результат заключается в повышении надежности преобразователя за счет одностороннего расположения элементов приемного и излучающего каналов относительно мультиплексирующего элемента. Волоконно-оптический цифроаналоговый преобразователь содержит источник опорного напряжения 1, излучатель 2, передающий световод 3, оптический демультиплексор 4, первую группу световодов 5, группу фокусирующих граданов 6, оптические аттенюаторы на основе щелевых диафрагм 7-10, призму Порро 11, группу шторок 12, группу коллимирующих граданов 13, вторую группу световодов 14, оптический мультиплексор 15, приемный световод 16, фотоприемник 17, фотоусилитель 18, аналого-цифровой преобразователь 19. 4 ил.

Способ многоабонентной радиочастотной идентификации относится к области радиотехники и может быть использован при организации идентификации одновременно нескольких объектов. Новым в способе многоабонентной радиочастотной идентификации является включение в состав транспондеров, устанавливаемых на объектах идентификации, управляемых фазовращателей. Антенной устройства считывания трансформированные по частоте и модулированные по амплитуде высокочастотные колебания вторично принимают и смешивают с исходными высокочастотными колебаниями, в результате чего на выходе смесителя получают одновременно несколько сигналов от транспондеров, при этом выделяют эти комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных и трансформированных по частоте высокочастотных колебаний. Выделенные в каждом канале устройства считывания низкие частоты равны частотам сдвига, вносимым каждым из транспондеров, находящимся в зоне действия системы радиочастотной идентификации. Каждый из этих низкочастотных сигналов демодулируют и получают одновременно на выходе амплитудных детекторов несколько уникальных кодовых последовательностей, осуществляя тем самым идентификацию нескольких объектов одновременно.

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых электрических сигналов в цифровой код. Техническим результатом является повышение точности преобразования. Устройство содержит блок слежения-хранения, генераторы, управляемые напряжением, аналого-цифровые преобразователи, спецпроцессоры быстрого преобразования Фурье, блоки максимальной амплитуды, блоки вычитания. 7 ил.
Наверх