Способ аналого-цифрового преобразования мгновенного значения повторяющегося сигнала
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик (ii) 884128 (6! ) Дополнительное к авт, свкд-ву (22) Заявлено17.03,80 (2l) 2893898/18-21 с присоединением заявки РЙ (5! }М. Кл.
Н 03 К 13/17
Гоеудерстеенный комитет
СССР (23) Приоритет но делам изобретений и открытий
Опубликовано 23.11.81. Бюллетень лй 43
Дата опубликования описания 23.11 81 (53} УДК 681.325 (088.8) (72) Автор изобретения
Б. Н. Лисенков (7! ) Заявитель (54) СПОСОБ АНАЛОГО-!ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
МГНОВЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ ПОВТОРЯЮШЕГОСЯ
СИГНАЛА
Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к преобра зованию слабых сигналов импульсными автокомпенсационными системами, и может быть использовано для построения цифровых измерителей мгновенных значе»
Ю ний широкополосных повторяющихся сигналов на фоне шумов, например, чувствитель ных стробоскопических вольтметров, 10
Известен способ аналого-цифрового преобразования входного сигнала, основанный на поразрядном уравновешивании мгно. венного значения входного сигнала компенсирующим сигналом отрицательной обратной связи, который обеспечивает высокую чувствительность, малую систематическую погрешность и отсутствие режима самовозбуждения в преобразователе. На каждом такте уравновешивания проводят сравнение мгновенного значения входного сигнала с компенсирующим сигналом, для чего стробируют входной сигнал в выбранной точке.
Если случайную погрешность аналогоцифрового стробоскопического преобразования снижают по методу цифрового интегрирования, а малой систематической погрешности добиваются с помощью метода уравновешивающего преобразования, то число стробирований, необходимое для за вершения преобразования, равно произведению числа суммируемых цифровых кодов на число тактов уравновешивания, необходимых для получения одного цифрового кода.
В этом случае отношение величины разности между мгновенным значением входного и компенсирующим сигналами к величине шума изменяется в процессе уравновешивания. во много раз. На тактах, далеких от состояния равновесия, это отношение может быть настолько большим, что наличие шума перестает влиять на результат правильной отработки этих тактов !.1).
Недостатком известного способа является большое время преобразования, про8841. 28
35 порциональное общему числу стробирований. Зто обусловлено тем, что число суммируемых кодов выбирают постоянным иэ расчета максимально возможной, величи ны шума, т.е. не учитывают истинную вели чину шума, а также изменение отношения величины разности между мгновенным значением входного и компенсирующим сигналами к истинной величине шума в процессе уравновешивания. 10
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ основанный на поразрядном уравновешивании компенсирующим сигналом отрицательной обратной связи мгновенного значения вход- 5 ного сигнала путем многократного строби рования входного сигнала, его алгебра ического суммирования в момент стробирования с компенсирующим сигналом отрицательной обратной связй, интегрирования полученного импульсного разностного сигнала на каждом такте уравновешивания, сравнения проинтегрированного разностного сигнала с положительным и отрицательным пороговыми сигналами и использования сигнала об изменении знака неравенства между проинтегрированным разностным сигналом и любым из пороговых сигналов для изменения компенсирующего сигнала отрицательной обратной связи.
Присутствующие при измерении шумы аддитивно смешиваются с входным, ком« пенсируюшим и разностным сигналами. В результате амплитуды отдельных импульсов разностного сигнала изменяются слу чайным образом и на некоторых тактах уравновешивания импульсный разност ный сигнал становится знакопеременным, Вероятность правильного определения знака истинной амплитуды разностного сигнала на всех тактах уравновешивания увели40 чивают методом накопления разностного сигнала, Минимальное значение этой вероятности задают с помощью амплитуды пороговых сигналов I 2).
Однако время, необходимое для преобра45 зования, остается достаточно большим и число стробирований на каждом такте уравновешивания обратно пропорционально истинной амплитуде разностного сигнала на этом такте.
Uem изобретения - сокращение времени преобразования.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу аналого-цифрового преобразования мгновенного значения по вторяющегося сигнала, основанному на поразрядном уравновешивании компенсирующим сигналом отрицательной обратной связи мгновенного значения входного сшнала, путем многократного стробирования входного сигнала, его алгебраического суммирования в момент стробирования с компенсирующим сигналом отрицательной обратной связи, интегрирования полученного импульсного разностного сигнала на каждом такте уравновешивания, сравнения проинтегрированного раэностного сигнала с положительным и отрицательным пороговыми сигналами и использования сигнала об изменении знака неравенства между проинтегрированными разностным сигналом и любым из пороговых сигналов для изменения компенсирующего сигнала отрицательной обратной связи, положительный и отрицательный пороговые сигналы получают путем формирования ступенчатого линейно нарастающего сигнала, пропорционального количеству проинтегрированных импульсов разностного сигнала, его нелинейного преобразования по закону корня квадратного и инвертирования, дополнительно сравнивают сформированный линейно нарастающий сигнал с постоянным уровнем, а проинтегрированный разностный сигнал - с нулевым уровнем и после достижения линейно нарастающим сигналом постоянного уровня для изменения компенсирующего сигнала отрицательной обратной связи используют сигнал о знаке проинтегрированного разностного сигнала по результатам сравнения его c нулевым уро вием.
Способ состоит в следующем.
Мгновенное значение входного. например повторяющегося, сигнала сравнивают с компенсирующим сигналом отрицатель» ной обратной связи Ок„, который изменяют по результатам сравнения таким образом; что разность между мгновенным значением входного и компенсирующим сигналами уменьшается к концу преобразования до величины, равной разрешающей способности преобразователя. Для этого путем многократного стробирования входного сигнала в той точке, в которой измеряют его мгновенное значение, и его алгебраического суммирования с компенсирующим сигналом, берут выборки разности между мгновенным значением входного и компенсирующим сигналами. Пос« ледовательность таких выборок, относящихся к одной и той же точке входного сигнала, образует импульсный раэностный сигнал Ц р 5 5н (1 ). мплитуда отде пы!ы х и л!ну пьс Ов рл э» ностного сигнала
Д„= (р, 1, 884128
t если А " )О, еспи А N <0
ИСТ +i то А„ Ист где М1„- разность между мгновенным значением входного сигнала в точке стробирования Ugg (t1) и компенсируюшим сигналом при 1 -ом стробировании $ (60)- амплитудная характеристика строб-смесителя; 1- ый момент стробирования; = 1, 2, 3, Если строб-смеситель имеет линейную характеристику во всем диапазоне преобразования, А;= Kgy Ь О., где Ко - коэффициент передачи строб-смесителя. Из-аа действия шумовД>+ А> при 1 Ф амплитуда Аи которую имел бы раэност. ный сигнал при отсутствии шумов, явля-. ется истинной амплитудой разностного сигнала, На каждом такте уравновешивания разностный сигнал интегрируют при нулевых условиях в начале такта О где U (Т, .- проинтегрированный разност ный сигнал; - время, прошедшее после .начала такта уравновешивания. Так как амплитуда раэностного сигнала отличается от нуля только в дискретных точках, соответствующих моментам стробирования -,1 последнее выражение можно представить в виде суммы М ОЕ(ТИНТ) -Е ДРаьн(+;)д Т НТС Если входной сигнал периодический, „= т.и где Т - период стробирования; N - число проинтегрированных им пульсов, Амплитуда проинтегрированного раз-. ностного сигнала после М стробирования LI ,4 и = . Е А„ Е j=1 1 Одновременно с началом интегрирования импульсов разностного сигнала формируют ступенчатый линейно нарастающий сигнал 0 (Т )пропорциональный числу проинтегрированных импульсов. Амплитуда Я-ой ступеньки этого сигнала СТУП К Где 5 - крутизна амплитудной характеристики формирователя линейноча(« гтию1пе!ГО сиГнапа, 6 Сигнал 0 (Т„,ПЬреобразуют по закону корня квадратного и инвертируют. В ка.честве отрицательного и положительного пороговых сигналов используют инверти5 рованный и инвертированный нелинейно преобразованный сигнаны, соответствен но. Амплитуды положительного Д + и от рицательного А пороговых сигналов, соответствующие М проинтегрированным 1я импульсам, равны A = WsN А,„= — 1ЯЙ. Знак истинной амплитуды А импуль» Ист сного разностного сигнала, необходимый >S для правипьного изменения компенсирующего сигнала на следующем такте уравновешивания, определяют с помощью сравнения проинтегрированного раэностного сигнала с пороговыми сигналами по слещ дующему правилу: если А " + ЬМ У то ИСТ О, если - "тЭ то АИС7<О. и(Г 25 Кроме того, на каждом такте уравно. вешивания проводят сравнение проинтегрированного разностного сигнала с нупевым уровнем, а ступенчатого линейно нараста«. юшего сигнала с постоянным уровнем Эо Ц „g. После того как линейно нарастающий сигнал превысит постоянный уронь(ступ Гинт) соиэ э"ак исти""ой амплитуды импульсного разностного сигнала определяют по.правилу Сравнение проинтегрированного раэностного сигнала с пороговыми сигналами и с нупевым уровнем ведут до тех пор, пока не определят знак раэностного сигна-. ла, После этого компенсирующий сигнал 1 отрицательной обратной связи изменяют cornac o найденному значению и перехо. дят к следующему такту уравновешцвания. Еспи исследуемый повторяющийся сигнал.представпен в виде импульсного напряжения, все операции, необходимые для аналого-цифрового преобразования мгно венного значения этого сигнала могут быть реализованы. На чертеже представпена функционапьSS ная схема устройства для реализации предлагаемого способа. Усч ройство состоит иэ строб»смесителя 1, управляемого строб-генератором 2, интегратора, 3, формирователя 4 ступен 7 88 чатого линейно нарастающего сигнала, устройства 5 нелинейного преобразования сигнала с амплитудой, равной амплитуде ступенчатого линейно нарастающего сигнала в степени 1/2, инверторв 6, срав» ниваюших устройств 7 и 7, сравниваю/ щего устройства 8, управляемого сравниваюшего устройства 9, устройства 10 отработки напряжения компенсации, цифроаналогового преобразователя (БАП) 11. Устройство работает следующим обра зом. Входное напряжение 0 подают на первый вход смесителя 1; напряжение компенсации U с выхода Е1АП 11 подают на второй вход смесителя, на третий вход которого подают строб-импульсы. На выходе смесителя образуется импульсный раэностный сигнал с амплитудой,пропорциональной разности/ мгновенного значения входного и. компенсирующего напряжения. Момент стробирования задают с помошью импульсного сигнала синхрониИ сии Р Импульсный рвэностный сигнал, поступаюший с выхода строб-смесителя 1, накапливают с помошью интегратора 3, на выходе которого получают проинтегрированный разностный сигнал. В начале каждого такта уравновешивания осуществляют сброс интегратора 3 сигналом "Установка", вырабатываемым устройством 10 отработки напряжения компенсации. Этот же сигнал используют для сброса формирователя 4 ступенчатого пинейно- нарастаюшего сигнала. Формирователь 4 формирует из импульсного сигнала синхронизации 0 „„ступенСнн Р чатый линейно нарастаюший сигнап, пропорционайьный числу проинтегрированных импульсов раэностного сигнала, которое равно чиспу синхроимпульсов, поступивших на формирователь за время интегри рования. Линейно-нарастаюший сигнал подают на устройство 5 нелинейного преоб раэования, которое преобразует этот сигнал по закону корня квадратного, и на первый вход сравнивающего устройства 8, на второй вход. которого поступает постоянный уровень. Сравнивающие устройства 7 и 7 про/ водят сравнение проинтегрированного рвэностного сигнала с выхода интегратора 3 с положительным и отрицательным пороговыми сигнапами, соответственно. На вход сравнивающего устройства 7 пороговый сигнал поступает с выхода устройства 5 нелинейного преобразования непосредственно, в на вход сравниваюшего 4128 8 устройства 7 -через инвертор 6. Прн иэ/ менении знака неравенства между проинтегрированным разностным сигналом и одним иэ пороговых сигналов с выхода соответствующего сравниваюшего устройства 7 или 7,. на устройство 10 отра / ботки напряжения компенсации поступает сигнал, по которому устройство 10 осуществляет изменение выходного кода согласно программе поразрядного уравновешивания и вырабатывает сигнал "Установка". Выходы сравниваюших устройств 7 и 7 соединены по схеме МОНТАЖНОЕ ИЛИ с соответствующими выходами управляемого сравнивающего устройства 9, которое сравнивает проинтегрированный разностный сигнал с выхода интегратора 3 с нулевым уровнем. Сигнал о знаке про20 интегрированного разностного сигнала появляется на одном из выходов управляемого сравнивающего устройства 9 лишь при наличии разрешающего сигнала на управляющем входе устройства 9, кото23 рый поступает с выхода сравнивающего устройства 8 после превышения линейно нарастаюшим сигналом постоянного уровня cons+ Если проинтегрированный раэностный SO сигнал имеет положительный знак, выходной сигнал появляется на том выходе управляемого сравнивающего устройства 9, который соединен с выходом сравниваюшего устройства 7, а если проинтегрированный разностный сигнал имеет отрицательный знак, выходной сигнал появляется на выходе устройства 9, соединенном с выходом устройства 7 Выходной код с устройства 10 отра ботки напряжения компенсации поступает на вход цифроаналогового преобразователя 11, который преобразует его в напряжение компенсации О од,. Вероятность правильного определения знака разности между мгновенным значением входного и компенсируюшим сигналами, соответствующего знаку разностного сигнала, задают величиной крутизны амплитудной характеристики формироввте50 ля 4, которая определяет амплитуду ступенек линейно нарастаюшего сигнала. При условии, когда случайная погрешность преобразования с вероятностью, не меньшей выбранной величины вероятности, SS не превышает разряда преобразователя, и цри прочих равных условиях, предлагаемый способ позволяет сократить время прробраэования по сравнению с известным в 2,8 раза., 4128 Ьим Составитель В. Махнанов Редактор Н. Джуган Техред 3. Фанта рре Ко ктор О. Билак.991 Подписное Заказ 1 0 25 5/85; Тираж . та СССР ВНИИПИ Государственного комитета С по деп пам изобретений и открытий наб. д. 4/5 113035, Москва, Ж-35, Раушская на ., д. Фипиал ППП "Патент,. r. Ужгород, уп. Проектная, Формупа изобретения Способ аналого-цифрового преобразования мгновенного значения повторяющегося сигнала, основанный на поразрядном уравновешивании компенсирующим сигналом отрицательной обратной связи мгновенного значения входного сигнала путем многократного стробирования входного сигнала, его алгебраического суммирования в момент стробирования с компенсирующим сигналом отрицательной обратной связи, интегрирования подученного импульсного раэностного сигнала на.каждом такте уравновешивания, сравнения проинтегрированного разностного сигнала с положительным и отрицательным пороговыми сигналами, использования сигнала об изменении знака неравенства между проинтегрированным раэностным сигналом и любым из пороговых сигналов дпя изменения компенсирующего сигнала отрицательной обратной связи, о т л и ч аю щ и. и с я тем, что, с целью сокращения времени преобразования, попожительный и отрицательный пороговые сигналы 10 получают путем формирования ступен чатого линейно нарастающего сигнала, пропорционального количеству проинте— грированных импульсов раэностного сигнала, его нелинейного преобразования по закону корня квадратного и йнвертирования, дополнительно сравнивают сформированный линейно-нарастающий сигнал с постоянным уровнем, а проинтегрированный разностный сигнал - с нулевым уровнем и после достижения линейно нарастающим сигналом постоянного уровня для изменения компенсирующего сигнала отрицатель ной обратной связи используют сигнал о знаке проинтегрированного раэиостного сигнала по результатам сравнения его c нулевым уровнем. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Вопросы радиоэлектроники, серия Радиоизмерительная техника, 1971, вып. 4, с. 79-85. 2. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации. Под ред. В. Б. Смолова, 1976; с. 307 (прототип).
