Способ аналого-цифрового преобразования с коррекцией результатов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H03M1/12 

00

о

Ю

Изобретение относится к вычислительной и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в информационно-вычислительных системах, использую щих цифровую обработку сигналов.5

Целью изобретения является повышение точности аналого-цифрового преобразования за счет использования промежуточных преобразований параметров процесса дискретизации.10

На фиг.1 приведены спектрограммы обрабатываемых сигналов, поясняющие предлагаемый способ; на фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.15

Суть способа состоит в следующем.

Пусть необходимо произвести аналогоцифровое преобразование с частотой дискретизации F до сигнала x(t), спектр которого расположен в полосе частот {fs мин, fs макс} 20 .(фиг. 1,а). Имеющийся АЦП обеспеч1-8ает преобразование сигналов с шагом квантования h.

Аналого-цифровое преобразование сигналов включает две последовательные вза- 25 имосвязанные операции: дискретизацию во времени с формированием дискретной временной последовательности мгновенных отсчетов и квантование по уровню мгновенных отсчетов. При реализации каждой one- 30 рации в каждый отсчет преобразуемого сигнала x(t) вносятся соответствующие погрешности: погрешность дискретизации и погрешность квантования.

Погрешность дискретизации определя- 35 ется неопределенностью временного положения формируемых мгновенных отсчетов сигнала, т.е. выборки сигнала происходят не в требуемые моменты времени ti 1Тдо 1/Рдо, где Тдо - период дискретизации и i - 40 номер выборки, а в моменты t 1Тдо + y(i), где у(1) - случайный процесс с функцией распределения (i). Погрешность дискретизации равна

Afi {О х(1Тдо) - + у(1). (1)

где Ад (О - погрешность дискретизации 1-й временной выборки сигнала x(t);

х(1Тдо) - значение дискретизируемого 50 сигнала в требуемый 1-й момент времени дискретизации;

+ y(i) - значение дискретизируемого сигнала в реальный момент времени дискретизации при формировании 1-й вы- 55 борки.

Погрешность квантования определяется наличием округления значения каждого временного отсчета сигнала x(t) до величины ближайшего дискретного цифрового эквивалента и не превышает по модулю половины шага квантования по уровню

Л.В (1) + у(1) - хкв 1Тд + у(0, (2) (l),

где Дсв(0 - погрешность квантования по уровню;

+ уО) - цифровое значение 1-го временного отсчета сигнала x(t).

Таким образом, погрешность аналогоцифрового преобразования &ац без учета собственных шумов используемого АЦП определяется погрешностями дискретизации и квантования:

Аац х(т) + уО) Дд(1)+ ). (3)

В предлагаемом способе для повышения точности аналого-цифрового преобразования формируются дополнительные, отсчеты сигнала x(t), расположенные равномерно во времени в пределах каждого периода дискретизации Тдо. путем дискретизации этого сигнала с частотой Рд, в К раз большей, чем требуемая Рдо:

1/КТдо 1/Тдо. (4)

В этом случае спектральная плотность мощности (СПМ) 5д(1) погрешности дискретизации (O для сформированной последовательности мгновенных отсчетов сигнала распределяется в пределах полосы частот {О, Рд/2} следующим образом:

Зд(1) (c(f) 2|- 1) Sx(i) + ) - Рд, (В) при f е {0. Рд/2},

где 5д(0 - СПМ погрешности дискретизации;

c(f) - характеристическая функция распределения значений временной неопределенности отсчетов у(1);

Sx(f) - СПМ преобразуемого сигнала;

Rx(0)- значение в нуле корреляционной функции преобразуемого сигнала x(t); Л(2

с1 11сШ|-5ДШ1з о

со

.ехрЦШ.

-со

Из уравнения (5) следует, что в результате наличия погрешности дискретизации к спектру сигнала x(t) при его дискретизации в выбранном режиме добавляется ровный белый шум в полосе {О, Рд/2}. которому соответствует слагаемое ад) :

AW (0) const. (6) Таким образом, СПМ дискретной последовательности мгновенных отсчетов + 4-у(1) равна 5хд(1) Sx(f) + Sfl(f) c(f) Sx{f) + бМ (7) Из уравнения (7) следует, что СПМ погрешности квантования сформированной последовательности мгновенных отсчетов «{Тд + у(1) распределяется в пределах полосы {О, Рд/2}и равна 5кв(0 hVe Рд const. (8) где 5кв(0. СПМ погрешности квантования сформированной последовательности цифровых отсчетов. Следовательно, в результате наличия погрешности аналого-цифрового преобразования к спектру преобразуемого в выбранном режиме сигнала добавляется шум, равномерно распределенный в полосе {О, Рд/2}. с СПМ 5ац((фиг.1,б): cs-m Пл.ц ,,,х( ,eUl - J где 5ац(0 - СПМ шумов аналого-цифрового преобразования. Сформированная дискретная последовательность цифровых отсчетов + у(1) обрабатывается затем по алгоритму цифровой фильтрации. При зтом полоса пропуска ния цифрового фильтра соответствует полосе частот, занимаемой спектром преобразуемого сигнала x(t), а АЧХ фильтра описывается функцией (фиг.1,в) /м Г еслй мин - эмакс, По.еаи1,Ь,„,,.(10) После цифровой фильтрации СПМ преобразованного сигнала + у(1) равна (фиг.1,г) 6,(i 5xUVUlf l +U . f) u. г:: Ju,9V., Следовательно, СПМ шумов аналогоцифрового преобразования 5ацф(0 в преобразованном сигнале после цифровой фильтрации равна (фиг,1,г) :6.,,u,«.,u,° 0. Обработанная по алгоритму цифровой фильтрации последовательность цифровых отсчетов сигнала + y(i) в дальнейшем подвергается К-кратной децимации путем выделения из нее каждого К-го отсчета, соответствующего определенному интервалу времени длительностью Тдо. В результате формируется последовательность цифровых отсчетов + у(1) с требуемой частотой дискретизации Рдо 1|/Тдо 1 КТд, однозначно описывающая сигнал x(t). В результате уменьшения частоты дискретизации fд в К раз СПМ преобразованного сигнала + у(1) равна (фиг.1 ,д) с,иЧ 5.m 5x(i)-lcii)| -tхср-при f6{0, Рдо/2}, где 5хф - СПМ результирующего преобразованного сигнала с требуемой частотой дискретизации Рдо. Из уравнения (13) следует, что в результате выполнения описанной последовательности операций обеспечено аналого-цифровое преобразование сигнала x(t) с частотой Рдо, причем погрешность аналого-цифрового преобразования добавляется в виде шума, равномерно распределенного в полосе {О, Рдо/2}, с СПМ Saцф(f)(фиr.1,д): S „jn (0)-a + h f. Зацф ( f) КРдо Если аналого-цифровое преобразование сигнала x(t) производить традиционно, то СПМ преобразованного сигнала равна {фиг.1.а) s.(f)s.(f)-,c(f),-b-l lM LtJLl, где Sx(f) - СПМ сигнала + y{i), полученного обычным аналого-цифровым преобразованием с частотой дискретизации При сравнении уравнений (14) и (15) видно, что в случае выполнения преобразования и обработки сигнала x(t) предлагаемым способом СПМ шумов уменьшается в требуемое число К раз по сравнению с традиционным способом. Полученная погрешность аналого-цифрового преобразования Дацф сигнала x{t) в ТГраз меньше, чем погрешность Дац , обеспечиваемая используемым АЦП без какой-либо дополнительной обработки; Ffco. o. г «-,..,. j S ildb-Aa, )db При использовании статистической обработки для уменьшения в К раз погрешности аналого-цифрового преобразования в каждом периоде дискретизации Тдо потребуется как минимум К дополнительных отсчетов (2). Однако на протяжении периода дискретизации Тдо преобразуемый сигнал существенно изменяется, а гармоника, например, с частотой frnaKc при Рдо 2Тмакс меняет свой знак. В случае, когда обрабатываются сигналы с шириной спектра, намного меньшей его средней частоты ( AFs « fcp), преобразуемый сигнал может многократно изменять свой знак за время То, и в результате можно получить даже нулевой результат, что приведет к полной потере обрабатываемого сигнала. Следовательно, при использовании статистической обработки как способа увеличения точности аналого-цифрового преобразования переменных сигналов, особенно широкополосных, могут возникать существенные динамические случайные погрешности из-за того, что в пределах интервала усреднения преобразуемый сигнал существенно изменяется во времени. В первую очередь это относится к тем сигналам, спектр которых расположен в произвольной полосе частот с шириной, меньшей средней частоты спектра сигнала. При выполнении аналого-цифрового преобразования переменных сигналов с использованием предлагаемого способа обеспечивается требуемое уменьшение погрешности аналого-цифрового преобразования с полным исключением каких-либо динамических ошибок и искажений, присущих известному способу, независимо от параметров спектра преобразуемого сигнала. Таким образом, используя промежуточные преобразования параметров процесса дискретизации, предлагаемый способ обеспечивает заранее заданное увеличение точ ности аналого-цифрового преобразования сигналов, в том числе с полосовым спектром, при неизменном шаге квантования h по уровню мгновенных отсчетов сигнала, определяемом параметрами используемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Устройство, реализующее предлагаемый способ {фиг.2), состоит из первой 1 и второй 2 входных шин, АЦП 3, делителя 4 частоты, генератора 5 импульсов, цифрового фильтра б, блока 7 масштабирования, регистра 8, делителя 9 частоты и выходной шины 10. . Устройство работает следующим образом. По первой входной шине 1 на вход АЦП 3 поступает преобразуемый сигнал x(t), АЦП 3 преобразует сигнал x(t) в соответствующую последовательность цифровых отсчетов + у(0 с частотой дискретизации Рд 1/Тд. Запуск АЦП 3 осуществляется последовательностью импульсов, поступающих на его второй вход с выхода второго, делителя А частоты, Формируемая после АЦП 3 последовательность отсчетов преобразуемого сигнала + у(1) обрабатывается затем в цифровом фильтре 6. Полоса пропускания цифрового фильтра б равна полосе частот {fs мин, fs макс}, занимаемой спектром Sx(f) преобразуемого сигнала в пределах полосы анализа (О, Рд}: ии)м1 бмин 5Алакс Л м 5 макс iis/wHK)) ОЛ 5макс 5мин), где U(f) - АЧХ цифрового фильтра 6 в полосе анализа {О, Рд}; fs мин, fs макс - соответственно нижняя и верхняя частоты полосы частот, занимаемой спектром S(f) преобразуемого сигнала в пределах полосы анализа {О, Рд}; j(-)определенная функциональная зависимость. В результате обработки отсчетов с АЦП 3 на выходе цифрового фильтра 6 формируется последовательность хфквСТд) цифровых отсчетов, которая поступает на первый вход регистра 8 с периодом Тд 1/Рд. Регистр 8 выполняет функцию компрессора частоты дискретизации. На регистре 8 по синхроимпульсам, поступающим на его второй вход с первого делителя 9 частоты, производится уменьшение частоты дискретизации сигнала хфкв (1Тд) в К раз путем К-кратного равномерного прореживания последовательности цифровых отсчетов, поступающих на его вход. Таким образом, формируется результирущая последовательность цифровых отсчетов преобразуемого сигнала с требуемым периодом дискретизации Тдо: ХвыхОТдо) ХкфОКТд), которая поступает на выходную шину 10. Требуемые коэффициенты деления Кдт и Кд2 соответственно первого 9 и второго 4 делителей частоты следования импульсов, а также набор коэффициентов передаточной функции цифрового фильтра 6 устанавливаются по соответствующим управляющим кодам с блока 7 масштабирования в зависимости от ширины спектра ДРз преобразуемого сигнала и требуемого коэффициента Ко относительной точности аналого-цифрового преобразования. Значения ширины спектра ДРз преобразуемого, сигнала и требуемого коэффициента Ко относительной точности преобразования поступают на блок 7 масштабирования по второй входной шине 2. Коэффициент Ко относительной точности преобразования показывает, во сколько раз требуемая погрешность аналого-цифрового преобразования (5пр меньше погрешности преобразования дацп используемого АЦП 3: Ко Оацп / Оп где бацп - погрешность аналого-цифрового преобразования АЦП 3, определяемая его основными параметрами - шагом квантования h и апертурной неопределенностью дискретизации tal 5пр - требуемое значение погрешности аналого-цифрового преобразования сигнала x(t). На основании поступивших по шине 2 значений ДРз и Ко блок 7 масштабирования по наперед табулированной зависимости формирует на своих выходах соответствующие управляющие коды для первого 9 и второго 4 делителей частоты следования импульсов, а также перестраиваемого цифрового фильтра 6. Коэффициенты деления Кд1 и Кд2 определяются по следующим соотношениям: Кд1 ,(18) Кд2 Р2/Рдо Р2/М-АР8, (19) где F2 -частота следования импульсов, формируемых опорным генератором импульсов 5,М - коэффициент пропорциональности, определяемый по теореме Котельникова; Рдо М AFs. Значение передаточной функции по частоте U(f) перестраиваемого цифрового фильтра б определяется набором соответствующих весовых коэффициентов, описывающих полином передаточной функции или импульсную характеристику цифрового фильтра. Методы расчета весовых коэффи циентов цифрового фильтра в зависимости от Рд, ДРз, fs мин и fs макс хорошо известны. Также известны и методы построения и реализации перестраиваемых цифровых фильтров. На выходе первого делителя 4 частоты формируется последовательность импульсов запуска АЦП 3, поступающая на его второй вход с частотой следования Рд, путем деления частоты Ра следования импульсов опорного генератора 5 в Кд1 раз; Рд Р2/Кд1. Аналогично, путем деления в Кд2 раза частоты следования импульсов опорного генератора 5, на выходе первого делителя 9 частоты формируется последовательность импульсов с частотой следования Рдо, по t которым в регистре 8 производится децимация в Кдец раз последовательности отсчетов, поступающих с выхода цифрового фильтра 6: КдеЦ Кд1 / Кд2. (20) в цифровом фильтре 6 отсчеты преобразуемого сигнала ХквОТд) обрабатываются в темпе их поступления с АЦП 3 и в соответствующем темпе выдаются на регистр 8. При изменении параметров спектра сигнала x(t) или требований по точности его аналого-цифрового преобразования на блок 7 масштабирования поступают новые значения ДРз и Ко, по которым изменяются соответствующие параметры процесса аналого-цифрового преобразования - Кд1, Кд2, U(f), реализуемого предлагаемым устройством. Формула изобретения 1. Способ аналого-цифрового преобразования с коррекцией результатов, заключающийся в формировании в соответствующие моменты времени, равные, периоду дискретизации, последовательностиосновныхкодов, пропорциональных входному аналоговому сигналу, и одновременном формировании а течение каждого периода дискретизации последовательности дополнительных кодов, пропорциональных соответствующим значениям входного сигнала, формироваНИИ из последовательности основных и дополнительных кодов выходного кода,отл ичающийся тем, что, с целью повышения точности, после формирования последовательности основных и дополнительных кодов осуществляют фильтрацию полученной последовательности и формирование выходного кода осуществляют путем выделения К-го кода отфильтрованной последовательности, при этом формирование дополнительных кодов осуществляют равномерно в течение каждого периода дискретизации путем повышения в К раз частоты дискретизации, а фильтрацию осуществляют в полосе частот, соответствующей полосе частот, занимаемой спектром входного аналогового сигнала.

2. Устройство аналого-цифрового преобразования с коррекцией результатов, содержащее аналого-цифровой преобразователь и последовательно соединенные генератор импульсов, первый делитель

частоты и регистр, отличающееся тем, что, с целью пЪвышения точности, в него введены блок масштабирования, цифровой фильтр, второй делитель частоты, информационный вход которого соединен с выходам генератора импульсов, а выход - с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является входной шиной, а выходы через

цифровой фильтр соединены с соответствующими информационными входами регистра, выходы которого являются выходной шиной, управляющие входы цифрового фильтра, первого и второго делителей частоты соединены с соответствующими первыми, вторыми и третьими выходами блока масштабирования, вход которого является шиной Пуск.

Изобретение относится к вычислительной и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в информационно-вычислительных системах, использующих цифровую обработку сигналов. Цель изобретения - повышение точности аналого-цифрового преобразования. Цель достигается тем, что в предлагаемом способе используются промежуточные преобразования параметров процесса дискретизации. Для этого дискретизация сигналов производится с частотой в К раз выше требуемой, после чего цифровые отсчеты обрабатываются по алгоритму цифровой фильтрации, а получаемая последовательность отсчетов подвергается К-кратной децимации. 'Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит первую 1 и вторую 2 входные шины, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, первый 9 и второй 4 делители частоты следования импульсов ., перестраиваемый цифровой фильтр 6, блок масштабирования 7, регистр 8 и выходную шину 10. 2 с.п, ф-лы, 2 ил.(Лс

/5«йН JSrOKC

б $Ш

51 KS,O;

5,ц4 f-jio