Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и устройство для его осуществления

 

ОЛ ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социапистическик

Республик (и>892Т04 (61) Дополнительное к авт, свнд-ву (22)Заявлено 20.04.77 (21) 2479) 35/18-21 (5! )М. Кл. с присоединением заявки М

Н 03 К 13/17

Гееударствапвй каиитет

СССР (23) Приоритет пв аелаи изобретений и открытий

Опубликовано 23. 12. 81. Бюллетень РВ 47

Дата опубликования описания 25. j 2, 81 (53) УДК 681.325 (088, 8) . (72) Автор изобретения

В. Я. Загурский

Институт электроники и вычислительной техники

АН Латвийской CCP (7I ) Заявитель (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

В ЦИФРОВОЙ СИГНАЛ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к способам преобразования аналогового сигнала в цифровой код и может быть использовано в системах преобразования формы информации, измерительной и вычислительной технике.

Известен способ преобразования аналогового сигнала в цифровой код, включающий генерирование пилообразного

1О вспомогательного сигнала, суммирование его с преобразуемым неизвестным входным сигналом, квантование суммарного сигнала, вычитание входного сигнала из суммарного сигнала, кванто15 ванне разностного сигнала, определение цифрового значения квантованной величины суммарного сигнала, затем определение цифрового значения квантованной величины разностного сигнала и вычитание цифровых значений квантованных величин суммарного и разностного сигнала, образующих старшие и младшие разряды выходного кода (1), Недостатками способа являются низ- кая точность преобразования изменяющихся сигналов и сложность.

Известен также способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигнала (2).

Недостатками известного способа являются низкая точность преобразования изменяющихся сигналов и сложность.

Точность преобразования снижается из-за накопления погрешностей при последовательном выполнении операций коммутации вспомогательного аналогового сигнала и сравнения скоммутированного вспомогательного и преобразуемого сигналов. Наличие этих операций и последовательный порядок выполнения приводит к появлению динамических погрешностей и погршеностей неоднозначности, снижающих точность преобразования.

892704

Сложность способа определяется общим большим числом операций, в том числе сложных операций над аналоговыми сигналами, в частности, таких как коммутация вспомогательного сигнала.

Порядок выполнения операций способа принципиально не позволяет ïîâûсить точность преобразования при сохранении быстродействия или наоборот, так как обуславливает фиксированный 10 нижний уровень динамических погрешностей.

Устройство, реализующее способ, содержит блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к вхо- 1$ дам блока компараторов старших разрядов, другой вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр и дешифратор старших разрядов, генератор вспомогательного сигнала,, у0 к выходу которого подключен квантователь вспомогательного сигнала.

Задержки в блоках коммутации и сравнения приводят к возникновению ! динамических погрешностей, а в результате последовательной работы дешифратора, блока коммутации и блока сравнения возникают погрешности неоднозначности. Увеличение точности пре30 образования в устройстве возможно только за счет уменьшения быстродействия.

Устройство в целом имеет сложную структуру и значительнуй аппаратную избыточность. j$

Цель изобретения — повышение точности преобразования и упрощение.

Поставленная цель достигается тем, что в способе преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов, модулируют вспомогательным сигналом уровни квантования преобразуемого сигнала, производят одновременно квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов и одновременно считывают цифровые значения квантованных величин преобразуемого $0 и вспомогательного сигналов, образующие старшие и младшие разряды выходного кода, в моменты пересечения преобразуемым сигналом любого иэ модулированных уровней квантования пре- $$ образуемого сигнала, а также тем, что при модуляции генерируют несколько вспомогательных сигналов, априI орно известнои формы, период каждого из которых пропорционально меньше периода каждого предшествующего,причем для модуляции используют сигнал с наибольшим периодом, а в устройство для его осуществления, содержащее блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к первому входу блока компараторов старших разрядов, второй вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр старших разрядов и дешифратор, . генератор вспомогательного сигнала, к выходу которого подключен квантователь вспомогательного сигнала, введены формирователь строб-сигналов и регистр младших разрядов, причем первый выход генератора вспомогательного сигнала подключен к входу блока задания эталонных уровней квантования, второй выход к управляющему входу дешифратора, выход блока компараторов старших разрядов через формирователь строб-сигналов подключен к входам стробирования регистров старших и младших разрядов, к информационным входам которых подключены соответственно выходы блока компараторов старших разрядов и квантователя вспомогательного сигнала, а к выходу регистра старших разрядов подключен информационный вход дешифратора, причем квантователь вспомогательного сигнала по времени выполнен íà D-триггерах, О-входы которых подключены к выходам элементов задержки, а С-входы подключены к выходу формирователя стробсигналов.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ; на фиг. 2 — функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 3 — логическая схема квантователя в случае квантования вспомогательного сигнала по времени; на фиг. 4 — логическая схема дополнительных квантователей по времени рециркуляционного типа.

Устройство содержит (фиг. 1) генерируемый вспомогательный сигнал 1, известный по форме и ограниченный по длительности периодом Т, а по величине значением ф, где ф- дискретность квантования преобразуемого сигнала, равная расстоянию между уровнями квантования 2 преобразуемого сигнала 3, квантованную с дискретностью ф вели— чину 4 сигнала 3, дополнительный вспо892704 могательный сигнал 5, период Т генерирования сигнала 5, уровни 6 квантования вспомогательных сигналов 1 и 5, момент ТН начала генерирования вспомогательных сигналов 1 и 5, модулиро- 5 ванные сигналом 1 уровни 7 квантования 2, квантованную с дискретностью величину 8 сигнала 1, 9 — квантованную с дискретностью E 1 величину 9 сигнала 5, коды 10 Грея цифровых зна- 1© чений квантованных величин 4, 8, 9 сигналов 3, 1 и 5, моменты Tl Т2, Т3 и Т4 считывания кодов Грея 10.

Число дискретностей q определяется величиной динамического диапазона сигнала 3 и выбирается равным 2!!, где

n — число старших разрядов кода 10, а число уровней 2 выбирается равным

2 . Для простоты на фиг. 1 показано два таких уровня, для n = 2. Число 20 дискретностей 1 выбирается равным 2

И где m — - число младших разрядов кода

10, причем = ц/2, а число уровней квантования 5 выбирается равным

2 - 1 (для простоты на фиг. 2 показано три таких уровня, для m = 2).

На фиг. 2 показана реализация способа при квантовании треугольных по форме вспомогательных сигналов 1 и 5 по уровню.Для треугольной формы сиг- М налов 1 и 5, в силу линейных соотношений между амплитудной и временной координатами, возможна реализация квантования сигналов и 5 по времени. В этом .случае каждому цифровому значению кван- р тованной величины 8 будет соответствовать пропорциональное ей цифровое значе- -." ние квантованной по времени величины Т.

Дискретности 6 квантования по уровню тогда будет соответствовать дискретность 0 квантования по времени. Аналогичное положение и для сигнала 5.

На фиг. 3 показана логическая схема квантователя 14, где 20 — 0-триггера, 21 — элементы задержки.

43

На фиг. 4 показана логическая схема квантователя рециркуляционного (генераторного) типа, где 22 -О -триггера, 23 — элементы задержки.

В качестве элементов задержки в квантователе могут быть использованы логические или другие элементы, например, полосковые линии, в соответ. ствующем включении.

В соответствии с фиг. I реализация

М способа происходит следующим образом.

До момента TH результат преобразования отсутствует. С момента ТН происходит генерация сигналов 1 и 5.

В результате воздействия сигнала 1 на уровни квантования 2 с известным параметром q происходит модуляция уровней 2, т.е. они изменяются относительно исходного состояния на максимальную величину сигнала !, равную

q. Модулированные уровни квантования 7 изменяются во времени по закону изменения сигнала 1 и непрерывно сканируют весь диапазон изменений преобразуемого сигнала 3. При постоянных параметрах уровней 2 (q = const) имеет место частный случай модуляции— простое суммирование значений уровней 2 и сигнала 1. В общем случае уровни квантования могут быть представлены в виде некоторых регулярных физических процессов, параметры которых изменяются во времени, в соответствии с текущими значениями вспомогательного сигнала. Тогда модуляция выражается в задании функциональной зависимости между параметрами уровней квантования и вспомогательным сигналом.

Посредством уровней 2 и 6 соответственно производится квантование преобразуемого сигнала 3, сигналов 1 и 5.

Если сигнал 3 равен нулю, то результат преобразования отсутствует, что соответствует всем нулевым кодам 10.

При квантовании сигнала 3, не равного нулю, он пересекает модулированные уровни квантования 7 в моменты времени Т1-Т4. В эти моменты производится считывание цифровых значений 10квантованных величин 4, 8 и 9, соот.— ветствующих сигналов 3, 1, 5 и образующих выходной код 10. Разрядность кода 10 определяет максимальную точность преобразования аналогового сигнала 3. Она зависит от конкретного выбора числа дискретностей q, f, 1 1.

Цифровые значения 10, считанные в моменты Tl-T4 — есть результаты преобразования мгновенных значений сигнала 3 в виде шестиразрядного кода Грея. Они состоят иэ цифровых значений квантованной величины 4 сигнала 3, образующих старшие разряды кода 10, цифровых значений квантованной величины 9 сигнала 5, образующих дополнительные младших разряды кода 10.

Суммарный код всех разрядов определяет, какое число дискретностей I соответствует закодированному в коде

Грея цифровому значению сигнала 3 °

<оды 10, считанные в моменты Tl, Т2, о92704

Г3, Т4 в соответствии с фиг. 1 будут следующие (начиная со старших разрядов): 010011, 001111, 000101, 010110.

Эти цифровые значения определяют следующее число дискретностей 7 1: для момента Tl равное q = 42 = 4 х 4 -1- l=

=(16+2} Й 1 или 4 х 4 О1 + 2 Р 1

18(1, для Т2 — 28=? х46 1+

+2e» или 2х461+ 2el = loel, .для ТЗ вЂ” 70 1, для момента Т4-21 Й 1 ° 10

Из фиг. 1 легко убедиться в отличии этих значений от действительных мгновенных значений сигнала 3 в моменты

Тl-Т4 не более, чем на одну дискрет-, ность 6 l.

Увеличивая число вспомогательных сигналов, при сохранении фиксированного числа уровней квантования для каждого из этих сигналов, можно повышать точность преобразования (например, в 2" раз фиг. 1) при сохранении быст" родействия, либо уменьшать число йеобходимых уровней квантования при сохранении заданной точности и быстродействия. 25

Одновременность квантования сигналов 3, 1 и 5, а также одновременность считывания цифровых значений 10 позволяют устранить динамические погрешности и погрешности неоднозначности преобразования.

Функциональная схема устройства, для реализации предлагаемого способа, показана на фиг. 2, где ll — вход устO ройства, 12 — генератор вспомогательного сигнала 1, выход которого под55 ключен к блоку 13 задания эталонных уровней квантования 2 и к квантователю 14 вспомогательного сигнала; 15— блок компараторов старших разрядов, 40 выходы которого подключены к регист- ру 16 старших разрядов и к формирова телю 17 строб-сигналов, выход которого подключен к входам стробирования регистра 16 и регистра 18 младших раз- рядов, другой вход которого подключен к- выходу квантователя 14; 19 — ... дешифратор старших разрядов кода 10 фиг. 1, дополнительный вход дешифратора подключен к второму выходу генератора 12.

В качестве генератора 12 может быть использован любой генератор с выходом сигнала 1 треугольной формы, по первому выходу и сигнала меандра 55 по второму.

В частности, такой генератор может. быть реализован на основе счетного

8 триггера, формирующего меандр, и интегратора этого сигнала. l3 качестве блока 13 могут быть использованы любые задатчики эталонных уровней квантования 2 по току, напряжению, значениям частоты или фазы, при условии использования соответствующих компараторов в блоке 15 и сигнала 1.

В случае, когда преобразуемый сигнал 3 фиг. 1 действующий по входу ll является функцией напряжения, блок 13 может быть реализован в виде резистивного делителя, на основе цепочки последовательно включенных резисторов, на которых задаются в виде значений напряжений, значения уровней квантования 2. Сигнал 1 задается также в виде функции напряжения. Разность между значениями напряжений уровней 2 выбирается равной величине ф, а выход генератора 12 подключается к одному

-иэ;отводов резистивного делителя.

В качестве квантователя 14 может быть использован квантователь любого типа, либо в виде время-импульсного квантователя, либо квантователь по уровню, аналогичный блоку 15.

Сущность остальных блоков устройства, формирователя 17, регистров 16 и 18, дешифратора 19 ясня иэ их обозначений.

Устройство по фиг. 2, реализующее способ по фиг. 1, работает следующим образом.

Сигналом, 1 от генератора 12 модулируются уровни квантования 2, задаваемые блоком 13. С помощью блоков 14 и 15 производится одновременное квантование соответственно сигналов 3 и 1, в результате чего образуются квантованные величины 4 и 8 сигналов 3 и 1. В моменты Т1, Т2, ТЗ, Т4 пересечений модулированных уровней 7 с преобразуемым сигналом З,происходит переключение компараторов блока 15 и на их выходах появляются сигналы изменения логических уровней, Эти . ! сигналы поступают на формирователь 17.

Строб-сигналы с выхода формирователя 17 стробируют регистры 16 и 18, в результате чего в регистрах 16 и 18 записываются цифровые значения. В регистре 16 записывается единичный код цифрового значения квантованной величины 4 сигнала 3, и в регистре 18— цифровое значение квантованной величины 8 сигнала l закодированное в коде Грея и образующее младшие разряды кода 10. Дешифратор 19 дешифрирует

892704

10, единичный код регистра 16 в код Грея, образующий старшие разряды кода 10.

При производной сигнала 3, не превышающей по абсолютной величине производную сигнала 1, единичный код

5 .регистра 16 дешифрируется с учетом кода компаратора нулевого уровня квантования 2 на возрастающем участке сигнала 1 и без учета кода этого компаратора на ниспадающем участке сигна- !О ла 1. Это обеспечивается при управлении дешифратора 19 по дополнительному входу сигналом меандра со второго выхода генератора 12.

Возможны другие варианты устройств 1 для реализации предлагаемого способа.

В частности, вводя дополнительные квантователи, аналогичные блокам 14 входы которых подключают к дополнительным выходам блока 12, а выход каждого рО из которых подключен к соответствующему регистру младших разрядов, аналогичному 18, можно увеличить точность преобразования пропорционально числу дополнительных младших разрядов.. Воз- д можны также и другие реализации управления дешифратором 19 путем сравнения изменения кодов на выходах регистра 16 и блока 15.

При квантовании вспомогательного сигнала по времени при помощи квантователя фиг. 3 работа блока происходит следующим образом. Сигнал меандра с управляющего выхода блока 12 поступает на вход первого элемента 21 и с

35 задержками, равными кванту времени, последовательно поступает на )-входы триггеров 20. При действии сигнала с выхода блока 17 по счетным входам с триггеров 20 происходит запоминание кода, равного числу дискретностей, в зависимости от времени распространения сигнала с выхода блока 12 через цепочку элементов 21, При параллельном подключении к до43 полнительным выходам блока !2 дополнительных блоков квантования фиг. 4 можно обеспечить дальнейшее увеличе- ние точности преобразования. Блок квантования по фиг. 4 отличается от блока по фиг. 3 наличием элемента saЯ держки на вход которого подключен инверсный вход последнего из элементов 23. Этим обеспечивается рециркуляция сигнала в цепи элементов 23 по цепи обратной связи. Дискретность И квантования по времени, равная задержке элементов 23, в этом случае выбирается у каждого последующего блока квантования меньшей, чем у предыдущего пропорционально задаваемой точности.

Работа блока по фиг. 4 происходит следующим образом.

Сигнал меандра с выхода блока 12 поступает на вход первого элемента ?3 и с задержками, кратными кванту времени предшествующего квантователя, поступает на 0-входы триггеров 22.

После прохождения сигналом цепочки элементов 23 на вход первого из них поступает инвертированный сигнал и начинается его прохождение через цепочку элементов 23. При действии сиг-, нала с выхода блока 17 по счетным входам с триггеров 22 происходит запоминание кода, равного числу дискретностей квантования.

Рециркуляционный (генераторный ) режим квантователя такого типа позволяет использовать для стабилизации дискретности квантования по времени известные системы фазовой автоподстройки частоты путем фазового сравнения длительности цикла работы квантователя с периодом частоты эталонного генератора. Это позволяет, в свою очередь, повысить точность преобразования, Реализация квантователей по фиг. 3 и фиг. 4 позволяет резко упростить устройство в целом.

Формула изобретения

1. Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения модулируют вспомогательным сигналом уровни квантования преобразуемого сигнала, производят одновременно квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов и одновременно считывают цифровые значения квантованных величин преобразуемого и вспомогательных сигналов, образующие старшие и младшие разряды выходного кода, в моменты пересечения преобразуемым сигналом любого из модулированных уровней квантования преобразуемого сигнала.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что при модуляции генерируют несколько вспомогательных

892704 сигналов, априорно известной формы, период каждого из которых пропорционально меньше периода Каждого предшествующего, причем для модуляции используют сигнал с наибольшим периодом.

3. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к первому входу блока компараторов старших разрядов, второй вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр старших разрядов, дешифратор, генератор вспомогательного сигнала, к выходу которого подключен квантователь вспомо- .15 гательного сигнала, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что в него введены формирователь строб-сигналов и регистр младших разрядов, причем первый выход генератора вспомогательного сигнала 20 подключен к входу блока задания эталонных уровней квантования, второй выход к управляющему входу дешифратора, .выход блока компараторов старших разрядов через формирователь строб-сиг- 25 налов подключен к входам стробирования регистров старших и младших разрядов, к информационным входам которых подключены соответственно выходы блока компараторов старшим разрядов и квантователя вспомогательного сигнала, а к выходу регистра старших разрядов подключен информационный вход дешифратора.

4. Устройство по п. 3, о т л и ч аю щ е е с я тем, что.квантователь вспомогательного сигнала по времени выполнен на ))-триггерах,3) -взводы которых подключены к выходам элементов задержки, а С-входы подключены к выходу формирователя строб-сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Патент США В 3623071, кл. 340-347, 1975.

2. Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи напряжений. Под ред. Смолова В.Б. Л., "Энергия", с. 151 (прототип), 892704

Х А

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Н. Козлов

Редактор Г. Волкова Текоед А.Ач Корректор Н, Стец

Заказ 11283/85 Тираж 991 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва У<-35 Раушская наб. д. 4 5