Аналого-цифровой фильтр Советский патент 1980 года по МПК G06F17/10 H03H17/00 

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано, в частности, в цифровых фильтрующих и сглаживающих системах.

Известен цифровой фильтр, соДержащий преобразователь аналогкод , динамический регистр на 256 чисел, две группы схем сравнения на 256 чисел каждая, 256 реверсивных счетчиков, постоянную память, сумматов параллельного типа, устройство управления, два датчика равномерно распределенных случайных чисел и ряд вспомогательных элементов

Недостатки этого фильтра - сложность, низкое быстродействие, связанное с последовательным выполнением операций аналого-цифрового преобразования и собственно фильтрацией, и низкая динамическая точность, связанная с тем, что при обработке информации производится преобразование кодов чисел в эквивалентную вероятность.

Известно устройство, которое содержит блок упрагзления, два вероятностных матричных умЕЮЖителя, два

сумматора, пять блоков элементов И, многоразрядный регистр сдвига, один статический регистр, причем к первому входу каждого вероятностного умножителя подключены последовательно соединенные блок вероятностного округления, блок разрядных двухвходовых элементов И, регистр и постоянные памяти, а ко второму входу каж0дого вероятностного матричного умножителя подключены последовательно соединенные блок вероятностного округления, блок разрядных элементов И и регистры 2.

5

Это устройство сложно по конструктивному выполнению, а также имеет низкие быстродействие и данимическую точность.

Наиболее близким по технической

0 сущности к изобретению является аналого-цифровой преобразователь, который состоит из датчика двоичных случайных чисел, преобразователя код-напряжение, аналоговой схемы

5

сравнения, двух двоичных накопительных счетчиков, элементов И, элемента задержки и предназначен для преобразования входного напряжения на 0 интервале Т в цифровой двоичный код.

Вероятностный преобразователь выполняет функцию фильтра нижних частот 3.

Недостаток преобразователя заключается в том, что усреднение (фильтрация) производится на интервале времени Т. После истечения интервала Т необходимо заново накапливать сумму отсчетом на следующем интервале Т, Таким образом, одним из недостатков является низкая динамическая точность при преобразовании и фильтрации изменяющихся во времени аналоговых сигналов, обусловленная большим интервалом дискретизации при выдаче преобразованного и отфильтрованного сигнала. Другим недостатком преобразователя явля-. ются узкие функциональные возможности, что приводит к низкой точности преобразова{1ия и фильтрации, связанные с тем, что предназначены для прес бразования и фильтрации толко однополярных сигналов.

Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения преобразования и интегрирования разнопол ярных сигналов и получения первой производной исследуемого сигнала.

Поставленная цель достигается те что в аналого-цифровой фильтр, соде ржащиЙ1 элемент И, блок считывания элемент задержки, блок управления, датчик случайных величин и схему сравнения, первый вход которой подключен к входу фильтра, второй вход к выходу датчика случайных величин, вход которого подключен к первому.входу блока управления, второй выход которого подключен к входу элемента задержки, введены реверсивный счетчик, блок коррекции, элемент ИЛИ, вторая схема сравнения, элемен НЕ и блок определения знака, вход, которого и вход элемента НЕ соединены со входом фильтра, выход элемента НЕ подключен к первому входу второй схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу датчика случайных величин, выходы первой и второй схем с)авнения соединены сюответственно со входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход элемента И подключен к первым входам реверсивного счетчика и блока коррекции, первый выход которого подключен к второму входу реверсивного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока считывания, второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блока управ.Ления соединен со вторым входом блока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счечика подктао; ены к выходу блока определения знака,.третий выход блока управления соединен со вторым входом элемента И, выход блока считывания, первый и второй выходы блока коррекции являются выходами фильтра. Кроме того, блок коррекции содержит элемент задержки и поледовательно соединенные реверсивн счетчик, первое устройство считывания, оперативные, запоминающее усройство и второе устройство считывания, выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому ду реверсивного счетчика, управляющий вход которого и управляющий вход .второго устройства считывания соединены с выходом элемента задержки, вход которого и управляющий вход первого устройства.считывания соединены со вторым входом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход первого устройсва считывания соединен со вторым выходом блока.

На фиг. 1 приведена блок-схема аналого-цифрового фильтра; на фиг. 2 - пример реализации блока коррекции.

Аналого-цифровой фильтр содержит блок 1 определения знака, элемент НЕ 2, схемы сравнения 3 и 4, элемент ИЛИ 5, датчик 6 случайных величин, элемент И 7, блок 8 управления, реверсивный счетчик 9, блок 10 коррекции, блок 11 считывания, элемент 12 задержки, реверсивный счетчик 13, устройство 14 считывания, оперативное 5апо 1инающее устройство 15, устройство 16 считывания, элемент 17 задержки.

Блок 1 определения знака предназначен для определения полярности аналогового сигнала и выработки управляющих сигналов для управления процессом суммирования, если аналоговый сигнал положительной полярности, или вычитания (в протином случае) импульсов в реверсивны счетчиках 9 и в блоке коррекции

Датчик 6 предназначен для выработки случайных аналоговых величин со случайным, например равномерным распределением мгновенныхзначений амплитуд, не выходящих за пределы динамического диапазона изменения входного сигнала.

Реверсивный счетчик 9 предназначен для накопления импульсов с выхода элемента И. При этом, для реализации скользящего режима суммирования по истечении каждого интервала времени (до выдачи кода из счетчика 9 через блок 11 считывания) из кода счетчика 9 вычитается код, поступающий из блока 10 коррекции.

Блок 11 считывания может предстлять, например, группу элементов И, число которых равно разрядности считываемого кода и управляющие входы которых объединены и подсоединены к выходу элемента 12 задержки.

Блок 8 управления обеспечивает работоспособность всего фильтра в целом путем синхронизации работы всех его узлов и блоков. С выхода блока 8 управления на вход датчика 6 поступают импульсы с максимальной частотой для обеспечения необходимости точности преобразования аналог-код, которая зависит от числа испытаний Л. На вход элемента И с выхода блока 8 управления поступают импульсы той же частты, но несколько задержанные (на время переходных процессов), С выхода блока 8 управления на вход блока 10 коррекции и на элемент 1 задержки поступают импульсы с интервалом ut .

Реверсивный счетчик 13 так же , как и счетчик 9, предназначен для подсчета импульсов с выхода элемента И 7, но только за время (поэтому имеет меньшую разрядность). Оперативное запоминающее устройство 15 предназначено для хранения кодов, пропорциональных интегралам от входного сигнала на интервалахл1 за интервал времени t,l -Т-at. ; В функции блока 10 входит корректировка результата преобразовани и интегрирования в счетчике 9 перед передачей этого результата на выход через блок 11 считывания с .целью получения выходной величины, пропорциональной точному значению интеграла от входного сигнала на интервале времени l,t-T, вычисляемого с дискретностью it .

Возможны и другие конструктивные решения блока коррекции. Например, можно заменить реверсивный счетчик 13 на последовательно соединенные интегратор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход интегратор в этом случае подключается к входу фильтра. Можно вместо счетчика 13 поставить только АЦП, производящий аналого-цифровое преобразование входного сигнала один раз в середине каждого интервала. Эти величины можно с некоторой точностью считать эквивалентами интегралу на интервале ut .

Аналого-цифровой фильтр работает следующим образом.

На вход фильтра подается фильтруе1 ый входной сигнал. Для определенности будем считать, что это медленно изменяющееся напряжение постоянного тока с аддитивной случайной помехой. Датчик 6 случайных величин вырабатывает напряжение постоянного тока, амплитуда которого изменяется в пределах от О до максимального (ожидаемого) значения входного сигнала по случайному закону с равномерным распределением. Датчик 6 может содержать последовательно соединенные датчик двоичных случайных чисел и цифроаналоговый преобразователь. Если аналоговый сигнал имеет положительную полярность, то на вход

0 схемы 4 сравнения он поступает с отрицательной полярностью, а на выходе блока 1 определения знака вырабатывается такой сигнал, что реверсивные счетчики 9 и 13

5 производят суммирование импульсов с выхода элемента И, которые образуются следующим образом.

Если входной сигнал превышает по, амплитуде сигнал с выхода датчика 6, то на выходе схемы 3 формирует0ся импульс, поступающий через элементы 5 и 7 на счетный вход счетчика 9 и одновременно на счетный вход счетчи-ка 13. После прохождениям тактовых импульсов в счетчике 13

5 накапливается число ,пропорционаипьнов интегралу входного сигнала наинтервале времени д1 . Это -число передается в ОЗУ 15, а счетчик 13 обнуляется. В счетчике 9 продолжается накоп0ление импульсов. После прохождения времени T-K-ut в ОЗУ 15 будут заполнены К чисел, пропорциональных интегралу входного сигнала на каждом интервале.

5

В счетчике 9 к этому моменту будет число, пропорциональное интегралу от входного сигнала на интервале Т. После формирования (К + 1)-го числа в счетчике 13

0 оно перелается в ОЗУ 15, а из последнего в счетчик 9 передается число, сформированное на интервале utj , для вычитания. Информация в ОЗУ 15 при этом сдвигается таким образом, что в первой ячейке записывается

5 число,бывшее во 2-ой ячейке,и т. д., а в К-ю ячейку заносится (К+1)-ое число. В счетчике 9 же при этом опять оказывается число, пропорциолальное интегралу от входного сигнала на

0 интервале Т. В этот же момент (после окончания процесса вычитания) информация из счетчика 9 передается через блок 11 считывания на выход. Таким образом, после окончания пе5реходного процесса информация на выходе цифрового фильтра появляется с дискретностью по времени (Л. .

Если аналоговый сигнал имеет отрицательную полярность, то на вход

0 схемы 4 он поступает с положительной полярностью и импульсы, поступающие через элементы 5 и 7, формируются на выходе cxeNttj 4. Работа фильтра протекает так же, как опи5сано выше, за исключением того, что jjesepcHBHue счетчики 9 и 13 вычитают поступающие на их вход импуль сы.. В динамике одна или несколько перемен знака сигнала может произо ти не только за время Т, но даже за время ut . В соответствии с пере меной знака реверсивные счетчики переключаются то на суммирование, то на вычитание и в результате получается точное значение интервала от входного сигнала на интервалел1 в счетчике 13 и на интервале.Т и Т+ At в счетчике 9. Таким образом, расширены функциональные возможности и повышена точность работы фильтра, проявившиеся в том, что стало возможным преобразовывать и интегрировать (фильтровать) разнополярные сигналы, в том числе иглеющие большое количество перемен знака на интервалах времени Т и at. Применение же известного устройства для преобразования и- фильтрации такого рода сигналов приводило бы к существенным погрешностям, так как отрицательные полуволны сигналов как бы срезались. Кроме того, при сохранении той же памяти .фильтра Т (постоянной интегрирования), что и «в известном устройстве, достигнута возможность существенного уменьшения периода дискретности выдачи информации (до величины At- Т/К), что приводит к уменьшению динамической .ошибки при непрерывной фильтрации. Имеется три выхода фильтра, с которых снимаются три преобразован и отфильтрованных значения сигнала. Коды со второго и третьего выходов фильтра соответствую значениям (отфильтрованным) сигнала в начале и в конце интервала Т, а это делает возможным получить первую производную исследуемого сигн ла, чего невозможно бьшо сделать при использовании известного устрЬйства. Изобретение может быть использо вано для спектрального анализа, т как блок коррекции хранит информацию о всех элементарных интегр лах в интервале времени Ct,t-T-ai Причем применение рассмотренного ф тра для спектрального анализа приврдит к повышению точности спе трал|ного анализа, так как при ра чете спектральных коэффициентов и пользуются элементарные интегра а не просто квантованные значения исходного сигнала для конкретного мента времени в интервале. Формула изобретения 1. Аналого-цифровой фильтр, со держащий элемент И, блок считыван элемент задержки, блок управления, датчик случайных величин и схему сравнения, первый вход которой подключен к входу фильтра, второй входк выходу датчика случайных величин, вход которого подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к входу элемента задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения преобразования и интегрирования разнополярных сигналов и по.лучения первой производной исследуемого сигнала, в него введены реверсивный счетчик, блок коррекции, элемент ИЛИ, вторая схема сравнения, элемент НЕ. и блок определения знака, вход которого и вход элемента НЕ соединены со входом фильтра, выход элемента НЕ подключен к первому входу второй схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу датчика случайных величин, выходы первой и второй схем сравнения соединены соответственно со входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход элемента И подключен к первым входам реверсивного счетчика и блока коррекции, первый выход которого подключен к второму входу реверсивного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока считывания, второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блока управления соединен со вторым входом блока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счетчика подключены к выходу блока определения знака, третий выход блока управления соединен йо вторым входом элемента И, выход блока считывания, первый и второй выходы блока коррекции являются выходами фильтра. 2. Фильтр по п. 1, отлича ющ и и с я тем, что блок коррекции содержит элемент задержки и последовательно соединенные реверсивный счетчик, первое устройство считывания, оперативн е запоминающее устройство и второе устройство считывания, выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому входу реверсивного счетчика, управляющий вход которого и управляющий вход второго устройства считывания соединены с выходом элемента задержки, вход ко торого и управляющий вход первого устройства считывания соединены. со вторым входом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход первого устройства считывания соединен со вторым выходом блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Гладкий В.с. Вероятностные вычислительные модели. М., Наука 1973, с. 149, рис. 4.35.

Фuг.f

3.Гладкий B.C. Вероятностные вычислительные модели. М., Наука, 1973, с. 113, рис. 4. 12 (прототип).