Аналого-цифровой фильтр Советский патент 1981 года по МПК H03H17/00 

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

t

Изобретение относится к радио- электронике, предназначено для фильтрации сигналов в быстро и медленнотекущих процессах и может быть использовано в вычислительной и локационной технике.

Известно фильтрующее устройство аналого-цифрового типа, которое сочетает высокую точность с возможностью фильтрации как быстротекущих, так и медленно изменяющихся процеесов, и содержащее последовательно соединенные аналоговый фильтр, ана- лого-цифровой преобразователь, комт мутирующее устройство, регистр сдвига, цифро-аналоговый преобразователь, второй аналоговый фильтр и второе коммутирующее устройство, а также/ генератор тактовых импульсов, подключенный к управляющим входам ана-i лого-цифрового преобразователя,регистра сдвига и. обоих коммутирующих устройств l .

Фильтрация сигнала осуществляется дважды - на входе и выходе устройства, с промежуточными преобразователями и формации. Это обуславливает использование значительного количества аппаратуры и недостаточную скорость обработки информации.

Известен также аналого-цифровой фильтр, содержащий.дифференциальный усилитель (блок сравнения) во входной цепи, последовательно, соединенный с ним аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого является выходом фильтра. С выхода АЦП на второй вход блока сравнения включена цепь обратной связи из пос10ледовательно соединенных цифрового фильтра (ЦФ) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)23.

Однако в известном устройстве с ростом его быстродействия значитель15но возрастает о.бъем цифровой части устройства.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

Для этого в аналого-цифровой

20 фильтр, содержащий блок сравнения, первый вход которого является входом устройства, цифро-аналоговый преобразователь, аналоговый интегратор, два ключа, элемент совпадения, счет25чик-сумматор и последовательно включенные генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов и дешифратор, выход которого соединен с управляпот щим входом первого ключа, введены

30 интегрирующий сумматор, компаратор.

определитель знака, дополнительные ключи и инвертор, причем блок сравнения, цифро-аналоговый преобразователь, первый ключ, аналоговый интегратор, инвертор, первый дополнительный ключ и интегрирующий сумматор соединены последовательно,второй вход интегрирующего сумматора соединен с выходом второго ключа, третий вход - с выходом второго дополнительного ключа, а выход - со входом компаратора и со входом определителя знака, выход которого подключен к одному из входов счетчикасумматора, информационные входы второго ключа и второго дополнительного ключа объадинены и подключены .к выходу цифро-аналогового преобразователя управляющий вход второго дополнительного ключа соединен с выходом элемента совпадения, первый вход которого объединен со вторым входом счетчика-сумматора и подключен к выходу дешифратора, а второй вход объединен с управляющим входом третьего дополнительного ключа и подключен к выходу компаратора, информационный вход третьего дополнительного ключа соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с третьим входом счетчика-сумматора, выход которого подключен ко второму входу блока сравнения, при этом выход дешифратора соединен с управляющими входами блока сравнения, второго ключа и первого дополнительного ключа.

На чертеже представлена структурная электрическая схема аналого-цифрового фильтра.

Аналого-цифровой фильтр содержит во входной цепи последовательно соединенные блок 1 сравнения, цифроаналоговый преобразователь2, первый ключ 3, аналоговый интегратор 4, инвертор 5, первый дополнительный ключ 6. Выход цифро-аналогового преобразователя 2 подключен ко входам первог о и второго дополнительных ключей 1 и 8. Выходы этих ключей сое- динены с двумя входами интегрирующего сумматора 9, третий вход которого подключен к выходу ключа 6. Выход интегрирующего сумматора 9 соединен с первым входом компаратора 10 и входом определителя знака 11 интеграла. Выход компаратора 10 соединен с управляющим входом третьего дополнительного ключа 12 и одним из входов элемента 13 совпадения, выход которого соединен с управляющим входом ключа 8. Выход определителя знака 11 подключен к одному из входов счетчика-сумматора 14, второй вход которого соединен с выходом ключа 12. Выход счетчика-сумматора 14 подключен ко второму вПоду блока 1 сравнения и является выходом фильтра. Фильтр содержит устройство управления в виде последовательно соединенных генератора 15 тактовых импульсов сч.етчика 16 импульсов и дешифратора 17, выходы которого соединены с управляющими входами ключей 3,6 и 7, блока 1 сравнения счетчика-сумматора 14, вторым входом элемента 13 совпадения. Выход генератора 15 подключен ко входу ключа 12.

В исходном состоянии напряжения на выходе интегратора 4 и интегрирующего сумматора 9 равны нулю,на входы цифро-аналогового преобразователя 2 с выхода блока 1 сравнения поданы нули, на всех разрядах входного кода и напряжение на его выходе также равно нулю. При этом сигнал на выходе компаратора - ноль, счетчик-сумматор 14 обнулен, а состояние определителя знака 11 любое. Ключи 3,6,7,8 и 12 разомкнуты. Сигнал на выходе инвертора 5 соответствует единичному, а на выходе элемента 13 совпадения - нулевому.

В начальный момент времени на входе блока 1 сравнения происходит алгебраическое суммирование входного кода, представляющего сумму полезного сигнала и помехи, с кодом отфильтрованного сигнала, поступающего с выхода счетчика-сумматора 14. Выработанный сигнал ошибки

д --Ч-,-,

где V - текущее значение кода входного воздействия представляющего сумму полезного сигнала и помехи; чр .- текущее значение кода сигнала обратной связи, поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 2, где вырабатывается напряжение.

, U.4)

wax

где и

опорное напряжение цифроопаналогового преобразователя 2; .

К, - коэффициент передачи цифроаналогового преобразовател 2 при значении . fwor. Полярность напряжения Ц,- определяется знаковым разрядом числа . По сигналу, приходящему с выхода дешифратора 17, замыкаются ключи 6 и 7, и начинается процесс фильтрации аналогового напряжения U , постпающего с выхода цифро-аналогового преобразователя 2. Фильтрация сигнала осуществляется при помощи последовательной цепи, образованной аналоговьам интегратором 4, инвертором 5, ключом б, интегрирующим сумматором 9 и параллельной цепью, образованной ключом 7 и интегрирующим сумматором 9.

Интегрирование аналоговым интегратором 4 длится в течении времени Т, напряжение U2 на выходе его равно .t-T 21/t--т -С о .о. (.1И)Т) , где С - постоянная времени интегратора 4, Напряжение поступает на первый вход интегрирующего сумматора 9, на второй его вход приходит напряжение 0(1 . При этом интегрирующий сумматор 9 интегрирует (умму напряжений U и и напряжение на его выходе определяется siM-t - .,: r ViHnгде -берется со знаком плюс, так как на входе интегрирующего сум ма тора 9 включен инвертор 5} 2 - постоянная времени интегри рующего сумматора 9. По истечении времени интегрирова ния Т размыкаются ключи 3, б и 7. Н выходе интегрирующего сумматора 9 имеется напряжение . Оно поступа ет на компаратор 10 и переводит его в единичное состояние. На выходе оп ределителя знака 11 также появляетс сигнал, определяющий операцию (суммирование или. вычетание) в счетчике сумматоре 14. По окончании режима интегрирования на вход цифро-аналогового преобразователя 2 по сигналу от дешифратора 17 поступает числоЛ угхзх- - --и является величиной постоянной. Спустя время, равное времени уст новления выходного напряжения, цифро-аналоговый преобразователь 2 вы рабатБшает напряжение lUpf, К Знак этого напряжения равен знак напряжения . Затем по сигналу управления с дешифратора 17 замыкаются ключи 8 и 12. Напряжение U поступает на вход интегрирующего сумматора 9. Напряжение U- начинает уменьшаться до нуля. Тогда на вы ходе компаратора 10 появляется сигн логического нуля, и ключи 8 и 12 размыкаются. За время уменьшения на пряжения в интегрирующем сумматоре 9 через ключ 12 на вход счетчикасумматора 14 поступает некоторое число импульсов от генератора тактовых импульсов 15. Число этих импульсов пропорционально напряжению Uj которое было на выходе интегрирующего сумматора до момента по дачи на его вход напряжения и . Величина напряжения подаче напряжения переменна. Обозначим где t - время интегрирования интегрирующего сумматора 9 при записи приращений в счетчик-сумматор 14) Т - постоянная времени интегрирующей сумматора 9 при записи приращений в счетчик-сумматор 14. В это время через замкнутый ключ 12 поступают импульсы с постоянной частотой f., которле суммируются в счетчике-сумматоре 14. Число импульсов можно определить согласно выражению v,,,,. Оно определяет приращение выходной величины, записанной в счетчике-csMматоре 14, на i-m шаге фильтрации входного сигнала. Для получения полной характеристики фильтра необходимо рассмотреть сумму из п таких шагов. Полагая,что УП;, - ДЧ-i где - приЬащение, записанное в счетчик-сумматор 14 на i-m шаге, можно определить характеристику аналого-цифрового фильтра n-i -SV,-, где n - число шагов; v --2-iKM.) - 2.0 Полагая, что время интегрирования Т const, можно найти время работы аналого-цифрового фильтра, которое определяется как t, nt.Значение выходной величины f записанное в счетчик-сумматор 14, подается на вход блока 1 сравнения, где сравнивается со входным кодом. Процесс отработки входного сигнала продолжается до того омента, пока невыполнится равенство ЛЧ. 0. Количество аппаратуры предлагаемого устройства не зависит от частоты фильтруемого сигнала. Максимальная частота фильтруемого сигнала определяется быстродействием элементов схемы, в особенности быстроействием цифро-аналогового преобразователя 2 и временем интегрирова- . ния Т. Согласно теореме Котельникова астота сигнала , представленного в виде дискретной величины, связана периодом дискретизации соотношеием