Способ аналого-цифрового преобразования Советский патент 1980 года по МПК H03K13/20 

(54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

I. Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для уменьшения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей с промежуточным преобразованием входного аналогового сигнала в частоту. Известен способ аналого-цифрового преобразования, зеключакадийся в прямо пропорциональном преобразовании вхопного сигнала напряжения постоянного тока в частоту следования импульсов и подсче те числа импульсов этой частоты за обра цовый интервал времени fl}Этот способ, обладая высокой статиче кой точностью и помехозащищенностью, характеризуется низким быстродействием и большой динамической погрешностью. Известен также способ аналого-цифрового преобразования, заключающийся в преобразовании напряжения постоянного тока в частоту следоващш имггу.чьсов, фор мировании непрерывной шкальг эталонных меток времени, период спедовянил которы равен образцовому интервалу времени, iio;j счета за образцовый интервал времени числа импульсов преобразованной частоты с фиксацией полученного числа импульсов на время следующего образцового интервала 12. Однако этот способ позволяет получить высокую точность преобразования входного сигнала в числовой эквивалент только для постоянных или медленно менявшихся во времени функций. При преобразовании сигналов, изменяющихся во времени по функциям, характеризуемым производными до п -го порядка, возникают два виаа динамических погрешностей, которые могут немного превышать статические погрешности. Целью изобретения является уменьшение динамической погрешности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, заключакшемуся в ирСсбразованин входного аналогового сит нала в частоту следования импульсов, |.ормировании непрерывной шкалы эталон378ных меток времени, период следования которых равен образцовому интервалу времени, и подсчета за образцовый интервал времени числа импульсов, частоты, функционально связанной с входным сигналом, формируют импульсные последовательности, частоты следования которых пропорцк-ональны текущим приращениям входного сигнала от первого до п -го порядка за время образцового интервала времени, подсчитывают за время t- -го образцового ийтервала времени, и фиксируют число импульсов частоты, равной сумме предбразованной частоты и половины ее приращения первого порядка, затем зафиксированное . число импульсов корректируют на текущем (i +l)-oM образцовом интервале времени импульсами дополнительной послецовательности, текущую частоту которой формируют по выражению: i г л F,lt)- J...(T,,,)t j iо j iMiii.} где ,,, -среднее значение прираще ния j -го порядка преоб разованной частоты за время (i +1)-го образцового интервала; -длительность образцового интервала времени; -текущее время внутри (i+l)-ro образцового интервала времени; -начало и конец (i+l)-ro t.wtобразцового интервала времени; х - наивысший порядок прира щения преобразованной частоты. Сущность изобретения поясняется чер тежами, где на фиг, 1 изображен временной график изменения преобразованного ко да, полученного известным и предлагаемы способами; на фиг. 2 - блок-схема устро ства, реализующего способ. Сущность способа заключается в еледующем. Входной аналоговый сигнал t/(x)t пре образуют сначала в последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна входному сигналу fCxJi згКи СЬ). где К - коэффициент пропорциональности. Одновременно формируют непре рывную шкалу эталонных меток времени 1 в моменты i.j период следования которых равен образцовому интервалу времени Т Пля компенсации первого вида дтишмической ошибки, связанной с интегрированием (усреднением) частоты входного сигнала, из преобразованной последовательности импульсов формируют вторую последовательность импульсов, сдвинутую по фазе на образцовый интервал времени. Из разности частот этих последовательностей образуют последовательность импульсов -с частотой, равной приращению преобразованной часторы за время образцового интервала. Из полученной последовательности импульсов и преобразованной последовательности формирую новую последовательность импуль-. сов, частота следования которой- равна сумме преобразованной частоты и приращения этой частоты на время образцового интервала, т.е.: ) F,a)--,a)t Полученную частоту интегрируют (подсчитывают число импульсов) за время 3 -го образцового интервала. В конце (J -го интервала преобразования образуется числовой эквивале}1Т входного сигнала, скорректированный по динамической ошибке преобразования, связан юй с усреднением:k - i1--Nj,(, где /V)(TI) - числовой эквивалент преобразованной частоты внутри 7-го интверала преобразования;NJ.XT,) числовой эквивале 1Т приращения преобразованной частоты за время -i -То интервала преобразования. Вторая составляющая динамической погрещности, связанная со ступенчатой апроксимацией входного сигнала числовыми эквивалентами, зависит от скорости изменения входного сигнала и его производных более высокого, порядка. Для компенсации этой составляклцей погрешности формируют корректирующую последовательность импульсов, текущая частота которой учитывает характер пэмененкя во времени входного сигнала, т.е. функционально связана с его производными. Тогда интегрирование этой последовательности ил текущем интервале преобразования позволяет получить текущий числовой эквивалент, корректирующий значение кода (Т ) полуценного в конце предыдущего интервала преобразования. Если функция изменения входного сигнала линейна или монотонна, то текущий чисповой эквивалент, корректирующий код (Т-:) в зависимости от скорости изменения входного сигнапа, получают текущим интегрированием на текущем (ii + l)-oM интервале преобразования частоты, пропорциональной первой производной входного сигнала, т.е. )-Г . и а-ь-- лт.,,н f.. -ti ,,H--Nj(T|,,H где д(Т.) среднее зн;ачение приращения преобразованной частоты за время (i+l)-ro интервала 20 преобразования; ., I, Nf (Г. )- числовой эквивалент первой производной преобразованной частоты внутри (i +1 )-го интер- js вала преобразования. Значение корректирующей частоты на И +1 )-ом интервале будет равно текущему приращению преобразуемой частоты, т.е. ) где t меняется от -t до t ,,1+ t в этом случае производится линейная апроксимация входного сигнала его числовыми эквивалентами. Для компенсации методической ощибки от усреднения и динамической ощибки, связанной с изменением приращения входного сигнала, добавляют половину приращения от приращения второго порядка и текущее приращение, пропорциональное второй производной преобразованной частоты и полученное текушим интегрированием второй производной преобра зованной частоты на текущем интервале преобразования, т.е. :,(i)(t)di--Т f (.. -о где f (-fc) текущее значение второ производной преобразованной частоты; среднее значение прира щения второго порядка преобразованной частот за время (i +1)-го инте вала преобразования; при го f тот обр чис сиг про f /Т. ) среднее значение второй -l-v I -f. производной, преобразованной частоты внутри )-го интервала преобразования;текущее время между t-c и Ь(-.)ачалом и концом (о интервала преобразования;чем |ЛТ .-, Тогда корректирующая частота для этослучая запищется в виде: ,.(Т. (t) )t в результате интегрирования этой часы на текущем (4+1)-ом интервале праазования получают текущее значение лового эквивалента корректирующего нала, учитывающего первую и вторую изводные входного сигнала: . f.i.,(T,,.Ht ( .O 2 J После суммирования кода ftr- (Т) полученного после окончания -i -го интервала преобразования, с корректирующим кодом Л N tT-. ) получают текущее значение числового эквивалента входного сигнала на (i+l)-oM интервале преобразования:Мь(то , M((T,)± (T,,Ht 2 -Nf ч- f ibi Iiiil.. IllxUitO.z -оЪ о IХ Аналогичным образом для случая, когда функция входного сигнала содержит производные от первого до п -го порядка, получают корректирующую частоту на (i+l)-OM интервале преобразования. После интегрирования этой частоты на текущем (-n+l)-ом интервале получают текущее значение числового эквивалента корректирующего сигнала uNo (f) учитывающего характер изменения входного сигнала. После суммирования кода Nr. ( л лученного после окончания 4 -го интервала преобразования, с корректирующим кодом ANj (Т) получают текущее значение откорректированного числового эксивалента входного сигнала на (+1)-ом ин тервале преобразования: N(t)--N(T,.)± --у- 4 iv. ikili i.i 14... t N(nT f -V il ili±il 4. Vi Как из фиг. 1, числовой эквивалент A/(t характеризуется существенно меньшей динамической погрешностью, чем -для известного способа tS . Одно из возможны.ч устройств для реализации этого слособа содержит блок 1 преобразования аналогового входного сигнала в частоту следования импульсов, суммирующий счетчик 2, реверсивный сче чик 3, блок 4 формирования эталонных .меток времени, блок 5 вычитания частот, линию О задержки, делитель 7 частоты на Два, блок 8 суммирования частот, блок 9 формирования последовательностей импульсов, пропорциональных приращениям преобразованной частоты от второго до порядка, вычисяитепьный блок 10. Выход блока 1 подключенного входом к источнику входного сигнала, подключен к первым входам б/юков 5 и 3 непосредственно и через mi ПИЮ задержки 6 ко пторо му входу 5, выход которого подкл чен к входу блоков 9 и 1О и через блок 7 ко второму входу блока 8, выход которого подключен к счетному входу счетчика 2. Выходы разрядов счетчика 2 подкл чены к входам разрядов реверсивного сче чика 3 через блок переноса кода, не пока занный на схеме. Выходы блока 9 подклю чены к входам блока 1О, выход которого подключен к счетному входу счетчика 3. Выход блока 4 подключен к входам обнуления счетчиков 2 и 3 и к входу блока 10. Работает устройство следующим обраВ блоке 1 производится преобразование входного аналогового сигнала Уд(-Ь) в частоту следования импульсовГу (-fc) мгновенное значение которой пропорционально значению аналогового сигнала в середине соответствующего периода. Последовательность импульсов с частотой х поступает на один вход бпока 5, на второй вход которого поступает вторая последовательность импульсов f (t-TQ) сдвинутая в линии 6 задержки на время, равное Т. В блоке 5 производится вычитание частот

Формула изобретения

Способ аналого-цифрового преобразования, заключающийся в преобразовании входного аналогового сигнала в частоту следования импульсов, формировании непрерывной шкалы эталонных меток времени, период следования которых равен образцово му интервалу времени, и подсчете за образцовый интервал времени числа импульсов частоты, функционально связанной с входным сигналом, отличающийЭТИХ последовательностей, и на его .выходе образуется последовательность импульсов, равная прирашению лр (-tJ преобразованной частоты за образцовый интервал времени Т. Эта .частота делится на два в блоке 7 и поступает на один вход блока 8, на второй вход которого поступает преобразованная частотаf(-t| , В блоке 8 производится суммирование этих частот, и с выхода бпока 8 на счетный вход счетчика 2 поступает последовательность импульсов с частотой F.,(t). На сбросовый вход счетчика 2 поступают эталонные метки времени с блока 4 -с периодом следования, равным образцовому интервалу времени TQ , За время i. -го образцового интервала на выходах разрядов счетчика 2 образуется код NP () скорректированный по методической ошибке усреднения. Код М.г.Т после окончания V-го интервала преобразования переписывается в предварительно обнуленный C4eTt K 3, после чего счетчик 2 обнуляется и в нем производится очередной цикл преобразования частоты в код. В блоке 9 на основании информации о приращении первого порядка Af),t-t)j поступа.ощей с выхода блока 5, определяются приращения преобразованной частоты от второго до h -го порядка (например, с помощью последовательно соединенных линии задержки и блока вычитания, аналогичных блоков 5 и 6). С выходов блока 9 последователтьности импульсов с частотами, пропорциональными приращениям преобразованной частоты от второго до п -го порядка, поступают на входы блока 10, в котором производится фop.iиpoвaниe корректирующей последовательности импульсов. Импульсы корректирующей частоты поступают на счетный вход счетчика. 3 и в зависимости от знака этой частоты изменяют код в счетчике 3. На выходах разрядов счетчика 3 образуется текущий код числового эквивалента входного сигнала. с я тем, что, с целью уменьшения динамической погрешности, формируют импульсные последовательности, частоты следова ния которых пропорциональны текущим при ращениям входного сигнала от первого до п -го порядка за время образцового интервала, подсчитывают за время -f -го образцового интервала и фиксируют число импупьсов частоты, равной сумме преобразованной частоты и половины ее прирашения первого порядк(а, затем зафиксированнее число импульсов корректируют на текущем (i+l)-OM образцовом интервале времени импульсами дополнительной последовательности, текущую частоту которой формируют по выражению: ч 1 + „ г t Е I.-.r-JiTlt f -. 1-. Т L 14.1 М11±11 7 -среднее значение прира- шения J -го порядка преобразованной частоты за время ()-го образцового интервала; 7 -длительность образцового интервала времени; t -текущее время внутри (1+1)-го образцового интервала времени; и t -начало и конец (i+l)-го образцового интервала времени; -наивысший порядок приращения преобразованной частоты. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Махнанов В. Д. и Милохин И, Т. ройства частотного и время-импульснопреобразования. Энергия, 1970,с. 6-7. 2.Шушков Е. И. и Цодкков М, Б. Мно-; анапьные аналого-цифровые преобразован.Энергня, 1975, с. 55-56 (прототип).

Ns,(t)