Способ аналого-цифрового преобразования широкополосных сигналов и устройство для его реализации
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН Иэв
К АВТОРСКОМУ СВИЯЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советскнк Социапистнческии Республик (6l ) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22) Заявлено 27 ° 12 ° 79 (2! ) 2861512/18-21 с присоединением заявки М— (23) Приоритет (51)М. Кл. Н 03 К 13/Ц 3Ьеударствепый конитвт СССР по делен извбретеиий и открытий (53) УДК 681.32$ (088. 8) Опубликовано 30.05.82. Ьитллетень,яе 20 Дата опубликования описвиня30 05 82 (72) Авторы изобретения В.А.Вавилов, В.М.Мамро и В.А,Цысов (7l) Заявитель (4) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в информационно-вычислительных и контрольно-измерительных системах различного назначения. Известен способ аналого-цифрового преобразования (способ считывания), s котором кодируемый сигнал подает. на сигнальные входы группы пороговых элементов, количество которых равно числу уровней квантования сигнала, а расстановка опорных уровней пороговых элементов соответствует закону квантования, результатом сравнения сигнала с опорными уровня. тс ми является срабатывание части пороговых элементов, а унитарный код, получаемый на выходе группы порого" вых элементов, может быть преобразован в двоичный. Минимальный период 30 дискретизации сигнала в аналогоцифровой преобразователь (АЦП) параллельного типа определяется временем рабочего цикла одного порогового эле2 мента. Частота дискретизации достигает 50...100 .МГц (1). Недостатком является громоздкост из-за использования большого количества пороговых элементов. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ аналого-цифрового преобразования широко. полосных сигналов, включающий операции интегрирования входного сигнала в пределах интервала выборки и формирования выходного кода. Устройство для реализации извест,ного способа содержит пороговые элементы, сигнальные входы которых через коммутатор подключены к шине входного сигнала,а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, вход которого соединен с шиной сигнала дискретизации 2 j, Нвдостатками известных способа и устройства являются ограниченные быст3 93261 .родействие и точность преобразования ограниченная полоса частот кодируемого сигнала. Причина этих недостатков заключается в необходимости проведения операции дискретизации в ана. логовой форме с помощью аналогового устройства выборки и запоминания. Чем больше величина постоянной времени этого устройства, тем уже полоса частот кодируемого сигнала. te Однако в момент хранения постоянная времени должна быть как можно больше, чтобы обеспечить достаточное время запоминания, необходимое для квантования сигнала. !5 Цель изобретения - увеличение быстродействия и точности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что s способе аналого-цифрового преоб-и разования широкоплосных сигналов, включающем операции интегрирования входного сигнала в пределах интервала выборки и формировании выходного кода, перед операцией интегрирования 25 выделяют части входного сигнала, ограниченные во времени интервалом выборки и нижним и верхним пределами ограничения амплитуды, устанавливаемыми в соответствии с уровнями квантова-З ния, а после интегрирования этих частей входного сигнала осуществляют сравнение результатов интегрирования с эталонным сигналом. В устройстве для осуществления способа, содержащем пороговые элемен3S ты, сигнальные входы которых через коммутатор, подключены к шине входного сигнала, а управляющий вход коммутатора соединен с первым 40 выходом блока управления, вход ноторого соединен с шиной сигнала дискретизации, второй выход блока управления соединен с управляющими входами пороговых элементов, выполненных на последовательно соединенных между со45 бой двустороннем амплитудном ограничителе входного сигнала, интеграторе и компараторе, а также коммутаторе интегратора, управляющий вход которого соединен с управляющим входом порогового элемента, а выход — с управляющим входом интегратора. На фиг. 1 приведены эпюры сигналов, поясняющих способ аналого-цифрового преобразования; на фиг. 2 55 рабочая область одного из пороговых элементов; на фи, 3 - взаимное расположение рабочих областей трех 2 4 пороговых элементов:, на фиг,4 - устройство для осуществления способа аналого-цифрового преобразования. Способ предусматривает формирование интервала выборки из импульсов сигнала 1 дискретизации, причем начало интервала выборки формируют передним фронтом импульса, разрешающего интегрирование сигнала 2, а конец интервала выборки формируют выключением сигнала на входе всех пороговых элементов импульсов 3 до окончания импульса, разрешающего интегрирование, там же изображен сигнал S(t) и сигнал $„ „(), действующий на входах пороговых элементов. Выделена рабочая область одного из пороговых элементов, образуемая интервалом выборки ь t и участком на оси амплитуд 2h, связанным с опорным уровнем этого элемен,та Sgq. Результат интегрирования сигнала в пределах рабочей области 5 сравнивают с эталонным уровнем Я причем на выходе этого порогового элемента вырабатывается логическая "1", когда результат интегрирования оказывается. выше эталонного уровня. В интеграторе порогового элемента осуществляется интегрирование части гсигнала S„(t) =S(t) — (Sp> -h),ограни ченной пределами интервала выборки. 10-Т„ 1 +Т. Линейно изменяющийся сигнал, проходящий через точку t S m(m(h), может быть выражен в следующем виде: Sï (t) = àï S (o ) ("о) — (Spy-h) =Ь-и!+Я (tp J (с- о) . Результат интегрирования сигнала для време-ни,tran tg+ Т равен Q(t? tg +Т)= О (+о) +-<о а 3==eP- )т + 2 (tp)to" 2 (о) о! Результат не зависит от скорости и направления изменения сигнала, т.е. от величины и знака производной S (tp) . Если линия изменения сигнала проходит через центр рабочей области, то m=0, S>(t)=h+S (,) (t- 1., ) и Q(t> +Т) =2Th. При tS (т. )Т с h сигнал пересекает вертикальные линии to-T и to+T. Если скорость изменения сйгнала 1 (tp) значительна, jS (tp) T))h сигнал пересекает горизонтальные ли1$ 5 9325 нии,„ В этом случае при нарастающем сигнале Sn(t) =O О h + S (t )(t-t ),-E < t ct, + E Zh t > tg+ 0,, $ При спадаюшем сигнале S (t)=2h- tct + 2 h + S (t ) (t-Q tî 2 О Ъ,tO+ Результат интегрирования равен -p 1 -Р Q(t> tgi7l= ) S„ltldt+ j (h< s ltq7lt-Щ ! д+Т „ На= те о и не зависит от скорости и направления изменения сигнала. Поэтому, если условие срабатыва- 20 ния порогового элемента соответствует результату интегрирования, равному или превышающему 2Th, ошибка срабатывания такого порогового элемента при датировке выборочного значения времени t при любой скорости изменения сигнала полностью отсутствует. Это обстоятельство определяет принципиальную возможность кодирования широкополосного $0 сигнала с высокой точностью. Процесс интегрирования в пределах рабочей области каждого порогового элемента не приводит к завалу общей ампли-. (тудно-частотной характеристики АЦП I в области высоких частот. Ширина характеристики определяется только, длительностью интервала выборки, которая может быть сделана предельно малой, что имеет место в стробоскопическом осциллографировании. Поскольку рабочие области различных пороговых элементов некоррелированы, шаг квантования. не зависит от ширины зоны ограничения каждого. из пороговых элементов по оси амплитуд. Каждый из пороговых элементов срабатывает, если результат интегрирования превышает величину эталонного уровня S = 2Th. Это значит, что входной сигнал превышает опорный уровень порогового элемента в момент времени, соответствующий середине интервала выборки. Если опорные уровни связаны с номерами группы we$$ ментов, а их расстановка упорядочена и отражает закон квантования сигнала, количество сработавших пороговых элементов, и, следовательно, выход-, 12 6 ной унитарный код пропорциональны входному сигналу. Такая группа пороговых элементов осуществляет преоб-.. разование текущего значения амплитуды входного сигнала в унитарный код и является поэтому АЦП параллельного :типа. Унитарный код на выходе АЦП .может быть преобразован в любой дру гой вид кода, в том числе двоичный с помощью шифратора. Использование предлагаемого способа позволяет повысить быстродействие и точность аналого-цифрового преобразования за счет исключения операции дискретизации сигнала в аналоговой форме. Кроме того, интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе используется как пр Гйципиально необходимый процесс и нв является вредным явлением, ограничивающим быстродействие и точность известных компараторов, что непосредственно связано с увеличением быстро. действия и точности аналого-цифроВаго преобразования в параллельных и параллельно-последовательных АЦП. Возможность получения коротких интервалов выборки при невысоких требованиях к стабильности интервала позволяет существенно увеличить полосу частот кодируемого сигнала до пределов, свойственных устройствам стробоскопического осциллографирования. При этом статическая точность аналого-цифрового преобразования зависит только от стабильнос,ти схемы формирования опорных уровней и может быть достаточно высокой. Устройство (фиг.4 ) для осуществ" ления предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования, состоит из блока 1 управления, управляющего работой коммутатора 2, и коммутаторов 3 интеграторов пороговых элементов, каждый из пороговых элементов состоит из двухстороннего амплитудного ограничителя 4 входного сигнала, имеющего уровни ограничения, связанные с опорным уровнем порогового элемента S „, интегратора 5 на выходе ограничителя, компаратора 6, осуществляющего сравнение амплитуды сигнала на выходе интегратора с эталонным уровнем $ т. Компаратор 6 является частью порогового элемента. Устройство работает следующим о6разом. В блоке 1 управления из сигнала / дискретизации вырабатываются две по7 9326 следовательности импульсов, сдвинутые на время равное интервалу выборки. .Задержанная последовательность 3 (фиг.3) управляет работой коммутатора 2, опережающая последовательность (2, (фиг.3) поступает на коммутаторы 3 интеграторов всех пороговых элементов одновременно. Работа коммутатора 2 и амплитудно го ограничителя 4 порогового элемен- to та отражена на фиг.4. Тонкой ли.нией обозначен входной сигнал S{t), толстой - сигнал на выходе компаратора сигнала. Горизонтальные уровни S Ä+ h и оп- h обозначают ts уровни ограничения одного из пороговых элементов. Ограничение сигнала на входе порогового элемента приводится с целью исключения зависимости ошибки срабатывания от скорости измерения сигнала. Импульс опережающей последовательЪ ности, разрешает интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе. Амплитудный ограничитель 4 порогового элемента вырезает из сигнала узкую полоску So + h. Каждый из импульсов опережающей последовательности включает коммутаторы 3 всех пороговых элементов одновременно, разрешая интегрирование сигнала в интеграторах 5. Результат,интегрирования сравнивается с эталонным уровнем компаратора 6. Если результат интегрирования превышает эталонный уровень, на выходе компаратора появляется логическая "1", которая / поступает на выход порогового элемента. На выходе АЦП появляется уни- . тарный код. ю Формула изобретения 1. Способ аналого-цифрового преобразования широкополосных сигналов, 43 12 8 включающий операции интегрирования входного сигнала в пределах интерI вала выборки и формирования выходного кода, о т л и.ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения быстро. действия и точности преобразования, перед. операцией интегрирования выделяют части входного сигнала, ограниченные во времени интервалом выборки и нижним и верхним пределами ограничения амплитуды, устанавливаемыми в соответствии с уровнями квантования, а после интегрирования этих частей входного сигнала, осуществляют сравнение результатов интегрирования с эталонным сигналом. 2. Устройство для осуществления способа по и.1, содержащее пороговые элементы, сигнальные входы которых через коммутатор подключены к шине входного сигнала, а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, вход которого соединен с шиной сигнала дисретизации, отличающееся тем, что, второй выход блока управления соединен с управляющими входами пороговых элементов, выполненных на последовательно соединенных между собой двустороннем амплитудном ограничителе входного сигнала, интеграторе и компараторе, а также коммутаторе интегратора, управляющий вход которого соединен с управляющим входом порогового элемента, а выходс управляющим входом. интегратора. .Источники информации, принятые во внимание при экспертизе i. Ионолитный АЦП с рабочей частотой 30 ИГц. - "Электроника", 1978, N 9. 2. бахтиаров Г.Д. Аналого-цифровые преобразователи. - "Зарубежная радиоэлектроника", 1975, 11 1, прототип). 932612 Составител В.Махнанов Техред И. Гайду Корректор У.Пономаренко Редактор Н.Гришанова филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 3805/77 Тираж 954 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
