Функциональный преобразователь аналог-код Советский патент 1980 года по МПК H03K13/17 

1

Изобретение относится к вычислительной технике, может быть использовано в анализаторах спектра при логарифмическом квантовании сигналов с заданной абсолютной погрешностью во всем диапазоне их изменений.

Функциональные преобразователи аналогкод, в частности, логарифмические преобразователи позволяют при наличии постоянной относительной погрешности преобразования эффективно использовать разрядную сетку кодовых слоев и заменить операцию умножения операцией сложения при наложении весовой функции на исследуемый процесс. Однако при логарифмическом квантовании сигналов с увеличением преобразуемого сигнала растет абсолютная погрешность квантования. В связи с этим при приеме мо1цного сигнала необходимо тай организовать структуру устройства, чтобы Можно было оценивать с заданной абсолютной погрешностью тонкую структуру его огибающей при неравномерном квантовании входного процесса.

Известен преобразователь аналог-код с неравномерным распределением уровней квантования, содержащий схему сравнения, генератор пилообразного напряжения, ключ, генератор импульсов, делитель частоты с щестью выходами, управляемые клапаны, управляющий регистр и кодирующий счетчик 1 . Указанное устройство может использоваться в технике ; связи для кодирования речевых сигналов и преобразования аналоговых величин в функциональный двоичный код, соответствующий логарифмической характеристике компрессиро10вания.

Применение в известном устройстве принципа сравнения аналоговых величин со значением опорного тгилообразного напряжения в совокупности с методом последовательного счета

15 ограничивает скорость и, соответственно, класс обрабатываемых сигналов. Кроме, того, в указанном устройстве абсолютная погрешность преобразования изменяется с изменением величины сигнала.

20

Известен Преобразователь аналог-код, содержащий два аналоговых ключа, элемент задержки, блок вычитания, блок компараторов, усилитель-ограничитель, кодирующее устройство. 37 коммутатор, сумматор, преобразователь коднапряжение, блок опорных напряжений н синхронизатор 2. Сущность работы указанног устройства заключается в том, что значения каждой выборки аналогового сигнала представляются в виде кодовых слов с фиксированной запятой, т.е. состоят из характеристики и ман тиссы. При этом значения левой и правой частей кодовых слов формируются последователь но одним и тем же блоком компараторов. Известное устройство позволяет формироват логарифмический двоичньш код, т.е. в нем осу ществляется преобразование с постоянной относительной погрешностью аналоговых сигналов в кодовые слова при изменении абсолютной погрешности преобразования. При анализе тонкой структуры огибающей сигналов в щироком диапазоне их изменений необходимо устройство позволяющее сохранить заданную абсолютнун погрешность при неравномерном квантовании входного процесса. В этом случае были бы реализованы преимущества логарифмического , квантования при Щ1фровом спектральном анализе сигналов и были бы исключены потери информащ1И. Целью изобретения является сохранение заданной абсолютной погрешности преобразования при неравномерном квантовании входного процесса. Цель достигается тем, что в известный функциональный преобразователь аналог-код, содержащий элемент задержки, вход которого соединен со входом преобразователя, а первый выход элемента задержки подключен к первом входу блока вычитания, второй вход которого связан с первым входом сумматора, с первым выходом кодирующего устройства и с первым входом коммутатора, первый выход которого соединен с первым входом блока опорных напряжений, со вторым входом сумматора, выход которого является первым выходом преобразователя, и через преобразователь код-напряжение - с третьим входом блока вычитания, выход которого через усилительограничитель связан с первым входом первого аналогового ключа, второй выход которого подключен ко второму входу блока опорных напряжений, к первому входу синхронизатора и ко второму входу коммутатора, тре:тий вход которого соединен с третьим входом бло. ка опорных напряжений, ко второму выходу синхронизатора и к первому входу второго аналогового ключа, выход которого связан с первым входом блока компараторов, второй и трет1 й входь которого подключены соответ ствённо к выходам первого аналогового ключа и б ка опорных напряжений, а выход блока компа-. раторов соединен со входом кодирующего устройства, второй выход которого является вторым выходом преобразователя, вВедены блок анализа и цифровой генератор, причем первый вход цифрового генератора соединен с четвертым входом блока опорных напряжений и с выходом блока анализа, первый вход, которого является входом преобразователя, а второй вход подключен к третьему выходу синхронизатора, четвертый выход которого связан со вторым входом цифрового генератора, выход которого соединен с третьим входом сумматора, причем второй выход элемента задержки связан со вторым входом второго аналогового ключа. Сущность изобретения заключается в том, что весь динамический диапазон изменений сигналов разбивается - на ряд поддиапазонов. Каждому поддиапазону ставится в соответствие логарифмичбская шкапа со своим масштабом, так, чтобы логарифм входного сигнала, уровень которого соответствует данному поддиапазону, в масштабе соответствующей логарифмической шкалы имел абсолютную погрешность квантования, не превышающую заданной велишны. Число разбиений Динамического диапазона на поддиапазоны и масштаб каждой логарифмической шкалы выбирают исходя из заданного диапазона и абсолютной точности при условии минимизации аппаратурных затрат. В соответствии с выбранными шкалами вырабатывают наборы опорных напряжений раздельно для характеристики и для мантиссы, причем эти напряжения выбирают по сигналу масштабирования. Сигнал масштабирования указывает, какому поддиа.пазону соответствует квантуемое значение входного сигнала. Для получения однозначности кодовой информации кодовые слова преобразуются в соответствии с масштабом первой Шкалы, для чего осуществляется сдвиг кода по разрядиым ячейкам, что эквивалентно переносу запятой в коде сигнала. Па чертеже представлена функциональная схема устройства. Функциональный преобразователь аналогкод содержит элемент 1 задержки, вход которого соединен со входом преобразователя, а первый выход элемента 1 задержки подключен к первому входу блока 2 вычитания. Второй вход блока вычитания связан с первым входом сумматрра 3, с первым выходом кодирующего устройства 4 и с первым входом коммутатора 5. Первый выход коммутатора соединен с первым входом блока 6 опорных напряжений, о вторым входом сумматора 3, выход которого является первым выходом преобразоватея, и через преобразователь 7 код-напряжеие - с третьим входом блока 2 вычитания. ыход блока вычитания через усилитель-ограичитель 8 связан с первым входом аналогоBoro ключа 9, второй вход которого подключе ко второму входу блока 6 опорных напряжеНИИ, к первому входу синхронизатора 10 и ко второму входу коммутатора 5. Третий вход коммутатора 5 соединен с третьим входом блока 6 опорных напряжений, ко второму выходу синхронизатора 10 и к первому входу аналогового ключа 11, выход которого связан с первым входом блока 12 компараторов, вто рой и третий входы которого подключены соответственно к выходам аналогового ключа 9 и блока 6 опорных напряжений. Выход блока компараторов соединен со входом кодирующего устройства 4, второй выход которого является .вторым выходом устройства. Первый вход цифрового генератора 13 соединен с четвертым входом блока 6 опорных напряжений и С-выходом блока 14 анализа, первый вход которого является входом преобразоват ля. Второй вход блока анализа подключен к третьему выходу синхронизатора 10, четвертый выход которого связан со вторым входом цифрового генератора 13, выход которого сое ,динен с третьим входом сумматора 3. Второй выход элемента 1 задержки связан со вторым входом аналогового ключа 11. - Работа предлагаемого преобразователя заклю чается в следующем. Анализируемый сигнал поступает на вход блока 14 анализа и на вход элемента 1 задержки. Блок 14 анализа определяет, к какому из поддиапазонов, на которые разбит динамический диапазон изменений входного сигнала, принадлежит сигнал, и вырабатывает значение сигнала масштабирова ния, подаваемого в блок 6 опорных напряжений и в цифровой генератор 13. В блоке опорных напряжений формируются соответству щий набор и п опорных, напряжений, подаваемых на вход блока 12 компараторов. Цифровой генератор 13 по масштабному сигналу подготавливается к генерации числа импульсов, поставленного в зависимость от значения масштабного сигнала. Входной сигнал задержанный элементом 1 на время, определяемое временем формирования набора опорных напряжений, поступает на входы аналогового ключа 11 и 2 вычитания. С выходов синхронизатора 10 ка входы аналоговых ключей 9 и 11 поступают соответственно первый и второй импульсы из пары строб-импульсов. Выборка с выхода анало гового ключа 11 подается на вход блока 12 компараторов, в котором осуществляются сравнение их со значениями опорных напряжений и последующее формирование кодовых слов в кодирующем устройстве 4. При этом на выходе кодирующего устройства 4, являющегося выходом преобразователя, формируют ся знак и код характеристики, а также знак .сигнала. Значение кода характеристики через коммутатор 5 записьюается в соответствуюище разряды сумматора 3 и подается на входы блока 6 опорных напряжений }i преобразователя 7 код-напряжение. Значение напряжения с выхода преобразователя 7 подается на вход блока 2 вь1Читания. Разностное значение сигнала с выхода блока 2 через усилитель-ограничите.ль 8, параметры которого определяются динамическим диапазоном изменений сигнала, подается на вход аналогового ключа 9. На второй вход аналогового ключа с выхода синхронизатора 10 поступает второй из пары строб-импульс. Значение выборки с выхода аналогового ключа 9 подается на вход блока 12 компараторов, опорные напряжения на который подаются с блока 6 опорных напряжений и определяются величиной характеристики и масштабирующим сигналом с выхода блока 14 анализа. Аналогично вышеизложенному происходит преобразование в блоке 12 компараторов и в кодирующем устройстве 4. Вторым строб-импульсом коммутатор 5 устанавливается в положение, при котором зна 1ение выборки в двоичном коде записывается в младщие разряды сумматора 3 в качестве мантиссы. Таким образом, в сумматоре формируется логарифмический двоичный код :с масштабом, соответствующим данному поддиапазону, с учетом знаков входного сигнала и характеристики. Соотношения между Масштабами соотвстсгвующих поддиапазонов выбраны таким образом, чтобы коды одной и той же величины для различных масштабов отличались только положением запятой, отделяющей характеристику or мантиссы. Поэтому для получения выходного коДа в эквивалентном масштабе по сигналу синхронизатора 10 цифровой генератор 13 подает на третий вход сумматора 3 число сдвиговых импульсов, соответствующих масштабирующему сигналу. При этом происходит сдвиг кода в сумматоре 3, что эквивалентно переносу запятой в коде логарифма. Отсюда видно, что на выходе преобразователя формируется двоичный логарифмический, код сигнала в эквивалентном масштабе с учетом знака сигнала и характеристики. На выходе кодирующего устройства 4 формируется команда в том случае, если ни один из компараторов не сработал, т.е. входной сигнал, идентифи1щруется с нулевым. Отметим требования к выбору параметров преобразователя и .их взаимосвязь. Обозначим: - число компараторов в блоке 12; .cL приведенный динамический диапазон входного сигнала; и - эталонное напряжение; taKcliyUpl U хребуемая абсолютная погреш тзм оHOCTbJ - ВЫХОДНОЙ кодвеличины Динамический диапазон делится на подди пазонов напряжениями Е, Е,... Е, щтчем-Е, .. таких, что, если сигна Uftx принадлежит к-му поддиапазону, ,то 6,Е . каждого подциапазона выбирается свой двоичный код х , причем 0 где VK и поскольку о и 2IДС V К то преобразование из кода число V в код осуществляется простым переносо запятой влево, на / позиций. Масштаб оп V. ных напряжений для каждого поддиапазона бираем так, чтобы удовлетворить требования по абсолютной точности, и значения опорных напряжений до определения характеристики и мантиссы соответственно равны: и..л) 0 оп) -%1к) Сг 7 ок-1)оЦ Исходя из требований к абсолютной точно можно показать, что для каждого поддиапаз .1S г. Обозначим: m jUK S tS К О K i,Z,...,t-l. Минимальное потребное число компараторов для характеристики каждого поддиапазона гдеЕ{;1- целая часть числа При этом п макс Р , причем желательно V , чтобы уменьшить избыточность компа торов на этапе кодирования характеристики Число t. и коэффициенты а выбраны с учетом требования минимизации аппаратур ных Затрат, т.е. минимизация числа компара торов п,. Например, для р-а Sj, 2L6 0,2:) а, Q,.a-i;Q a-о-г.. P,,-ai .2б. Таким образом, наибольшая избытошость компараторов на этапе формирования кода характеристики составляет МоксСп-Р 15 Заметим, что при п . При построении АЦП для заданных значений D и SQ в прототипе пришлось бы использовать 710 компараторов, т.е. более чем в 27 раз больше, чем в предлагаемом преобразователе, причем на этапе формирования кода характеристики использовалось бы не более 9 компараторов. Таким образом, данный функциональный преобразователь аналог-код обеспечивает заданную абсолютную точность преобразования при логарифмическом аналого-цифровом преобразовании и значительно меньших аппаратурных затрат. Формула изобретения Функциональный преобразователь аналогкод, содержащий элемент задержки, вход которого соединен со входом преобразователя, а первый выход элемента задержки подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого связан с первым входом сумматора, с первым выходом кодирующего устройства и с первым входом коммутатора, первый выход которого соединен с первым входом блока опорных напряжений, со вторым входом сумматора, выход которого является первым выходом преобразователя, и через преобразователь код-напряжение - с третьим входом блока вычитания, выход которого через усилитель-ограничитель связан с первым входом первого аналогового ключа, второй вход которого подключен ко второму входу блока опорных напряжений, к первому входу синхронизатора и ко второму входу .ко 1мутатора, третий вход которого соединен с третьим входом блока опорных напряжений, ко второму выходу синхронизатора и к первому входу второго аналогового ключа, выход которого связан с первым входом блока компараторов, второй и Vpeтий входы которого подключены соответственно к выходам первого аналогового ключа и блока опорных напряжений, а блока компараторов соединен со входом кодирующего устройства, второй выход которого является вторым выходом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью сохранения заданной абсолютной погрешности преобразования при неравномерном квантовании входного процесба, в него введены блок анализа и цифровой генератор,