Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1986 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к средствам преобразования формы представления информации и может быть использовано в системах передачи и обработки непрерьшных изменяющихся в большом диапазоне сигналов для преобразования их с постоянной относительной погрешностью квантования в двоичный позиционный код в условиях действия искажающих помех.

Цель изобретения - повьшение точности преобразования непрерьшных сигналов, существенно изменяющихся в процессе преобразования в условиях воздействия низкочастотной составляющей и высокочастотной составляющей помех.

На фиг. I представлена структурная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 3 - структурная схема управляемого усилителя.

Аналого-цифровой преобразователь содержит сравнивающее устройство 1, фильтр 2 высоких частот, управляемый усилитель 3, инвертор 4, первьй 5 и второй 6 сумматоры, первое 7 и второе 8 вероятностные реле, первый 9 и второй 10 ключи, первый 11 и второй 12 компараторы с гистерезисной характеристикой, первый 13, второй 14 и третий 15 элементы ИЛИ, элемент 16 задержки, формирователь 1 кода на реверсивном сдвиговом регистре, цифроаналоговый преобразователь 18 (ЦАП), входную шину 19, (N-1)- разрядную выходную шину 20, шину Сброс 21.

Управляемый усилитель 3 выполнен на усилительных каскадах ... , 23 и логическом устройстве 24. Логическое устройство 24 имеет N+1 входов, на которые поступает (N+1)-разрядный двоичный позиционный код, управляжйций коэффициенто усиления управляемого усилителя 3, и 21+1 выходов, которые соединены с соответствующими управляющими входами каскадов.

Коэффициенты усиления управляемого усилителя 3 по первому и второму выходам выбраны из условий обепечения постоянной относительной погрешности преобразования во всем диапазоне изменения сигнала

(Ук-Ук-1)/2

Vlt.)

const,

где VY ,Vx-y - уровни квантования сигнала;

V(ti) - уровень входного сигнала в момент изменения значений уровней квантования, т.е. в моменты

изменения значения выходного кода k 2,3,4,.. Моменты изменения значений уровней квантования сигнала определяются уравнением

15

v(t ) 2

(2)

При равномерной плотности распределения вероятностей полезного сигнала и обеспечения условий (1) и (2) каждому удвоенному значению входного сигнала должно соответствовать удвоенное значение величины интервала квантования

25 V(t J-2V( ), где k 2,3,4,...

(3)

В исходном состоянии реверсивный сдвиговый регистр 17 (РСР) сигналом

Сброс (фиг. 2) , поступившим с шины Сброс 21, приводится в начальное состояние, при этом записывается логическая 1 в его нулевой (младший) разряд, а в остальные - О.

. При этом наличие 1 в нулевом (младшем) разряде РСР 17 соответствует нулевому полезному сигналу V(t) на входе сравнивающего устроЙ7

ства 1 (фиг. 2, ломаная 1) к нулевому потенциалу на выходе цифро- аналогового преобразователя (ЦАП) 18. Под действием полученного (N+1) разрядного кода с выхода РСР 17, на

выходе ЦАП 18 устанавливается нулевой потенциал (фиг. 2 Q , ломаная 2),а управляемый усилитель приводится в состояние максимального коэффициента усиления как по первому,

так и по второму выходу. При нулевом сигнале V(t) на выходе устройства (фиг. 2q, ломаная 1) на выходе сравнивающего устройства 1, фильтра 2 высоких частот (ФВЧ 2),

на первом и втором выходах управляющего усилителя 3 (фиг. 2и, лома- ная 1 и 2), на выходе инвертора 4, компаратора 11 с гистерезисной харак3

теристикой (фиг. 2,г), компаратора 12с гистерезисной характеристикой (фиг. 2р), на выходах элементов ИЛИ 13, 14 и 15 (фиг. 2ж) и на выходе элемента 16 задержки формируются сигналы, близкие по своему . значению к нулю. Ключи 9 и 10 разомкнуты. Нулевой сигнал поступает с выхода инвертора 4 на первый вход сумматора .5 и со второго выхода усилителя 3 на второй вход сумматора 6. На второй вход сумматора

5и первый вход сумматора 6 поступают потенциалы логических О с выходов соответственно компараторов 12 и 11 с гистерезисной характеристикой. На третьи входы сумматоров 5 и 6 подается напряжение смещения +Ucn, необходимое для обеспечения работы вероятностного реле

8 на сигналы отрицательной полярности, а также для обеспечения работы вероятностного реле 7 на сигналы положительной полярности. Для этой же цели, а также чтобы применить одинаковые вероятностные реле используется инвертор 4. Сигналы с выходов сумматоров 5 и

6поступают соответственно на входы вероятностных реле 7 и 8. Вероятностное реле определяет положение входного сигнала по отношению к положительному порогу , где q - величина кванта преобразования, а вероятностное реле 8 определяет положение входного сигнала по отношению к отрицательному порогу -a - q/2, при этом на выходе вероятностного реле 7 и вероятностного реле 8 формируется сигнал, пропорциональный вероятности пребьша- ния входного сигнала соответственно выше положительного порога а и ниже отрицательного порога -а. Вероятность пребьшания сигнала вьппе положительного порога а близка к нулю поэтому на выходе вероятностного реле 7 формируется потенциал, близк к нулю (фиг. 2 и). Аналогично на выходе вероятностного реле 8 формируется такой же потенциал (фиг. 2g).

На неинвертирующие входы компараторов П и 12 с гистерезисной характеристикой подается опорное напряжени Uoo, необходимое для обеспечения нужных режимов работы компараторов II и 12 с гистерезисной характеристикой.

151644

При поступлении на вход устройства полезного сигнала положительной полярности V(t), наложенной на него низкочастотной помехой x(t)

5 и высокочастотной помехой s(t) (фиг. 2Ok, ломаная 1, .2), фильтр 2 высокой частоты подавляет низкочастотную помеху x(t) и пропускает практически без изменения полезный

10 сигнал V(t) и высокочастотную помеху s(t) на вход управляемого усилителя 3. Со второго выхода управляемого усилителя усиленная с коэффициентом усиления Ktnax аддитив15 ная смесь полезного сигнала V(t) и высокочастотной s(t) помехи (фиг. 2и, ломаная 2) поступает на второй вход сумматора 6, на первый вход которого поступает О с выхо20 да компаратора II гистерезисной

характеристики, а на третий вход поступает напряжение смещения +UcH. Вероятность пребывания сигнала положительной полярности на входе ве25 роятностного реле 8 ниже порога

отрицательной полярности -а (фиг.2л) близка к нулю, поэтому вероятностное реле 8 не изменяет своего состояния и с его выхода на вход ком30 паратора 12 с гистерезисной характеристикой поступает сигнал Q (t) близкий по своему значению к нулю (фиг. 2). С первого выхода управляемого усилителя 3 усиленная с коэффициентом К аддитивная смесь полезного сигнала V(t) и высокочастотной помехи s(t} (.фиг, 2 , ломаная I) поступает на первый вход сумматора ,5, на второй вход которого посту- пает О с выхода компаратора 12 с гистерезисной характеристикой, а на третий вход поступает напряжение смещения +UCM. Вероятность пребывания сигнала положительной

., полярности выше положительного порога CV на выходе вероятностного реле 7 возрастает, поэтому сигнал Q(t) отрицательной полярности, пропорциональный этой вероятности, также возрастает по своему абсолютному значению (фиг. 2ь). Временная диаграмма для случая инвертирования сигнала V(t) с наложенной на него высокочастотной помехой S(t) на входе вероятностного реле 7 приведена на фнг. 2i. Как только сиг-- нал на выходе вероятностного реле 7 достигнет значения, соотзетству40

50

55

ющего вероятности 0,5 (фиг. 2g), на выходе компаратора 11 с гисте- резисной характеристикой 11 появляется сигнал логической 1 (фиг.2г Этот сигнал поступает на управляющий вход ключа 9, на первый вход .сумматора 6, на первый вход элемента ИЛИ 14 и на второй вход элемента ИЛИ 15, на вход сложения реверсивного сдвигового регистра 17. Ключ 9 замыкается и сигнал Q (t) с выхода вероятностного реле 7 спадает со значения, соответствующего вероятности 0,5, до значения соответствующего вероятности нуль (фиг. 2) за время t . const, которое обуславливается внутренним сопротивлением ключа 9. В момент равенства нулю сигнала Qi(t) на выходе вероятностного реле 7 (фиг. 2Б) на выходе компаратора II с гистерезисной характеристикой появляется сигнал логического О (фиг. 2г). Таким образом, на выходе компаратора 11 с гистерезисной характеристикой 11 формируется импульс, который поступает на первый вход сумматора 6 и этим блокирует вероятностное реле 8 на время своего существования (фиг. 2л). Блокировка вероятностного реле 3 необходима для того, чтобы избежать его ложного сраба- тьшания в момент записи нового значения выходного кода, когда полезный сигнал нарастает. Ревер- сивньш сдвиговый регистр 17 переводится из режима Хранение в режим Сдвиг вправо, т.е. происходит сдвиг в сторону старших разрядов передним фронтом импульса, поступающего с выхода компаратора 11 . с гистерезисной характеристикой (фиг. 2t) через элемент ИЛИ 14 на его вход сложения, а на вход вычитания реверсивного сдвигового регистра 17 при этом поступает нуль с вьрсода компаратора 12с гистерезисной характеристикой (фиг. 2,с) через элемент ИЛИ 13. Передний фронт импульса с выхода компаратора 11 с гистерезисной характеристикой поступает также через элемент ИЛИ J5 на вход элемента 16 задеряжи, где задерживается на вре- мя ti,o . Задержка импульса элементом 16 задержки необходима для надежного обеспечения режима Сдвиг

10

15

20

5

0

5

0

5

0

вправо реверсивного сдвигового регистра 17 в момент прихода переднего фронта импульса с выхода элемента 6 задержки на третий (тактовый) вход регистра 17. С при- .ходом переднего фронта импульса с .. йькода элемента 16 задержки на третий (.тактовый) вход реверсивного сдвигового регистра 17 на его (N+1)-разрядном выходе 20 происходит сдвиг 1 на один разряд в сторону старших разрядов. В данном случае осуществляется сдвиг 1 из нулевого разряда в первый разряд. Полученный (N+1 )--разряд- ный позиционный код с выхода реверсивного сдвигового регистра 17 поступает на соответствующие управляющие входы управляемого усилителя 3. Код, образованный N старшими разрядами реверсивного сдвигового регистра 17, поступает на соответствующие входы N-разрядного ЦАП 18. В соответствии с записанным на выходе реверсивного сдвигового регистра 17 кодом коэффициент усиления управляемого усилителя 3 по первому и по второму выходу изменяется, а на выходе ЦАП 18 формируется потенциал F(t), который поступает на инвертирующий вход сравнивающего устройства 1 (фиг.2а, ломаная 2). На выходе сравнивающего устройства I формируется разностный сигнал Z (t)V(t)-F(t) с наложенной на него низкочастотной помехой x(t) и ВЧ помехой s(t), который поступает на вход фильтра 2 высокой частоты (фиг.25). С окончанием тактового импульса с выхода элемента ИЛИ 15 (фиг. 2ж) и задержанного на время t даа элементом 16 зад 5ржки заканчивается первый такт.

Если входной сигнал V(t) (фиг.2а, ломаная 1) продолжает нарастать, то нарастает и разностный сигнал Z (t) (фиг.25), тогда весь цикл работы устройства повторяется.

Если разностный сигнал Z (t) (фиг. 25) спадает, т.е. спадает сигнал V(t) (фиг. 2(, ломаная 1), то вероятность пребывания его ниже отрицательного порога -а растет. Поэтому сигнал Q2(t) отрицательной полярности с выхода вероятностного реле 8 (фиг. 2f), пропорциональный этой вероятности, растет по абсолютной величине и при достижеНИИ уровня, соответствующего вероятности 0,5, на выходе компаратора 12 с гистерезисной характеристикой формируется сигнал логической 1 (фиг, 2е), В этом случае предложенное устройство будет работать аналогично, как на возрастание сигнала V(t) на входе устройства, только будет работать цепочка, в состав которой входят следующие элементы: сумматор 6, вероятностное реле 8, ключ 10, компаратор 12 с гистерезисной характеристикой, элемент ИЛИ I3 вместо цепочки, образованной элементами: инвертор 4, сумматор 5, ВР 7, ключом 9, компаратор 11 с гисте,- резисной характеристикой, элемент ИЛИ 14. А сдвиг 1, записанный в одном из разрядов реверсивного сдвигового регистра 17, осуществляется на один разряд влево, т.е. в сторону младших разрядов.

Форму л аиз обретени

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий сравнивающее устройство, первый вход которого является входной шиной, а второй вход соединен с выходом цифроанало гового преобразователя, входы которого соединены с первыми выходами формирователя кода, которые являются первыми выходными шинами, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности преобразования иепрерьшных сигналов, введены фильтр высоких частот,инвертор, первый и второй сумматоры, первое и второе вероятностные реле первый и второй ключи, первый и второй компараторы с гистерезисной характеристикой, первый, второй и третий элементы ИЛИ, элемент задержки, управляемый усилитель, а формирователь кода выполнен на реверсивном сдвиговом регистре, при этом первые и второй входы управляемого усилителя соединены соответственно с первыми и вторыми вькодами реверсивного сдвигового регистра, второй выход которого является второй выходной шиной, третий вход управляемого усилителя через фильтр высоких частот соединен с выходом сравнивающего устройства, а первый выход через

0

5

0

5

0

5

0

5

0.

5

инвертор - с первым входом первого сумматора, второй вход которого объединен с первыми входами первого и третьего элементов ИЛИ, второго ключа и соединен с выходом второго компаратора с гистерезисной характеристикой, третий вход является шиной напряжения смещения, а выход соединен с входом первого вероятностного реле, первый вход первого компаратора с гистерезисной характеристикой объединен с первым входом первого ключа и соединен с выходом первого вероятностного реле, второй вход является шиной порогового напряжения, первый вход второго элемента ИЛИ объединен с вторыми входами третьего элемента ИЛИ, первого ключа и первым входом второго сумматора и соединен с выходом первого компаратора с гистерезисной характеристикой, причем второй выход управляемого усилителя соединен с вторым входом второго сумматора, третий вход которого является шиной напряжения смещения, а выход соединен с входом второго вероятностного реле, первый вход второго компаратора с гистерезисной характеристикой объединен с вторым входом второго ключа и соединен с выходом второго вероятностного реле, второй вход второго компаратора с гистерезисной характеристикой является шиной опорного напряжения, второй вход первого элемента JUIH объединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, третьим входом третьего элемента ИЛИ и является пш- ной Сброс, выход первого элемента ИЛИ соединен с первым входом реверсивного сдвигового регистра, второй вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а третий вход через элемент задержки - с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходы первого и второго ключей являются шиной нулевого

потенциала.

2. Преобразователь по п. I, отличающийся тем, что управляемый усилитель выполнен на усилительных последовательно соединенных каскадах с цифровой регулировкой коэффициента усиления и логическом устройстве, входы

которого являются первыми и вторым входами управляемого усилителя, вход первого усилительного каскада является третьим входом управляемого усилителя, выход предпоследнего усилительного каскада является первым выходом управляемого усилителя, а выход последнего усилительного каскада - вторым выходом управляемого уси- лителя, при этом вторые входы усилительных каскадов соединены с соответствующими выходами логического устройства.

zli} vlth4ths(t)

Z f() ff} Slt)

13

pojpti Koffa

qiut.l

tfihm

ulti

/

f; i - щ

.a;::::: 4 ™

JL- d.n.an....

Л A - -я ж fit

D.tL

f

Люд

ftytyioa рю y lfpO3f Ai тЛ1 -« «Л Wj

Изобретение относится к средствам преобразования формы предс тав- ления информации и может быть использовано в системах передачи и обработки непрерьюных изменяющихся в большом диапазоне сигналов. Изобретение позволяет повысить точность преобразования непрерывных сигналов, существенно изменяющихся в процессе преобразования в условиях воздействия низкочастотной составляющей и высокочастотной составляющей помех, за счет введения в аналого-цифровой преобразователь, содержащий сравнивающее устройство, цифроаналоговый преобразователь и формирователь кода, фильтра высоких частот, инвертора, первого и второго сумматоров, первого и второго вероятностных реле, первого и второго ключей, первого и второго компараторов с гисте- резисной характеристикой, первого, второго и третьего элементов ИЛИ, элемента задержки, управляемого усилителя. 1 з.п. ф-лы. I (Л to сд Од (

вниипи

Тираж 818

Заказ 911/59 Подписное

Филиал ГШП Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4