ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ КОД Советский патент 1974 года по МПК H03M1/50 

1

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в преобразователях напряжения в цифровой код.

Известен аналого-цифровой преобразователь с автоматическим квантованием измеряемого напряжения U во времени с одновременным квантованием по амплитуде таким образом, чтобы погрешность восстановления ее не превышала заданной величины с определенной вероятностью.

Особенность этого преобразователя состоит в том, что к устройству управления преобразователя апалог-код, построенного по принципу поразрядного уравновешивания измеряемого напряжения U рядом образцовых напряжений Uo, подключают счетчик, реверсивный счетчик и логическое устройство, служаш,ее для подсоединения к выходу цифро-аналогового преобразователя или ко входу сравниваюш.его устройства дополнительных образцовых напряжений обоих знаков .

В результате измерения напряжения f/x, определения приращения его за время Г (интервал квантования) и сравнения этого прираш,ения с абсолютным значением |At/o| в устройстве используется автокорреляционная функция измеряемого напряжения f/x для определения интервала квантования Т.

Интервал квантования Т после каждого сравнения приращения сигнала t/x с абсолютным значением изменяется только на постоянную величину, равную единице дискретности АГ интервала Т, независимо от скорости изменения входного сигнала, из-за чего увеличивается время адаптации (переходный процесс) и растет погрешность измерения. В предельном случае минимальный интервал

квантования определяется временем измерения методом поразрядного уравновешивания /п.чм и тем самым ограничивается верхняя граничная частота спектра входного сигнала. Целью изобретения является ускорение переходного процесса, увеличение точности измерения при поиске рационального временного интервала квантования для сигналов, представляющих случайные нестационарные процессы, и уменьшение динамической погрешности устройства.

Для этого в преобразователь введены онерационный усилитель, суммирующее устройство, устройство мажоритарной выборки, устройство неревода кода и компараторы погрешностей восстановления входного сигнала, первые входы которых подключены ко входу всего устройства, вторые входы - к выходам суммирующего устройства, а выходы - ко входам устройства мажоритарной выборки,

выходы последнего через устройство перевода

кода соединены со входами сумматора интервала квантования, одни входы суммирующего устройства через операционный усилитель подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя, а другие входы - к выходу источника дополнительных образцовых напряжений, регистр цифро-аналогового преобразователя выполнен в виде сумматора, входы части разрядов которого подключены к соответствующим выходам устройства перевода кода, а выход компаратора максимального уровня погрещности восстановления входного сигнала соединен с одним из входов устройства управления.

Таким образом, благодаря вновь введенным узлам и связям в устройстве осуществляется адаптивное временное квантование сигналов, представляющих собой нестационарные эргодические процессы, за счет изменения единицы дискретности АГ в зависимости от локального изменения спектра (или корреляционной функции) входного сигнала при сохранении заданной погрешности восстановления приращения At/0 и, кроме того, расширяется спектр измеряемых сигналов за счет уменьшения времени преобразования его мгновенных значений.

На чертеже приведена функциональная блок-схема преобразователя.

Преобразователь напряжения в цифровой код содержит сравнивающее устройство 1, цифро-аналоговый преобразователь 2, суиматор-регистр памяти 3, работающий как регистр памяти, устройство управления 4, сумматор 5 интервала квантования, счетчик 6, логическое устройство 7, источник дополнительных образцовых напряжений 8, оцерационный усилитель 9, суммирующее устройство 10, компараторы 11, устройство мажоритарной выборки 12, устройство перевода кода 13.

Преобразователь работает следующим образом.

Под действием сигнала «пуск преобразователь измеряет входной сигнал t/x методом поразрядного уравновешивания в момент времени t. В измерении участвуют сравнивающее устройство 1, цифро-аналоговый преобразователь 2, сумматор-регистр памяти 3, работающий как регистр памяти, устройство управления 4. На триггерах сумматора-регистра памяти 3 в коде запоминается значение измеряемого сигнала в момент времени t, т. е. t/x(0 Uo(t), где /о - напряжение на выходе цифро-аналогового преобразователя 2.

После окончания измерения входного сигнала f/x с окончанием последнего такта в цикле измерения I/x от устройства управления 4 на сумматор 5 интервала квантования поступает сигнал перезаписи его кода в счетчик 6.

На счетчик 6 от устройства управления 4 поступают тактовые импульсы, и он формирует интервал квантования Т. Импульс окончания интервала Т в момент времени t-i-T подается от счетчика 6 в устройство управления 4. От

этого сигнала при помощи сравнивающего устройства 1, цифро-аналогового преобразователя 2, устройства управления 4 и логического устройства 7 определяется знак приращения входного сигнала U. Для этого сравниваются напряжения

U() fJo(f) U(t + T)

и в зависимости от результата сравнения преобразователь работает следующим образом, а) в случае, если

u,(t)u,(t):u,(t+T),

то сигналом от сравнивающего устройства 1 в устройстве управления 4, логическом устройстве 7 и в источнике дополнительных образцовых напряжений 8 производятся соответствующие переключения, в результате которых на следующем такте, т. е. в момент времени -j-T-f-A (А - время длительности одного такта преобразователя) к напряжению f/o прибавляются напряжения погрешностей , А(/2, ..., Af/n.

Напряжение UQ образуется на выходе операционного усилителя 9. Величина напряжения At/1 задается оператором. Значения напряжений погрешностей At// (, 3, ..., п) определяются через погрещности At/i согласно равенству .

К выходному напряжению f/o цифро-аналогового преобразователя 2 прибавляется напряжение источника дополнительных образцовых напряжений 8, равное заданной погрешности восстановления At/o.

Напряжение At/o задается, например, равным 2At/i, причем масштаб его может изменяться. При таком задании погрешности восстановления входного сигнала всегда погрешность дискретности измерения сигнала t/x будет меньше погрешности восстановления. Напряжение Uo и напряжения погрешностей At/, At/2, ..., At/n прикладываются к суммирующему устройству 10, которое может быть выполнено, например, на резисторах.

На выходах суммирующего устройства 10 образуются суммы напряжений , t/o+iAt/2, ..., t/o+At/n, которые подаются на входы компараторов 11 погрещностей восстановления входного сигнала, количество которых равно числу сумм напряжений t/o-f At/j, где , 2, 3, ..., п.

Напряжение t/o+At/o определяет условие роста интервала квантования Т в случае, когда приращение текущего значения измеряемого сигнала t/x не превышает суммы напряжений (t/o+A(7o).

Это определяется сравнивающим устройством 1. На этом же такте, на котором «опрашиваются, компараторы 11 ошибок восстановления входного сигнала, нроисходит сравнение текущего значения входного сигнала t/x ( со значением сумм напряжений

0 + Ш,; ио + Л,; fJo + Ш„. Количество выходов суммирующего устройства 10 зависит от диапазона задаваемых погрешностей восстановления входного сигнала. В пределе сумма дискретных значений погрешностей может выбираться равной пределу измерения входного сигнала. В результате после срабатывания только тех компараторов 11 погрешностей восстановления входного сигнала, на входах которых оказалось, что lf/,( + 7 + + Af/oih в устройство мажоритарной выборки 12 подаются кодовые сигналы, которые им фиксируются, а интервал квантования Т при этом остается неизменным. Подобные сравнения осуществляются т раз, каждое из которых следует через время Л Результаты т-кратного сравнения текуш;его значения измеряемого сигнала / с погрешностями восстановления фиксируются устройством мажоритарной выборки 12. т определяется из оптимального соотношения между требуемыми значениями помехоустойчивости и быстродействием устройства. После прохождения т тактов, т. е. по истечении времени тМ, от устройства управления 4 подается сигнал на устройство перевода кода 13, по которому код усредненного значения от сработавших комттараторов 11 погрещностей восстановления входного сигнала переводится в код с основанием, принятым в сумматорах 5 и 3, и полученный переведенный код складывается с кодом сумматора 5 интервала квантования и сумматора 3, совмещенного с регистром памяти, цифро-аналогового преобразователя 2. Таким образом, приращение текущего значения входного сигнала f/x. и в результате этого на цифро-аналоговом преобразователе 2 фиксируется следующее измеренное значение UQ. При этом сокращается общее время преобразования. Кроме того, прибавление кода в сумматоре 5 интервала квантования уменьшает интервал квантования Г на время /САГ, которое соответствует изменению входного сигнала за предыдущий интервал квантования Т и за время мажоритарной выборки тА (Л - коэффициент, численно равный коду погрешности восстановления, определяемый в устройстве мажоритарной выборки за указанный интервал времени Т-{-тМ, а АГ - минимально возможный интервал квантования). Однако после сигнала «пуск в сумматоре 5 интервала квантования было записано максимальное число, соответствующее минимальному врелтени квантования Гм-щ. Поэтому после первого измерения всегда выполняется условиеf/( + 7 + + Af/,, т. е. ни один из компараторов И и сравнивающее устройство 1 не срабатывают, и с логического устройства 7 на сумматор 5 интервала квантования будет подан сигнал на уменьшение кода на единицу, соответствуюгций увеличению интервала квантования Т на АГ. Далее устройство управления 4 начинает определение следуюшего интервала квантования Т, исключая преобразование сигнала U методом поразрядного уравновешивания. В случае, если на одном из последующих измерений изменения текущего значения входного сигнала U за время интервала квантования, состоящего из отрезков времени Г+ (где 4А - время, затрачиваемого на следующие операции: на определение знака приращения текущего значения входного сигнала L, на сравнение текущего значения сигнала с заданной погрешностью Af. на определение приращения в коде и на суммирование его с кодом напряжения Ug. окажется, что текущее значение сигнала U превышает уровень напряжения t/o+At/,,, то с выхода компаратора/Сп группы компараторов 11 на устройство управления 4 подается сигнал, по которому производится поразрядное преобразование сигнала /7,;. Далее преобразователь снова оценивает только приращения входного сигнала, -по которым образуются новые значения напряжения f/o и его кода, соответствующие результатам преобразования напряжения t/x поразрядным уравновешиванием. Интервал квантования Г может возрастать даже в промежутках между временем начала и конца работы устройства мажоритарной выборки 12, т, е. на одном из тактов тЛ В случае, если U,{f)U(t + n логика работы устройства сохраняется, а некоторые особенности его работы заключаются в следующил. В момент врелтени /-f-T+Ai из напряжения С/о на выходе операционного усилителя 9 вычитаются напряжения АС/ь Af/n и напряжение At/o вычитается из напряжения t/o- выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя 2. На выходе суммипующего устройства 10 образуются следующие суммы напряжений: ио Ш,- ио Ш,; ...ио- Ш„. При if/ Cz-f r + A/)i(7o-At/,) ни один из компараторов 11 и сравнивающее устройство 1 не срабатывают и сигналом от логического устройства 7, в формировании которого участвует устройство управления 4, интервал квантования Г при помоп1и сумматора 5 интервала квантования увеличивается на минимально ВОЗМОЖНУЮ величину АГ, а код напряжения f7o на сумматоре 3 остается без изменения. Далее начинается определение интервала квантования Г с последующими операциями определения знака и величины приращения сигнала t/x- Процесс увеличения интервала квантования Г на величину АГ продолжается

до тех пор, пока пе сработает сравнивающее устройство 1. В этом случае интервал квантования будет уменьшаться скачком на величину КАТ.

При этом будет проверяться условие

( + Г + Д)|()

в течение т тактов сравнения. Значение кода компараторов в этом случае, как и ранее с устройства мажоритарной выборки 12, подается через устройство перевода кода 13 в сумматор 5 интервала квантования, где суммируется с ранее хранимым в нем кодом. С учетом знака код с устройства перевода кода 13 одновременно подается в сумматор 3 цифроаналогового преобразователя 2 для формирования нового значения напряжения UQ и его кода.

Выходной код измеряемого сигнала 17х на каждом цикле измерения считывается с параллельного выхода сумматора-регистра памяти 3, выходной код интервала квантовавия считывается с параллельного выхода сумматора 5 интервала квантования. Начало первого измерения в преобразователе определяется временем прихода сигнала «пуск, а начала всех последующих измерений происходят после изменения кода сумматора 5 интервала квантования.

Итак, при первом измерении преобразователь измеряет входной сигнал методом поразрядного уравновещивания и затем определяет и корректирует интервал квантования. В случае, если текущее значение входного сигнала не превыщает ббльщего значения заданного уровня на компараторах погрешностей восстановления 11, то время измерения сигналов поразрядным уравновешиванием исключается, а результат нового измерения сигнала f/x образуется путем суммирования величины изменения сигнала с предыдущим измеренным значением, что позволяет допустить ббльшую скорость изменения сигнала U. При этом происходит установление и непрерывное поддержание оптимального интервала квантования входного случайного нестационарного сигнала.

Предмет изобретения

1.Преобразователь напряжения в цифровой код, содержащий сравнивающее устройство, соединенное с выходом цифро-аналогового преобразователя, устройство управления, к выходу которого подключен сумматор интервала квантования и счетчик и через логическое устройство источник дополнительных образцовых напряжений, отличающийся тем, что, с целью ускорения переходного процесса и увеличения точности измерения при поиске рационального временного интервала квантования для сигналов, представляющих случайные нестационарные процессы, в него введены операционный усилитель, суммирующее устройство, устройство мажоритарной выборки, устройство перевода кода и компараторы погрещностей восстановления входного сигнала, первые входы которых подключены к входу всего устройства, вторые входы - к

выходам суммирующего устройства, а выходы - к входам устройства мажоритарной выборки, выходы последнего через устройство перевода кода соединены с входами сумматора интервала квантования, одни входы суммирующего устройства через операционный усилитель подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя, а другие входы-к выходу источника дополнительных образцовых напряжений.

2.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения динамической погрешности устройства, в нем регистр цифро-ана.ггогового преобразователя выполнен в виде сумматора, входы части разрядов которого подключены к соответствующим выходам устройства перевода кода, а выход компаратора максимального уровня погрешности восстановления входного сигнала соединен с одним из входов устройства управления.

Приоритет по п, 2: 10.02.72

и.

-|-aJ / рЦ