Способ аналого-цифрового преобразования с весовым интегрированием и устройство для его реализации

 

(72) Авторы изобретения

М.M.Äoðîæoâeö и О.И. Чайковский

Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола

1 (7! ) Заявитель. (54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

С ВЕСОВЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и применяется при построении интегрирующих аналого-цифровых преобФ раэователей.

Известен способ аналого-цифрового преобразования с весовым интегри-, рованием, в котором, для обеспечения необходимого подавления сигнала помехи в заданном частотном диапазоне, формируют весовую функцию,в явном или неявном виде, перемножают ее на входной сигнал и интегрируют полученное произведение в течение длительности первого такта, затем во втором такте интегрируют опорный сигнал, квантуют импульсами образцовой частоты интервал времени от нача. ла второго такта до момента равенства нулю наинтегрированного сигнала (1) .

Известно устройство, содержащее усилитель входного сигнала, выход которого соединен с входами первых и

2 двуХ токозадающих резисторов, выходЫ которых соединены с первыми входами первых двух ключей, выходы которых соединены с входом интегратора, вход которого также соединен через вторые

5 два ключа и вторые два токозадающие резистора с выходом источника образ цового сигнала, а выход интегратора соединен с входом нуль-органа, выход которого соединен с отсчетным устройством и блоком управления, причем вторые входы всех ключей соединены с выходом блока управления (2).

Недостатком данных способа и устройства является увеличение погреш. ности преобразования, обусловленняе . неточностью формирования весовой фун кции, так как интегрирование в первом и втором тактах осуществляется

2о по разным каналам.

Известен также способ аналогоцифрового преобразования с весовым интегрированием, в котором в перво такте генерируют заданную весовую

3722

Ъ

1S

23 й

3. функцию, воспроизведенную путем поочередного формирования последовательности ступеней различной высоты и одинаковой длительности, одновременно интегрируют входной сигнал с весами, пропорциональными высоте каждой ступени, а во втором такте интегрируют опорный сигнал с весом. пропорциональным сумме всех исход-. ных ступеней, квантуют:импульсами образцовой частоты интервал времени от начала второго такта до момента равенства нулю наинтегрированного сигнала .(3).

Известно также устройство, содержащее источник образцового сигнала, выход которого соединен с первым входом переключателя, второй вход которого связан с шиной преобразуемого сигнала, выход переключателя соединен с входом коммутатора, выходы которого подключены к первым выводам токозадающих резисторов, вторые выводы которых соединены .между собой и подключены к входу интегратора, выход которого связан с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с обще шиной, выход нуль-органа подсоединен к первому входу ключа, второй вход которого связан с выходом формирователя тактов, третий вход - с выходом генератора образцовой частоты, а выход с входом первого счетчика импульсов, кроме того, выход генератора образцовой частоты подключен к входу формирователя тактов и через делитель частоты к счетному входу второго счетчика импульсов, информационные выходы которого связаны с информационными входами дешифратора, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, а управляющий вход дешифратора соединен с управляющим входом переключателя и выходом формирователя тактов.

Недостатком данных способа и устройства является низкая точность аналого-цифрового преобразователя с весовым интегрированием при реализации сложных кусочно-постоянных и непрерывных весовых функций.

Целью изобретения является повышение точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу аналогоцифрового преобразования. с весовым интегрированием, заключающемуся в формировании весовой функции на первом такте, умножении ее на значение входного сигнала, интегрировании полученного произведения в течение длительности первого такта, интегрировании опорного сигнала на втором такте и квантовании полученной длительности второго такта импульсами образцовой частоты, на втором такте формируют последовательность примыкающих весовых функций, воспроизведенных путем масштабновременного сжатия в заданное число раз сформированной в первом такте весовой функции, умножают эту последовательность весовых функций на значение опорного сигнала, интегрируют полученное произведение в течение длительности основного интер-. вала времени от.начала второго такта до момента времени, равного целому числу длительностей сжатых весовых функций, после равенства нулю проинтегрированного сигнала изменяют полярность опорного сигнала, интегрируют его с постоянным весом в течение дополнительного интервала времени от конца основного до момента равенства нулю .проинтегрированного сигнала, а результат преобразования определяют путем вычитания количества импульсов образцовой частоты, полученных в основном и дополнительном интервалах времени.

Устройство аналого-цифрового преобразования с весовым интегрированием, содержащее источник опорного сигнала, вход которого соединен с первым входом дешифратора, а выходс первым входом переключателя, второй вход которого соединен с входной шиной, третий вход — с выходом формирователя тактов и первым входом ключа, а выход - с .первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, а выходы— с первыми выводами токозадающих резисторов, вторые выводы которых соединены с входом интегратора, выход которого соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с общей шиной, генератор образцовой частоты, выход которого соединен с вторым входом ключа и входами формирователя тактов и первого делителя частоты, счетчик импульсов, первый выход которого соединен с вторым входом дешифратора, введены селектор, второй делитель

722 d интегрированным сигналом повторно нулевого уровня. Интервал времени

Тк квантувтся импульсами об,заэцовой .частоты и определяется числом Мко.

Результат преобразования вычисляется путем вычитания кодов N« и Мк

",="к.< Кг

Устройство (фиг. 2)содержит источник опорного сигнала 1, переключатель 2, коммутатор 3, набор токозадающих резисторов 4, интегратор 5, нуль-орган б, распределитель

7 импульсов, дешифратор 8, счетчик

9 импульсов, селектор 1О, первый делитель 11 частоты, второй делитель

12 частоты, ключ 13, реверсивный счетчик 14 импульсов, логический блок 15, формирователь 16 тактов, генератор 17 образцовой частоты.

На входы переключателя 2 подается преобразуемый сигнал U и выходной сигнал Uz источника опорного сигнала 1. Переключатель 2 управляется выходным сигналом формирователя 16 тактов и подключает на вход коммутатора 3 в первом такте U,,а во втором такте - U . Коммутатор 3 поочередно подключает входной или опорный сигналы к первым выводам токозадающих резисторов 4 (R» Rg, Р ). Вторые выводы токозадающих резисторов 4 соединены между собой и подключены к входу интегратора 5. Выход интегратора 5 подключен к первому входу нуль-органа 6, второй вход которого соединен с общей шиной. Нуль-орган б срабатывает при достижении выходным сигналом интегратора 5 нулевого значения.

Выход нуль-органа 6 подключен к вха" ду распределителя 7 импульсов. Первый выход распределителя 7 импульсов подключен к второму входу логической блок 15, куда поступает импульс при первом и втором срабатывании нуль-органа 6, а второй выход распределителя 7 импульсов подключен к первому входу ключа 13, куда поступает импульс при втором срабатывании нульоргана 6. Второй вход ключа 13 соединен с выходом формирователя 16 тактов, а третий вход ключа 13 подсоединен к выходу генератора 17 образцовой частоты, а выход ключа 13 связан со счетным входом реверсивного счетчика 14 импульсов. Счетные импульсы с выхода генератора 17 образцовой частоты поступают на счетный вход реверсивного счетчика 14 импульсов че-, 5 953 частоты, распределитель импульсов, логический блок, реверсивный счетчик импульсов, первый вход которого соединен с выходом. ключа, второй вход— с первым входом дешифратора и выходом логического блока, первый вход которого соединен с вторым выходом счетчика импульсов, а второй вход - с первым входом распределителя импульсов, второй вход которого соединен 10 с выходом нуль-органа, а выход - с третьим входом ключа, при этом вход второго делителя частоты соединен с входом первого делителя частоты, а выход с выходом первого делителя. 1S частоты и с первым входом селектора, второй вход которого соединен с выходом формирователя тактов, а выходс входом счетчика импульсов.

На фиг; 1 представлена диаграмма, З1 иллюстрирующая способ; на фиг. 2— блок-схема устройства; на фиг ° 3 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразуемый сигнал U в первом такте длительностью Т4 интегрируется с весовой функцией g„(t) (фиг. 1).

Во втором такте проинтегрированный сигнал U>+ (Т ) компенсируется путем интегрирования опорного сигналаОо в течение двух промежутков времени — основного и дополнительногодлительностью соответственно Тк и .Тк„ . В основном интервале интегрируется опорный сигнал - U с весовой функцией g<(t), представляющей собой последовательность весовых функций

g„; (mt) длительностью д Т, каждая из которых получена путем масштабновременного сжатия в m=T„/дУ1раз исходной весовой функции g<(t). При этом в основном интервале интегри40

t рования (Т 1 =Т -Т ) помещается целое число сжатых весовых функций, последняя из которых заканчивается . после первого достижения наинтегрированным сигналом во втором такте

43 нулевого значения. Интервал времени

Т 1 квантуется импульсами образцовой частоты Fo и определяется число импульсов Йк„. После этого в моМент времени t изменяется полярность опорного сигнала Ug, который интегрируется с постоянной весовой функцией т»

9 ()= «т) 9 (t)dt» Равнои среднему о

Ж значению весовой функции 9 (t) Ф

1 тельность интегрирования в дополнительном интервале времени (Тко =Т -Т ) определяется моментом достижения поо9537 реэ ключ 13 в течение интервала вре-,мени, начало которого определяется .импульсом формирователя 16 тактов, а конец — вторым срабатыванием нульоргана 6. Выход генератора 17 образцовой частоты подключен также к входу формирователя 16 тактов и к входам первого 11 и второго 12 делителей частоты. Выходы делителей частоты .

11 и 12 подключены:к входам селекто- 10 ра 1О, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя 16 тактов. Выход селектора 10 подключен;к счетному входу счетчика 9 импульсов, информационные выходы ко- 1$ торого подключены к входам дешифратора 8, который управляет своими выходами работой коммутатора 2. В зависимости от того, какой делитель 11 или 12 частоты включен, изменяется рр скорость формирования весовых функций. Выход переполнения счетчика импульсов 9 соединен с первым входом логического блока 15, сигнал на выходе которого появляется после пер,." у$ вого срабатывания нуль-органа 6 и очередного переполнения счетчика 9 импульсов. Выход. логического блока

15 подключен к управляющим входам источника опорного сигнала 1, дешифратора 8 и реверсивного счетчика 14 импульсов. При этом на выходе источника опорного сигнала 1 изменяется полярность сигнала, реверсивный счетчик импульсов 14 переводится в ражим вычитания, а дешифратор 8

3$ формирует сигнал на подключение коммутатором 3 к входу интегратора 5 токозадающего резистора Ry. В исходное состояние логический блок 15 приводится импульсом второго срабатывания нуль-органа.

Устройство работает следующим образом. .В начальный момент времени t=0 (фиг. 3) формирователь 16 тактов

4$ генерирует управляющий сигнал, в результате чего через переключатель

2 на вход коммутатора 3 подключается входной сигнал V . Одновременно на вход счетчика 9 импульсов с выхо да генератора образцовой частоты 17, через первый делитель 11 частоты и селектор 10 начинают поступать импульсы с частотой Г . Дешифратор 8, в котором заложена программа формиро- $$ вания весовых функций, дешифрирует состояния счетчика 9 и .управляет работой комм "татора 3, Последний

22,. 8 подключает к входу интегратора 5 входной сигнал поочередно через токозадающие резисторы 4 (R, R ). Интегратор 5 интегрирует входной сигнал с весами обратно пропорциональными значениям токозадающих резисторов 4..

По окончании первого такта в момент времени Т формирователь 16 тактов управляет переключателем 2, селектором 10 и ключом 13 таким образом, что переключатель 2 отключает входной сигнал 0 и подключает на вход коммутатора 3 опорный сигнал - Оо с выхода источника опорного сигнала 1; селектор 1О подключает вход счетчика 9 импульсов к выходу генератора образцовой частоты 17 через второй делитель 12 частоты, а ключ 13 открывается.

В результате этого счетчик 9 импульсов начинает заполняться импульсами частотой Fg =mFq (где m — коэффициент масштабно-временного преобразователя), т.е. в m раэ быстрее, чем в первом такте. Дешифратор 8 как и в первом такте, дешифрирует состояния счетчика 9 и управляет работой коммутатора 3 на подключение к входу интегратора 5 опорного сигнала через соответствующие резисторы 4 (R<,..., Rп). После переполнения счетчика 9 он заполняется снова, и начинает формироваться очередная сжатая весовая функция, разряжая при этом интегратор 5, кроме того, каждый раэ формируется импульс переполнения счетчика импульсов 9, который поступает на первый вход логического блока 15.

Однако последний не срабатывает так как не подготовлен импульсом с выхода нуль- органа 6.

С открыванием ключа 13 на счетный вход реверсивного счетчика 14 импульсов с выхода генератора 17 образцовой частоты поступают счетные импульсы.

При достижении выходным сигналом интегратора 5 нулевого уровня (в мо-. мент времени Т ) обрабатывается нуль-орган 6, выходной сигнал которого через распределитель 7 импульсов подготавливают к срабатыванию логический блок 15. При очередном переполнении счетчика 9 сигнал переполнения поступает на вход логического блока

15, в результате чего на его выходе (в момент времени Т ) появляется ynt равляющий импульс, который управляет

" u,(g<(m(t-т,- " ))dt

9- 953722 1Î источником опорного сигнала, дешифра- моменту времени Т = ф- Т» выходной тором 8 и реверсивным счетчиком 14 им- сигнал интегратора равен пульсов. Вследствие этого изменяется та полярность опорного сигнала де,(„.„)т»

1 к шифратор 8 управЛяет коммутатором "Иит=(" 2j="инт(1() 7- (3 таким образом, что опорный сигнал

Иит 2 Иит подключается на вход интегратора 5 P 41 — л уп, h через резистор R =n/, 1/Р, а ре6 . .у т(Э версивный счетчик 14 начинает работ. тать в режиме вычитания, в котором к этому моменту накопилось число Мтт где К= — ь- — -. целое иисло сиатык

Начиная с момента времени F2, интегратор 5 начинает перезаряжаться. весовых функций, которые поместились !

При достижении выходным сигналом ин- в интервал вРемени Т -Т тегратора 5 во второй раз нулевого t5 или пУтем замены переменных t-Т

° (Фыуровня (в момент времени Т2) сраба- m тывает нуль-орган б, выходной сигнал, - 1 . р ((Т котоРого чеРеэ РаспРеделитель импУль- l Оцит 2)="инт(11)-Х. — m) („фЯ сов 7 закрывает ключ 13 и отключает инт инт 1 т) ф логический блок 15.

04< L il () С,(7„). кончилось интегрирование опорного прошло на вычитание йм2 импульсов, сигнала И с весово- ф к - 9 (t) в результате чего состояние счетчи4 ка 14 равно и =й„„-й 2, которое про-, "т бном (T< ) ° где G ном (T< ) порционально преобразуемому сигна- : нальная площадь весовой функции 9 (t) выходной сигнал интегратора

На этом заканчивается второй такт равен нулю работы устройства. При очередном 30 (2 срабатывании вормирователл 16 так- ц (р (и р I Ыном(тт1 тов устройство предрекает работать < т ннт(.2(0д с(с,. р, в той же последовательности как ь2 описано. к Т - Г, „-U„c„(,)- Д-u,c,(Ä),,с„,„(,).о, Способ к устройство обеспечивают повышение точности аналого-цифрового преобразования при реализации как континуальных, так и многоступенчата тых весовых функций эа счет выбора коэффициента масштабно-временного преобразования.

В первом такте интегрирования длительностью Т формируется весовая функция g<(t), и выходной сигнал интегратора 5 к моменту Т равен т б„(т,1:J u„g,(ÜÙ.u„J ((„(<(dt.U ° C,,(q;( о °, о т где С,(1 „)= ф,ЮЯС - площадь ве- о

Совой функции g (t) .

Во втором такте интегрирования формируется последовательность весо" вых функций вида g2(t) g <(e t), и к т. e. (g 12-етний Сд ном(Т ) (l

1в Если действительная весовая функция g <(t) отклоняется от номинальной ц(нам(T5 ) ° To BosH KeeT Ilo(Ð c (aG-6 (Т, ).-6кв,„(Т.,(), и тогда

i 1 .й- — "I - () где Ь = ьС, с„„ (р„) или (аьв2 1» 122 т 2 12 11

se " О 1, Г, т, - "Ц (1.8)

Таким образом, разность интервалов времени (Т -T )-(T -Т )Т (, а значит и разность кодов й„„-й((б, соответствующих этим интервалам, пропорциональны преобразуемому сигналу Оя, 3722

$6

° 2. "Приборы и системы управления"

55(1979, И 2, с. 20-22.

3. Тезисы докладов областного семинара. Пенза, ПДНТП, 1980, с. 5253 (прототип).

11 . 95 но при этом преобразование осуще,ствляется с погрешностью 3„= Я х обусловленной отклонением G.< (T ) от

64 ною(T4)

"к - Т г Ы

Так как — «й —" = —, Т„ 7 m то О «с ——

"о т„п u„ò выбрав необходимое значение коэффициента с масштабно-.временного преобразования m в заданное число раз уменьшается погрешность из-за неточности формирования весовой функции, не ухудшая при этом другие параметры преобразования.

Формула изобретения

1. Способ аналого-цифрового преобразования с весовым интегрированием, заключающийся в формировании весовой функции на первом такте, умножении ее на значение входного сигнала, интегрировании полученного произведения в течение длительности первого такта, интегрировании опорного сигнала на втором такте и квантовании полученной длительности второго такта импульсами образцовой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, на втором такте формируют последовательность примыкающих весовых функций, воспроизведенных путем масштабно-временного сжатия в заданное число раз сформированной на первом такте весовой функции, умножает эту последовательность весовых функций на значение опорного сигнала, интегрируют полученное про-. изведение в течение основного интервала времени от начала второго такта до момента времени, равного целому числу длительностей сжатых весовых функций, после равенства нулю проинтегрированного сигнала изменяют полярность опорного сигнала, интегрируют его с постоянным весом в течение дополнительного интервала времени QT конца основного до момента равенства нулю проинтегрированного сигнала, а результат преобразования определяют путем вычитания количест ва импульсов образцовой частоты,, полученных в основном и дополнительном интервалах времени.

16

1S

26

36

46

12

2. Устройство аналого-цифрового преобразования с весовым интегрированием, содержащее источник опорного сигнала, вход которого соединен с первым входом дешифратора, а выход— с первым входом переключателя, второй вход которого соединен с входной шиной, третий вход - с выходом формирователя тактов и первым входом ключа, а выход - с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, а выход — с первыми выводами токозадающих резисторов, вторые выводы которых соединены с входом интегратора, выход которого соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с общей шиной, генератор образцовой частоты, выход которого соединен с вторым входом ключа и входами формирователя тактов и первого делителя частоты, счетчик импульсов, первый выход которого соединен с вторым входом дешифратора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены селектор, второй делитель частоты, распределитель импульсов, логический блок, реверсивный счетчик импульсов, первый вход которого соединен с выходом ключа, второй вход — с первым входом дешифратора и выходом логического блока, первый вход которого соединен с вторым выходом счетчика импульсов, а второй вход - с первым входом распределителя импульсов, второй вход которого соединен с выходом нуль-органа, а выход - с третьим входом ключа, при этом вход второго делителя частоты соединен с входом первого делителя частоты, а выход с выходом первого делителя частоты и с первым входом селектора, второй вход которого соединен с выходом формирователя тактов, а выход - с входом счетчика импульсов..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. "Измерение контроля автоматизации", 1980, и 3-4, с. 17-22.

953722

Составитель А. Кузнецов

Редактор P. Цицика Техред К.йыцьо Корректор И. Муска

Заказ 293/ 1 Тираж 959 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35 Раушская наб. д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная,