Изобретение относится к способу аналого-цифрового преобразования, который реализуется в виде предлагаемого устройства, и предназначается для использования в качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в исследовательской сейсморегистрирующей аппаратуре.
Известен способ аналого-цифрового преобразования - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - и устройства, реализующие данный способ. Каким бы методом не реализовывались ИКМ - метод последовательного приближения, метод с динамической компенсацией или метод интегрирования - в любом случае суть способа заключается в том, что в каждый заданный момент времени происходит преобразование выборки исследуемого аналогового сигнала в n-разрядный двоичный код, прямо пропорциональный амплитуде данной выборки. Из этого следует, что чем шире динамический диапазон входного аналогового сигнала, тем большее число двоичных разрядов должно быть у АЦП, работающего по методу ИКМ. Так при изменении выходного сигнала в динамическом диапазоне более 100 дБ, а именно в таком и более диапазоне могут изменяться сигналы от сейсмических датчиков, для хорошего качества преобразования требуется более 16 двоичных разрядов преобразователя. Но простое наращивание разрядов АЦП ведет к усложнению и удорожанию сейсморегистрирующей аппаратуры, например за счет увеличения объема памяти, необходимой для хранения сейсмической информации, преобразованной в цифровой вид. А учитывая, что, как правило, сейсморегистрирующая аппаратура является автономной, данный недостаток становится просто неприемлемым.
Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования является дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) и устройство, реализующее данный способ. Суть способа заключается в том, что цифровому преобразованию подвергается разность текущего значения входного аналогового сигнала и сигнала, восстановленного из цифровой последовательности (так называемого "предсказанного сигнала"). Ясно, что в большинстве случаев разность между двумя соседними выборками будет меньше абсолютной величины этих выборок, следовательно число требуемых двоичных разрядов преобразования при ДИКМ будет меньше, чем при ИКМ (для достижения одного и того же динамического диапазона преобразования). Однако поскольку при ДИКМ каждый раз вычисляется разность двух соседних выборок, то появление ошибок, например в процессе записи информации в оперативную память или на магнитный носитель, существенно скажется на качестве восстановления исходного сигнала при считывании из памяти данной цифровой информации.
Цель предлагаемого изобретения - расширение динамического диапазона и улучшение качества преобразования - достигается за счет введения в способ ДИКМ дополнительных операций, при которых в цифровую форму преобразуется сумма входного сигнала и усиленная разность входного сигнала и сигнала, восстановленного после цифрового преобразования. При этом в предлагаемом способе при малом значении или отсутствии разности между текущем значением сигнала и сигнала, восстановленного из цифровой последовательности (т.е. между двумя соседними выборками) преобразованию подвергается сигнал, близкий по значению или равный входному сигналу, благодаря чему ошибки при передаче или записи цифровой информации в память не оказывают большого влияния при восстановлении исходного сигнала так же, как и при обычной импульсно-кодовой модуляции. Предлагаемый способ при определенных условиях позволяет с 6 - 8 разрядами цифрового кода получить такое же высокое качество преобразования, как при обычной ИКМ с 14 - 16 разрядами.
На чертеже приведена блок-схема преобразования аналоговых сигналов, реализующая предлагаемый способ. Устройство состоит из сумматора 1, n-разрядного АЦП 2, работающего по методу ИКМ, n-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 3, фильтра низкой частоты (ФНЧ) 4, устройства 5 вычитания, усилителя 6 и генератора 7 тактовой частоты, причем входом устройства является один из входов сумматора 1, соединенный также с одним из входов устройства 5 вычитания, выход сумматора 1 подключен ко входу АЦП 2, выход которого соединен со входом ЦАП 3, причем выход АЦП 2 является выходом устройства, выход ЦАП 3 соединен со входом ФНЧ 4, выход которого подключен ко второму входу устройства 5 вычитания, выход которого соединен со входом усилителя 6, выход усилителя 6 подключен ко второму входу сумматора 1, выход генератора 7 тактовой частоты соединен с тактовым входом АЦП 2.
Для лучшего понимания сути предлагаемого способа рассмотрим работу устройства.
Входной сигнал Uвх поступает на входы сумматора 1 и устройства 5 вычитания. Выходной сигнал сумматора 1 UΣ преобразуется АЦП 2 в цифровую форму Y с тактовой частотой Fт, причем цифровое значение предыдущей выборки сохраняется на выходе АЦП 2 до следующей выборки и изменяется в момент прихода тактового импульса. Цифровой сигнал Y поступает на выход устройства, а также на дополнительный ЦАП 3, где после ФНЧ 4 восстанавливается в исходную аналоговую форму, сравнивается со входным аналоговым сигналом в устройстве 5 вычитания, а полученная разность усиливается в усилителе 6 и поступает на сумматор 1 вместе с входным сигналом. Петля обратной связи, состоящая из ЦАП 3, ФНЧ 4, устройства 5 вычитания, усилителя 6 и сумматора 1, позволяет существенно снизить возникающие в процессе преобразования искажения сигнала и повысить разрешающую способность, т.е. улучшить качество преобразования и расширить динамический диапазон преобразования за счет улучшения преобразования в области минимальных входных сигналов.
На выходе сумматора 1 будет действовать напряжение
UΣ= Uвх+(Uвх-Uф)Kус, (1)
где Uвх - напряжение входного сигнала;
Uф = UЦАП • Aф - напряжение на выходе ФНЧ 4, где UЦАП - напряжение на выходе ЦАП 3, Aф - коэффициент передачи ФНЧ 4;
Kус - коэффициент усиления усилителя 6.
Тогда напряжение на выходе ФНЧ 4
Uф= (Uвх-UΣ/Kус+Uвх. (2)
Из формулы (2) следует, что напряжение на выходе ФНЧ 4 тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше Kус. Так как выходное напряжение ЦАП 3 может принимать только дискретные значения, т.е. почти никогда точно не совпадает с напряжением входного сигнала, то процесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ 4 совпадают в среднем, причем функции усреднения выполняет ФНЧ 4, на выходе которого появляется восстановленный из цифровых кодов Y исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит от соотношения тактовой частоты Fт и частоты среза Fср ФНЧ 4. При увеличении соотношения Fт/Fср уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления Kус прямо пропорционально увеличить точность преобразования малых изменений сигнала. Кроме того, снижение уровня высокочастотных составляющих приводит к снижению шума квантователя. Таким образом, значение Kус необходимо выбирать максимально большим, но обеспечивающим устойчивую работу преобразователя, причем Kус может быть тем больше, чем больше отношение Fт/Fср.
Учитывая сказанное, можно приблизительно оценить выигрыш, получаемый от использования предлагаемого устройства. Например, если Fт/Fср = 2, то это эквивалентно повышению разрешающей способности преобразования в 2 раза, что соответствует прибавлению одного разряда преобразования ИКМ, т.е. расширению динамического диапазона преобразования на 6 дБ. Соотношение же Fт/Fср = 64 эквивалентно добавлению сразу шести разрядов ИКМ, т.е. расширению динамического диапазона преобразования на 36 дБ.
Поднять отношение Fт/Fср можно двумя способами: либо увеличивая Fт, либо уменьшая Fср. На практике эти рекомендации необходимо использовать с учетом конкретной реализации устройства и целей, для которых данное устройство предназначено.
Было проведено физическое моделирование предлагаемого устройства, выполненного на цифровых микросхемах серии К561, аналоговых микросхемах серии К574, в качестве АЦП 2 использовалась 10-разрядная микросхема 1113 ПВ1, а в качестве ЦАП 3 - 10-разрядная микросхема К572 ПА1. В частности были измерены коэффициенты гармонических искажений Kг для восстановленного из цифровой последовательности Y аналогового сигнала при уровне на выходе 0,5 от максимально возможного и на частотах 1, 10, 50 и 100 Гц. Восстановление аналогового сигнала из цифровых кодов Y осуществляется с помощью последовательно соединенных ЦАП и ФНЧ, идентичных ЦАП 3 и ФНЧ 4 (см. чертеж). Кроме того, в соответствии с формулой
Dc = 20 lg Umax/Umin (3)
вычисляется динамический диапазон преобразования Dс при максимально (Umax) и минимально (Umin) возможных уровнях искаженного сигнала. Число используемых разрядов АЦП 2 и АЦП 3 изменялось от 4 до 10. Преобразование осуществлялось при тактовых частотах 450 и 900 Гц. Результаты измерений Kг и Dс сведены в табл. 1 и 2. Анализируя приведенные в таблице данные, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство уже при 6 - 8 разрядах позволяет получить параметры, близкие к параметрам 12-разрядного преобразователя ДИКМ или 14-разрядного преобразователя обычной ИКМ.
Изобретения относятся к области автоматики и могут быть использованы в исследовательской сейсморегистрирующей аппаратуре. Техническим результатом является расширение динамического диапазона и улучшение качества преобразования за счет введения дифференциальной импульсно-кодовой модуляции путем дополнительного усиления разности текущего значения входного аналогового сигнала и сигнала, восстановленного из выходной цифровой последовательности, и суммирования полученного сигнала с входным сигналом. Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из n-разрядного АЦП, n-разрядного цифроаналогового преобразователя, устройства вычитания, генератора частоты, сумматора, фильтра низкой частоты и усилителя. 2 с.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Пилипчук Н.И., Яковлев В.П | |||
Адаптивная импульсно-кодовая модуляция | |||
Статистическая теория связи | |||
Вып | |||
Видоизменение пишущей машины для тюркско-арабского шрифта | 1923 |
|
SU25A1 |
- М.: Радио и связь, 1986, с | |||
Способ подготовки рафинадного сахара к высушиванию | 0 |
|
SU73A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Турлов П.Я., Ямпольский А.М., Гольштейн В.Л | |||
Эксплуатация цифровых сейсморазведочных станций "Прогресс | |||
- М.: Недра", 1986, с | |||
Прибор для промывания газов | 1922 |
|
SU20A1 |
Токхейм Р | |||
Основы цифровой электроники | |||
- М.: Мир, 1988, с | |||
Самовар-кофейник | 1918 |
|
SU354A1 |
Авторы
Даты
1999-05-27—Публикация
1997-06-10—Подача