Способ аналого-цифрового преобразования Советский патент 1993 года по МПК H03M1/06 G01R19/25 

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и предназначено для уменьшения избыточности измерительной информации при повышении точности ана- лого-цифрового преобразования.

Цель изобретения - уменьшение избыточности скорректированной измерительной информации при повышении точности аналого-цифрового преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу, включающему операции осуществления (т-Н)-у выборку мгновенных значений преобразуемой величины, формирования-по полученным выборкам (т + 1)-у аналоговую величину, формирование кодов, каждый из которых пропорционален соответствующей сформированной аналоговой величине, с последующим их запоминанием, вычисления конечной разности m-го порядка запомненной последовательности кодов, дополнительно осуществляют формирование 1-ой, аналоговой величины в вспомогательных тактах, где ,m, следующим образом: перед каждой i-ой выборкой производят запоминание значений предыдущих выборок, а одновременно с каждой i-ой выборкой выполняют масштабирование каждой из предыдущих запомненных выборок путем ее

умножения на коэффициент Ki pm-qm,k. где

.l-1. pm

1

r«-i L2 m-j

м-/ . qm,K Cm-1+k,

,CNL

- число сочетаний из N элементов по L, а i-ой выборки - на коэффициент , суммируют полученные масштабированные значения выборок, а (т+1)-ю аналоговую величину в основном такте формируют идентичным образом при условии, что -qm.k, a .

Таким образом, предлагаемый способ заключается в следующей последовательности операций, выполняемых в рамках каждого цикла преобразований, состоящего из m вспомогательных и (пл+1)-го основного тактов: осуществляют (т+1)-у выборку мгновенных значений преобразуемой величины, по полученным выборкам формируют (т+1)-у аналоговую величину, .причем для формирования 1-й аналогового величины в вспомога- , тельных тактах преобразования, где ,m, ; перед каждой i-й выборкой производят запоминание значений предыдущих выборок, а одновременно с каждой i-й выборкой выполняют масштабирование каждой из предыдущих запомненных выборок путем ее. умножения на коэффициент Ki pm-qm.k, где К€

.М. Рт 1

CFJT-M

fjn-t

. qm,k Lm-Hk.

CNLсл

с

00

о о ел ю ю

числе сочетаний из N элементов no L, а 1-й выборки - на коэффициент К.рт, суммируют полученные масштабированные Значения выборок, а (т+1)-ю аналоговую величину в основном такте формируют идентичным образом при условии, что qm,k, a . формируют коды, каждый из которых пропорционален соответствующей сформированной аналоговой величине, с последующим их запоминанием, вычисляют конечную разность m-ro порядка запомненной последовательности кодов.

Все операции над аналоговыми сигналами и их цифровыми эквивалентами, осуществляемые в предлагаемом способе, известны и широко применяются. Однако, такие их сочетание и последовательность выполнения, позволяющие сократить избыточность измерительной информации при повышении точности аналого-цифрового преобразования, авторам не известны. В силу этого предлагаемый способ содержит новизну и соответствует критерию .Существенные отличия.

Сущность предлагаемого способа заключается, в следующем. Производят (т+1)- ю выборку мгновенных значений преобразуемой величины {Xi}, ,m+1. Формируют цикл из т+1 тактов преобразований, первые m из которых вспомогательные, а (т+1)-й - основной такт. В каждом 1-м вспомогательном такте текущую выборку

умножают на коэффициент рт -ргсп- и

Cj-Vil

суммируют результат умножения с предыдущими выборками {Xi-k}, .,i-1, предварительно умножив их на коэффициенты ртх xqm,k Cm-Hkm 1/C2m-irn 1, соответственно. Сформированный таким образом сигнал

Zr сЖ 0

C, . m-1 v. , m-1+k Ai-k

1

Cm-1-нЛ1 Xi-k+Si (2)

Y Zl+Sl TpFl- o

С 2 rn 1 К-О

запоминают (где Si - погрешность нескорректированного аналого-цифрового преобразования в i-м такте). В (т+1)-м основном такте текущую выборку Xm+i суммируют с предыдущими выборками {Xm+i-k}, ,m, предварительно умножим их на соответствующие коэффициенты pm Qm.k. Сформированный таким образом сигнал

подвергают аналого-цифровому преобразованию, а полученный код

t-f

лт - 1-«

рГП-П ,Јi L2 т-1 k- I

. т-1

Cm-Hk 1 Xm+1-k (3)

подвергают аналого-цифровому преобразованию, в результате которого получают код

Ym+1 Zm+1+Sm+1 Xm+1 +

(4)

+

AmYm+l V ( YnvH-j,

1m + rJ-i У Cm-Hkm Xm-Hk+Sm+1

.

который запоминают (где Sm+i - погрешность нескорректированного преобразования в (т+1)-м такте).

Далее вычисляют конечную разность гл- го порядка запомненной последовательности {Yi }, ,m+1 цифровых кодов, полученных в результате нескорректированных аналого-цифровых преобразований,

по формуле

m . ..

и тем самым получают к концу цикла преобразований результат скорректированного аналого-цифрового преобразования аналоговой величины Xm+i:

АтУт+Г Xm-M+ AmSm+i Ym+i(6) где AmSm+i конечная разность m-го поряд-, ка погрешности в (т+1)-м такте.

Пользуясь свойством линейности оператора конечной разности имеем:

AmYm+l Am Zm+1+ д m+i AmZm+1+

+Дт(5т+1

Теперь покажем, что AmYm+r Ym+i, т.е. докажем равенство AmZm-n Xm-n. Для этого запишем в соответствии с (5)

m. A Zm+1 2L (-1) Cm+Zm-f1-j Zm+1+

m - , ,

+ L (- CmJZm+i-j j-l . . Подставив в последнее выражение Zm+i из формулы (3) и Zm-H-j из (1),получим

45

40

AmZm+1 Xm-H +

m

TTk5i

Cm-1+km Xm+1-K

+ЖЦ

L (

m-j

г . Cm-H k

1 v

Xm + 1-j-k Xm + 1 + -ггЬг{ 2„СЯМ+k Хт-И-k

rpFV.-i

L2m -1

50

fm-J . (-чУсЦЕ сИ+kXm+H-k}

Сумма, заключенная в фигурные скобки, при любом значении целого положительного числа т, тождественно равна нулю. На- сс пример, для получим, что

222-J

УCHk1 X3-k+ У(-iyC2J I Ci+k1 Хз-j-lrk 1j 1k 0

C21 Х2+Сз1.Х1-С21 (Х2+С21 Xi)+Xi 2X2+3Xi -2X2-4Xi+Xi«0

Таким образом, справедливость выражения (6) доказана. Теперь покажем преимущества предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования по сравнению с прототипом и аналогом.

В прототипе и аналоге скорректированный код в 1-м такте имеет вид:

Y-,X|+ Am di-Xi+ 2f(-1)k Cm v к -

где Xi - истинное значение преобразуемой аналоговой величины X в l-м такте; Дт д - конечная разность m-ro порядка погрешности нескорректированного аналого-цифрового преобразования в l-м такте.

Для эффективного подавления высокочастотной составляющей погрешности 5j (t) алгоритм конечной разности m-ro порядка необходимо осуществлять избыточную дискретизацию во времени, т.е. с частотой, пре- вышающей частоту по теореме Котельникова в несколько раз. Иначе имеет место удаление, а не подавление высокочастотной погрешности.

Действительно, спектральная плот- ность мощности на выходе конечно-разностногофильтра имеет

) О) -2т (1 -cosG)T0

где S(5 (w) - спектральная плотность мощ- ности исходного шума д();

То - шаг дискретизации.

Подавление погрешности д (t) будет

Sffdp) Sd()

Определим шаг дискретизации Т0 (частоту дискретизации f0 -F-) при котором буlo

дет выполняться это неравенство: 2т(1-соз2л:тТо)

Т0 -Дг или f0 6f от

Таким образом, из последнего неравенства видно, что дискретизацию необходимо осуществлять с частотой , где fm - наивысшая частота спектра шума. В соответствии с этим по прототипу и аналогу за интервал наблюдения Т получаем N Т

иметь место, если

1.

То

6fmT скорректированных результатов

измерений.

По предлагаемому способу количество получаемых на выходе скорректированных результатов аналого-цифрового преобрэзо- вания при прочих равных условиях будет 1 N

N

поскольку в каждом цикле

m + 1 преобразований получается только один

5

10

15

0

5

,

0

5

5

0

0

5

скорректированный результат преобразования Jm+1, формируемый согласно выражению (6), путем вычисления конечной разности т-го порядка из последовательности т+1 промежуточных (вспомогательных) преобразований. Примечательным является тот факт, что при этом погрешность скорректированного результата преобразования Ym+i определяется как Ат бт + 1 if ( 1 )k Cm c5m + 1-k т.е.

уменьшая избыточность выходных кодов полезного сигнала по предлагаемому способу эффект фильтрации погрешности равносилен такому же эффекту, получаемому по прототипу и аналогу.

Уменьшение избыточности выходной информации приводит к очень важному преимуществу предлагаемого способа по сравнению с прототипом, которое заключается в следующем. По прототипу каждый скорректированный результат преобразования получается путем выполнения операции вычисления конечной разности в каждом i-м такте. Поэтому количество этих операций равно N, т.е. количеству выходных кодов. По предлагаемому способу операция вычисления конечной разности выполняется всего один раз за цикл преобразования, включающий т+1 тактов преобразований. Поэтому количество этих операций за интервал наблюдения получается в т+1 раз меньше по сравнению с прототипом.

Таким образом, предлагаемый способ, сохраняя преимущество прототипа по подавлению погрешности конечно-разностной фильтрацией при отсутствии обратного преобразования, способствует исключению избыточности в последовательности выход-- ных скорректированных результатов и в количестве операций вычисления конечной разности. Эти преимущества важны с точки зрения упрощения реализации предлагаемого способа.

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит: ячейку 1 выборки-хранения (ЯВХ), последовательно включенные m ЯВХ 2-1+-2-ГП, т + 1 масштабирующих усилителей З-О-3-m, аналоговые коммутатор 4 и сумматор 5, анало- ro-цифровой преобразователь (АЦП) 6, управляющее вычислительное устройство (УВУ) 7, шину 8 управления.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, (перед началом каждого цикла преобразования) все тактируемые узлы (ЯВХ 1, ЯВХ 2 1-2-т, коммутатор 4, АЦП 6) сигналом шины 8 управления

точности, формирование 1-й аналоговой величины в вспомогательных тактах, где k ,m, осуществляют следующим образом: перед каждой l-ой выборкой производят запоминание значений предыдущих выборок, а одновременно с каждой i-й выборкой выполняют масштабирование каждой из предыдущей запомненной выборки путем ее умножения на коэффициент qm.k.

где Ке 1.1-1. рт 1

C|m.kr Cm-1- k

ГТ1-1

0

сйЯ

С - число сочетаний из N элементов по L, а 1-й выборки - на коэффициент , суммируют полученные масштабированные значения выборок, а (т+1)-ю аналоговую величину в основном такте формируют идентичным образом при условии, что Qm,k, а .

Изобретение отнорится к цифровой вычислительной технике и предназначено для уменьшения избыточности измерительной информации при повышении точности ана; лого-цифрового преобразования. 1 ил.