УРАВНОВЕШИВАЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H03M1/48 

Изобретение относится к устройствам сопряжения аналоговых и цифровых сигналов, а, именно к аналого-цифровым преобразователям уравновешивающего типа, и может быть использовано для обработки электрокардиограмм, электроэнцефалограмм, а также других аналоговых сигналов в медицине и других отраслях науки и техники.

Известна схема аналого-цифровых преобразователя, включающая в себя счетчик, цифроаналоговый преобразователь и компаратор (см. Аналоговые интегральные схемы. Под ред. Дж. Коннели: Пер. с англ. М. Мир, 1977, с.349-355, рис.8.18).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном аналого-цифровом преобразователе время преобразования зависит от амплитуды входного аналогового сигнала, что создает трудности последующей цифровой обработки. Кроме того, структура данного преобразователя предполагает передачу сигнала устройствам дальнейшей цифровой обработки сигнала по многоразрядной шине, разрядность которой не менее чем на единицу больше разрядности самого преобразователя. Последнее обстоятельство усложняет сопряжение данного преобразователя с устройствами последующей цифровой обработки, особенно при необходимости гальванической изоляции от входных цепей обработки аналоговых сигналов. Так, например, при сопряжении с персональным компьютером потребуется установка специальных интерфейсных плат (см. Компьютерная кардиомониторная система "RITMON". Рекламный проспект ТОО "БИОСИГНАЛ". С-Петербург).

Известна схема аналого-цифровых преобразователя, включающая в себя счетчик, компаратор, источник опорного напряжения, интегратор, тактовый генератор и устройство управления (см. Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем. М. Мир, 1982, с.461-464, рис. 24.28). Данный преобразователь в отличие от предыдущего потенциально позволяет использовать низкоразрядные шины для сопряжения с устройствами последующей цифровой обработки сигнала.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в данном аналого-цифровом преобразователе для достижения приемлемой точности время преобразования оказывается сравнительно большой величины, что препятствует обработке сигналов в реальном масштабе времени. Кроме того, в данном преобразователе необходимо использовать прецизионный источник опорного напряжения и компаратор с высокой воспроизводимостью характеристик, что увеличивает стоимость устройства.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является уравновешивающий аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор напряжения, D-триггер, управляемый источник тока, инвертирующий аналоговый интегратор, счетчик и тактовый генератор, подключенный к тактовым входам D-триггера и счетчика, вход разрешения счета которого связан с инверсным выходом D-триггера, причем выход интегратора подключен к инвертирующему входу компаратора, выход которого соединен с D-входом D-триггера, управляющий вход источника тока связан с прямым выходом D-триггера, а выход источника тока подключен к входу интегратора. Управляемый источник тока в этом аналого-цифровом преобразователе выполнен в виде эталонного источника тока и управляемого переключателя (см. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Т.2. Пер. с англ. Изд. 3-е, стереотип. М. Мир, 1986, с.66-67, рис.9.45). Данное устройство принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится следующее. В известном аналого-цифровом преобразователе для обеспечения приемлемой точности увеличение разрядности приводит к прямо пропорциональному увеличению времени преобразования, что препятствует обработке сигналов в реальном масштабе времени.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении времени преобразования при сохранении высокой точности преобразования.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности обработки сигналов данным аналого-цифровым преобразователе в реальном масштабе времени.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известный аналого-цифровой преобразователь введены последовательно соединенные цифровой фильтр верхних частот и цифровой интегратор, при этом вход цифрового фильтра связан с прямым выходом триггера, неинвертирующий вход компаратора образует вход преобразователя, а выход цифрового интегратора является выходом преобразователя.

Кроме того, для решения частной задачи упрощения управляемого источника тока предложено выполнение последнего в виде соединенных между собой резисторов сопротивлением R и 2R, причем точка соединения резисторов образует выход источника тока, второй вывод резистора сопротивлением R является управляющим входом источника тока, а второй вывод резистора сопротивлением 2R подключен к источнику напряжения, равному по модулю значения и противоположному по знаку напряжению питания триггера.

Также для решения частной задачи повышения точности работы управляемого источника тока предложено выполнение управляемого источника тока в виде резистора и выполнение аналогового интегратора в виде дифференциального интегратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом управляемого источника тока, а неинвертирующий вход подключен к источнику напряжения, равному половине напряжения питания триггера, причем первый вывод резистора образует управляющий вход источника тока, а второй вывод является выходом источника тока.

Помимо этого, предложено частное выполнение цифрового интегратора в виде сумматора и регистра, причем первый вход сумматора образует вход интегратора, второй вход сумматора соединен с выходом регистра, при этом вход данных регистра связан с выходом сумматора, а тактовый вход подключен к тактовому генератору.

Введение в известный аналого-цифровой преобразователь цифрового фильтра верхних частот и цифрового интегратора, выбора в качестве входа преобразователя неинвертирующего входа компаратора, а также указанных соединений между блоками обеспечивает сравнение выходного напряжения аналогового интегратора не с потенциалом земли, как это было в прототипе, а с текущим значением входного сигнала, подвергающегося преобразованию.

Действительно, в случае прототипа принцип преобразования заключается в сравнении времени заряда конденсатора входным током со временем заряда этого же конденсатора эталонным источником тока. Поэтому для преобразования напряжения каждой точки дискретизации входного аналогового сигнала в выходной код необходимо относительно большое количество тактов тактового генератора, обратно пропорциональное шагу квантования. Причем, если даже следующее значение преобразованного входного напряжения близко к предыдущему значению, отсчет времени заряда конденсатора вновь начинается с нуля. Учитывая, что требования точности заставляют делать шаг квантования малым, понятна причина низкого быстродействия прототипа.

В то же время, выходной код цифрового фильтра верхних частот в предложенном аналого-цифровом преобразователе отражает фактически приращения между текущим и предыдущим отсчетами входного напряжения. Указанное обстоятельство позволяет при столь же малом, как и в прототипе, шаге квантования осуществлять преобразование в каждой точке за меньшее число тактов тактового генератора. Тем самым, удается снизить время преобразования, сохранив высокую точность измерения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "Новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого случая результата;
увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "Изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг.1 изображена функциональная схема уравновешивающего аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 принципиальная схема управляемого источника тока по п. 2 формулы; на фиг.3 принципиальная схема управляемого источника тока и аналогового интегратора по п.3 формулы; на фиг.4 функциональная схема цифрового интегратора по п.4 формулы.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Уравновешивающий аналого-цифровой преобразователь содержит компаратор 1, D-триггер 2, управляемый источник 3 тока, инвертирующий аналоговый интегратор 4, тактовый генератор 5, цифровой фильтр 6 верхних частот и цифровой интегратор 7. Выход компаратора 1 соединен с D-входом D-триггера 2, инверсный выход которого, в свою очередь, связан с управляющим входом источника 3 тока. Выход источника 3 тока подключен к входу интегратора 4, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора 1. Тактовый генератор 5 связан с тактовым С-входом D-триггера 2. Вход цифрового фильтра 6 верхних частот подключен к прямому выходу триггера 2, а выход фильтра 6 соединен с входом цифрового интегратора 7. Неинвертирующий вход компаратора 1 является входом преобразователя. Выход цифрового интегратора 7 образует выход преобразователя.

Кроме того, в частном случае решения технической задачи, соответствующем п. 2 формулы, управляемый источник 3 тока выполнен в виде соединенных между собой резисторов 8 и 9 сопротивлением R и 2R. Точка соединения резисторов 8 и 9 образует выход источника 3 тока, а второй вывод резистора 8 является управляющим входом источника 3 тока. Второй вывод резистора 9 подключен к источнику напряжения -E_п, равному по модулю значения и противоположному по знаку напряжению питания триггера 2.

Также в частном случае решения технической задачи, соответствующем п.3 формулы, управляемый источник 3 тока выполнен в виде резистора 10, а аналоговый интегратор 4 выполнен в виде дифференциального интегратора 11, инвертирующий вход которого соединен с выходом управляемого источника 3 тока, а неинвертирующий вход подключен к источнику напряжения E/2, равному половине напряжения питания триггера 2, причем первый вывод резистора 10 образует управляющий вход источника 3 тока, а второй вывод является выходом источника 3 тока.

Помимо этого, в частном случае решения технической задачи, соответствующем п.4 формулы, интегратор 7 выполнен в виде сумматора 12 и регистра 13, причем первый вход сумматора 12 образует вход интегратора 7, второй вход сумматора 12 соединен с выходом регистра 13, при этом вход данных регистра 13 связан с выходом сумматора 12, а тактовый вход подключен к тактовому генератору 5.

Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

Входное аналоговое напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора 1, который выполняет сравнение этого напряжения с выходным напряжением интегратора 4. Если входное напряжение оказывается больше выходного напряжения интегратора 4, на выходе компаратора 1 появляется логическая "1", которая поступает на D-вход D-триггера 2. На каждый импульс тактового генератора 5, поступающий на тактовый вход триггера 2, на выходе последнего появляется логический уровень его D-входа, т.е. в данном случае логическая "1", которая передается на все разряды входного отсчета цифрового фильтра 6, кроме младшего разряда, к которому постоянно подключено напряжение, соответствующее логической "1". Таким образом, на входе цифрового фильтра 6 образуется двоичный код числа "-1" ("минус единица").

Уровень логического "0" на инверсном выходе триггера 2 поступает на управляющий вход источника 3 тока. Это приводит к формированию на выходе последнего тока отрицательной полярности. С каждым тактом генератора 5 напряжение на выходе интегратора 4 будет равномерно увеличиваться (т.к. интегратор 4 инвертирующий) до тех пор, пока оно не превысит значение входного напряжения.

Когда выходное напряжение интегратора 4 превышает значение входного, компаратор переключится в состояние логического "0" по выходу. Теперь на входе D-триггера 2 и соответственно на его прямом выходе будет логический "0", который передается на все разряды входного отсчета цифрового фильтра 6, кроме младшего разряда, к которому подключено напряжение логической "1". Таким образом, на входе цифрового фильтра 6 образуется двоичный код числа "+1" (плюс единица).

В данном состоянии триггера 2 на выходе источника 3 тока будет ток положительной полярности. Это приводит к равномерному уменьшению напряжения на выходе инвертирующего интегратора 4.

Когда выходное напряжение интегратора 4 превысит входное напряжение, процесс уравновешивания повторится аналогично описанному выше.

Таким образом, напряжение на выходе интегратора 4 является линейной аппроксимацией входного аналогового сигналами отрезками прямых двух типов с положительной или отрицательной фиксированной производной. Параметры этих отрезков определяются частотой тактового генератора 5, параметрами интегратора 4 и двумя значениями тока, формируемыми на выходе источника тока 3.

Последовательность значений "+1" и "-1", формируемая на инверсном выходе D-триггера 2, представляет собой информацию о приращениях аппроксимирующего напряжения на выходе интегратора 4 за один период тактового генератора 5. Цифровой фильтр 6 устраняет низкочастотную помеху, возникающую из-за неравенства по модулю двух значений тока на выходе источника 3.

Цифровой интегратор 7 суммирует приращения входного напряжения и формирует цифровой код, пропорциональный входному аналоговому сигналу.

Работа аналого-цифрового преобразователя для частных случаев по пп.2 и 3 в целом отличается только способом формирования одинаковых по модулю значения и противоположных по знаку токов на входе интегратора 4.

В частности, при исполнении управляемого источника 3 тока в соответствии с п. 2 формулы ток положительной полярности (при поступлении логической "1" на вход источника 3) образуется суммированием токов "+E_п/R" и "-Е_п/2R", а ток отрицательной полярности (когда на входе источника 3 установлен логический "0") является током "-E_п/2R".

Аналогично этому, при выполнении источника 3 в соответствии с п.3 формулы ток положительной полярности образуется разностью потенциалов на резисторе 10, равной в этом случае +E_п/2, а формирование тока отрицательной полярности обеспечивается напряжением -E_п/2.

Выполнение цифрового интегратора по п.4 формулы соответствует частному случаю организации суммирования приращений входного напряжения и формирования цифрового кода, пропорционального входному аналоговому сигналу.

Как было показано, выходной код цифрового фильтра 6 отражает фактически приращения между текущими и предыдущим отсчетами при дискредитации входного аналогового сигнала. Указанное обстоятельство позволяет при столь же малом, как и в прототипе, шаге квантования осуществлять преобразование в каждой точке за меньшее число тактов тактового генератора 5. Тем самым, удается снизить время преобразования, сохранив высокую точность измерения.

Компаратор 1 напряжения, D-триггер 2, тактовый генератор 5 и цифровой фильтр 6 могут быть выполнены по известным в технике решениям, в частности блоки 1, 2 и 5 могут быть выполнены также как и в прототипе.

Тем самым, в предложенном уравновешивающем аналого-цифровом преобразователе обеспечивается уменьшение времени преобразования при сохранении высокой точности преобразования, что позволит использовать данный аналого-цифровой преобразователь для обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в устройствах сопряжения аналоговых и цифровых сигналов;
для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "Промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к устройствам сопряжения аналоговых и цифровых сигналов, а именно к аналого-цифровым преобразователям уравновешивающего типа, и может быть использовано для обработки электрокардиограмм, электроэнцефалограмм, а также других аналоговых сигналов в медицине и других отраслях науки и техники. Целью изобретения является обеспечение возможности обработки сигналов в реальном времени. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий компаратор 1, D-триггер 2, инвертирующий аналоговый интегратор 4, управляемый источник тока 3 и тактовый генератор 5, введены цифровой фильтр верхних частот 6 и цифровой интегратор 7. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Уравновешивающий аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор напряжения, D-триггер, управляемый источник тока, инвертирующий аналоговой интегратор и тактовый генератор, подключенный к тактовому входу D-триггера, причем выход инвертирующего аналогового интегратора подключен к инвертирующему входу компаратора напряжения, выход которого соединен с входом D-триггера, управляющий вход управляемого источника тока связан с первым выходом D-триггера, а выход управляемого источника тока подключен к входу инвертирующего аналогового интегратора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные цифровой фильтр верхних частот и цифровой интегратор, при этом вход цифрового фильтра верхних частот связан с вторым выходом D-триггера, причем второй выход D-триггера является прямым выходом, неинвертирующий вход компаратора напряжения образует вход уравновешивающего аналого-цифрового преобразователя, а выход цифрового интегратора является выходом уравновешивающего аналого-цифрового преобразователя. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый источник тока выполнен в виде соединенных между собой резисторов сопротивлением R и 2R, причем точка соединения резисторов образует выход управляемого источника тока, второй вывод резистора сопротивления R является управляющим входом управляемого источника тока, а второй вывод резистора сопротивлением 2R подключен к источнику напряжения, равному по модулю значению и противоположному по знаку напряжению питания триггера. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый источник тока выполнен в виде резистора, а инвертирующий аналоговый интегратор выполнен в виде дифференциального интегратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом управляемого источника тока, а неинвертирующий вход подключен к источнику напряжения, равного половине напряжения питания триггера, причем первый вывод резистора образует управляющий вход управляемого источника тока, а второй вывод является выходом управляемого источника тока. 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что цифровой интегратор выполнен в виде сумматора и регистра, причем первый вход сумматора образует вход интегратора, второй вход сумматора соединен с выходом регистра, при этом вход данных регистра связан с выходом сумматора, а тактовый вход подключен к тактовому генератору.