Вероятностный аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1988 года по МПК H03M1/04 

//

Изобретение относится к цифровой вычислительной и управляющей технике, предназначено для преобразования аналоговых электрических сигналов в цифровую форму и может быть использовано в управляющих вычислительных машинах, вычислительной технике и телеметрии.

Цель изобретения - повышение точ- ности за счет обеспечения независимости математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала.

На чертеже представлена блок-схема вероятностного аналого-цифрового преобразователя .

Устройство содержит генератор 1 распределенных по треугольному закону случайных чисел, цифроаналоговый преобразователь 2 (ЦАП), блок 3 элементов вычитания, блок А корректировки результата преобразования, блок 5 компараторов, блок 6 элементов анти- совпадения (ЭАС), шифратор 7, тактовую 8 и входную 9 шины, шину 10 опорных напряжений и выходную шину 11. Блок 4 корректировки результата преобразования содержит элемент 12 суммирования, компаратор 13, первый 14 и второй 15 элементы антисовпадения .

Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

На входную шину 9 поступает входной сигнал U(t), который необходимо оцифровать. Каждый элемент вычитания блока 3 уменьшает этот входной сигнал на величину своего опорного уровня U; и формирует разностный аналоговый сигнал

аи, U(t) - и, , где i 1 ,2,. .. ,m который подается на второй вход соответствующего компаратора блока 5. Соседние опорные уровни напряжения отличаются на постоянный дискрет MJ. Элемент 12 суммирования формирует дополнительный суммарный сигнал

AUo- U(t) -t- UU U(t) -t- U, необходимый для обеспечения корректировки результата округления малых напряжений и который подается на второй вход компаратора 13. На первые входы всех компараторов блока 5 и компаратора 13 с ЦАП i поступает случайное аналоговое напряжение U, распределенное по треугольному закону в диапазоне (0,2iU), дискретно меняю

ю 15

20 25 ЗО

Q

0

5

щееся по тактовому импульсу и постоянное в течение такта оцифровки.

Это случайное напряжение формируется с помощью генератора 1 распределенных по треугольному закону случайных чисел ГС4 и ЦАП 2 после поступления на тактовую шину 8 очередного тактового импульса, запускающего ГСЧ. В компараторах происходит сравнение этого случайного напряжения Up и разностного аналогового сигнала uU;. На выходах компараторов вырабатывается логическая 1, если , и логический О при обратном соотношении.

Поскольку сравнение разностей MJ; производится со случайной величиной, меняющейся в диапазоне 0,2uU и имеющей треугольные законы распределения, то одновременно со сравнением и происходящей при этом оцифровкой входного сигнала, т.е. получением на выходах компараторов совместного унитарного кода, осуществляется вероятностное округление входного аналогового напряжения, в результате чего обеспечивается независимость математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. Сигналы с выходов компараторов подаются на ЭАС блока 6 и элементов 14 и 15, которые на выходе вырабатывают логическую 1 только в случае наличия на двух входах противоположных логических сигналов (О и 1).

Таким образом, логическая 1 возникает только на одном ЭАС блока 6 или элементе 14 или 15, который находится на границе перехода сигналов от 1 к О на выходах блока 5 компараторов и компаратора 13, т.е. на той, ниже которой компараторы вьфа- батьшают 1, а выше - логические О. По выходному сигналу антисовпадений блока 6 и элементов 14 и 15 шифратор 7 формирует выходной п-разрядный код, который выдается на шину 11.

По сравнению с известным преобразователем предлагаемый обеспечивает независимость математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения квантуемого сигнала, что повьш ает точность вычислений.

Докажем наличие этого свойства. Обозначают ди дискрет квантования АЦП. Плотность вероятности распреде-

ленного по треугольному закону на интервале от О до 2ли случайного напряжения Ujr, с которым сравниваются разности uU; U(t) - U; для каждого опорного уровня U;, определяется выражением

О, при 2uU ;

1

W(Uu)

(иут(2ли - U), приди i

(

О,

при

-00 .с и

о 0.

(1)

при - 1Х - up

Представляют квантуемый сигнал U(t) в виде V juU + и, где, j 0,1..., О и Л и. Тогда, результат предварительного округления и дальнейшей оцифровки .можно представить следуюпщм образом: Y JAU + у, где у 1ди;

i 0,1,2 и представляет собой поправку при вероятностном квантовании, кратно иU.

Поскольку ошибка округления равна , то, не нарушая общности полученных результатов, анализируют случай j 0, т.е. ,Y у, 0 .

Для обеспечения единого закона округления входного аналогового сигнала во всем диапазоне, включая малые сигналы в пределах первого дис- крета квантования О U : AU, в АЦП используется цепь корректировки результата оцифровки малых напряжений, построенная аналогично цепочкам анализа для каждого опорного уровня напряжения в АЦП и содержащая элемент 12 суммирования, компаратор 13 и два элемента 14 и 15, элемент 12, совместно с положительным опорным уровнем и ли формирует суммарный сигнал

лОо u(t) - (-U) u(t) + л.и

u(t) + и

2

(2)

который используется в качестве младшего разностного сигнала и подается на первый компаратор блока 5.

На второй компаратор блока 5 подается разностный сигнал с первого элемента вычитания блока 3:

ли, D(t; - и, u(t) - О u(t).

(3)

Во всех компараторах, включая эти два компаратора, производится сравнение своего разностного аналогового

сигнала iU;, i 1,2,..., mco случайным напряжением U и вьфабаты- вается логический О в случае

с; о

.

15

20

25

30

35

40

jO

ли; и.

(4)

45

j; t и

и логическая 1 при обратном соотношении.

В рассматриваемом случае на всех компараторах блока 5, кроме первых двух, вьфабатьгаа- ются логические О при любом случайном напряжении Ue€(0,2&U), так как для них всегда выполняется соотношение (4). На выходах первого и второго компараторов блока 5 значения логических сигналов зависят от случайного напряжения Ut, причем возможны следующие комбинации выходных сигналов этих компараторов: 00, 10, 11, что соответствует поправкам при округлении О, ли, 2ли, для определения математического ожидания т и дисперсии Gy ошибок округления находят вероятности формирования этих поправок Р(0), Р(1), Р(2).

Нулевая поправка у О вырабатывается в АЦП при одновременном по- явлении на выходах первого и второго компараторов блока 5 логических О, что вьтолняется при условии U (для второго компаратора) и U « ли : Up (для первого компаратора) .

Вероятность появления нулевой поправки равна вероятности вьтолнения нижнего условия и определяется вьфажением

2bU5 U

р(о) I w(Uf)dUu j -( AU.U iUjo bU

- U)dU

Поправка у 2iU соответствует появлению на выходах обоих компараторов логических 1. Вероятность формирования поправки у 2AU равна вероятности вьтолнения условия

и и

Г

(6)

и определяется из следующего выражения:

Р(2) I W(U)dU -blVd

(7)

В остальных случаях формируется поправка округления, когда вырабатывается логическая 1 на первом компараторе и логический О на втором компараторе. Вероятность появления такой поправки округлени при оцифровке равна

Р(1) 1 - Р(0) - Р(2) 1 - -|-jx

,,(ди-и) -.У..

(8)

Математическое ожидание т. и дисперсия G опшбок округления по найденным вероятностным определяются следующим образом:

2

m - (i-uU - U) (.) (-U) X

1

X - и) + (&U - и)

L 2ьи

- ..

X (uU - и) - + (2uU - U) X

Ш У

Л

Gl (i uU - U)2.p(i) - m

йУ1

4

Таким образом, математическое ожидание m и диспер(ия G ошибок округления при оцифровке в предлагаемом вероятностном АЦП равны соответственли uu«

но -V- и -т- и не зависят от закона

2 ц

распределения квантуемого аналогового напряжения U(t).

Независимость вероятностных характеристик (математического ожидания и дисперсии) от входного сигнала позволяет устранить неконтролируемую поте- рю точности и дает возможность проводить компенсацию систематической ошибки при вычислениях, что ведет к повьшению точности вычислений или к снижению.требования к высокой разрядности АЦП.

Формула изобретения

Вероятностный аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок

О

5

0

5

0

0

5

элементов вычитания, первый вход которого является входной шиной, вторая группа входов которого является шиной равномерно возрастающих опорных уровней, блок компараторов, первый вход которого соединен с выходом циф- роаналогового преобразователя, входы которого соединены с соответствующими выходами генератора случайных чисел, вход которого является шиной тактовых импульсов, выходы блока элементов вычитания соединены с соответствующими вторыми входами блока компараторов, выходы которого соединены с соответствующими входами блока элементов антисовпадения, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами шифратора, выходы которого являются выходной шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введен блок корректировки результата преобразования, выполненный на элементе суммирования, компараторе и двух элементах антисовпадения, выходы которых соединены с соответствующими вторыми входами шифратора, первый вход первого элемента антисовпадения является шиной уровня логической единицы, второй вход первого элемента антисовпадения объединен с первым входом второго элемента антисовпадения и подключен к выходу компаратора, второй вход второго элемента антисовпадения соединен с первым выходом блока компараторов, причем первый вход компаратора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а второй вход - с выходом элемента суммирования, первый вход которого соединен с входной шиной устройства, а второй объединен с соответствующим входом второй группы входов блока элементов вычитания, при этом генератор случайных чисел имеет треугольный закон распределения случайных чисел.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных вычислительных машиЛах, вычислительной технике и телеметрии. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Цель достигается за счет того, что в устройство, содержащее генератор 1 случайных чисел, цифроаналоговый преобразователь 2, блок 3 элементов вычитания, блок 5 компараторов, блок 6 элементов антисовпадения, шифратор 7, введен блок 4 корректировки результата преобразования, содержащий элемент 12 суммирования, компаратор 13 и два элемента 14 и 15 антисовпадения. Генератор 1 случайных чисел имеет треугольный закон распределения случайных чисел, при этом у цифроаналогового преобразователя 2 в два раза увеличен диапазон выходного напряжения, что обеспечивает независимость математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. 1 ил. (Л