Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и устройство для его осуществления Советский патент 1981 года по МПК H03K13/17 

(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ СИГНАЛ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к способам преобразования аналогового сигнала в цифровой код и может быть использова но в системах преобразования формы информации, измерительной и вычислительной технике. Известен способ преобразования ан логового сигнала в цифровой код, вкл чающий генерирование пилообразного вспомогательного сигнала, суммирование его с преобразуемым неизвестным входным сигналом,квантование суммарн го сигнала, вычитание входного сигнала из суммарного сигнала, квантование разностного сигнала, определение цифрового значения квантованной величины суммарного сигнала, затем определение цифрового значения квантованной величины разностного сигнал и вычитание цифровых значений кванто ванных величин суммарного и разностного сигнала, образующих старшие и младшие разряды выходного кода , Недостатками способа являются низ- кая точность преобразования изменяющихся сигналов и сложность. Известен также способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигнала 23. Недостатками известного способа являются низкая точность преобразования изменяющихся сигналов и сложность. Точность преобразования снижается из-за накопления погрешностей при последовательном вьтолнении операций коммутации вспомогательного аналогового сигнала и сравнения скоммутированного вспомогательного и преобразуемого сигналов. Наличие зтих операций и последовательный порядок выполнения Приводит 1C появлению динамических погрешностей и погршеиостей неоднозначности, снижакяцих точность преобразования. Сложность способа определяется общим большим числом операций, в том числе сложных операций над аналоговыми сигналами, в частности, таких как коммутация вспомогательного сигнала. Порядок выполнения операций способа принципиально не позволяет повысить точность преобразования при сохранении быстродействия или наоборот, так как обуславливает фиксированный нижний уровень динамических погрешностей. . Устройство, реализующее способ, содержит блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к входам блока компараторов старших разрядов, другой вход которого п.одключен , к источнику преобразуемого сигнала, регистр и дешифратор старших разрядо генератор вспомогательного сигнала, к выходу которого подключен квантователь вспомогательного сигнала. Задержки в блоках коммутации и сравнения приводят к возникновению |динамических погрешностей, а в резул тате последовательной работы дешифра тора, блока коммутации и блока сравнения возникают погрешности неоднозначности. Увеличение точности преобразования в устройстве возможно только за счет уменьшения быстродействия . Устройство в целом имеет сложную структуру и значительную аппаратную избыточность. Цель изобретения - повьш1ение точ-юсти преобразоваьшя и упрощение. Поставленная цель достигается тем что в способе преобразования аналого вого сигнала в цифровой сигнал, вклю чающий генерирование известного вспо могательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов, модулируют вспомогательным сигналом уровни квантования преобра зуемого сигнала, производят одновре менно квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов и одновре менно считьшают цифровые значения квантованных величин преобразуемого и вспомогательного сигналов, образу ющие старшие и младшие разряды выхо ного кода, в моменты пересечения пр образуемым сигналом любого из модулированных уровней квантования преобразуемого сигнала, а также тем, что при модуляции генерируют нескол ко вспомогательных сигналов, априорно известной формы, период каждого из которых пропорционально меньше периода каждого предшествующего,причем для модуляции используют сигнал с наибольшим периодом, а в устройство для его осуществлешя, содержащее блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к первому входу блока компараторов старших разрядов, второй вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр старших разрядов и дешифратор, генератор вспомогательного сигнала, к выходу которого подключен квантователь вспомогательного сигнала, введены формирователь строб-сигналов и регистр младших разрядов, причем первый выход генератора вспомогательного сигнала подключен к входу блока задания эталонных уровней квантования, второй выход к управлякщему входу дешифратора, выход блока компараторов старших разрядов через формирователь строб сигналов подключен к входам стробирования регистров старших и младших разрядов, к информационным входам которых подключены соответственно выходы блока компараторов старших разрядов и квантователя вспомогательного сигнала, а к выходу регистра старших разрядов подключен информационный вход дешифратора, причем квантователь вспомогательного сигнала по времени выполнен на D-триггерах, 0-входы которых подключены к выходам элементов задержки, а С-входы подключены к выходу формирователя стробсигналов . На фиг. 1 приведены временные диаграммы, иллюстрирунндие предлагаемый способ; на фиг. 2 - функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 3 - логическая схема квантователя в случае квантования вспомогательного сигнала по времени; на фиг. 4 - логическая схема дополнительных квантователей по времени рециркуляционного типа. Устройство содержит ( фиг. I) генерируемый вспомогательный сигнал 1, известный по форме и ограниченный по длительности периодом Т, а по величине значением Су, где (- дискретность квантования преобразуемого сигнала, равная расстоянию между уровнями квантования 2 преобразуемого сигнала 3, квантованную с дискретностью С величину 4 сигнала 3, дополнительный вспомогателышш сигнап 5, период Т генерирования сигнала 5, уровни 6 кванто вания вспомогательных сигналов 1 и 5 момент TH начала генерирования вспомогательных сигналов 1 и 5, модулиро ванные сигналом 1 уровни 7 кв нтования 2, квантованную с дискретностью t величину 8 сигнала 1,9- квантова ную с дискретностью Е 1 величину 9 сигнала 5, коды 10 Грея цифровых значений квантованных величин 4, 8, 9 сигналов 3, 1 и 5, моменты Т1, Т2, ТЗ и Т4 считьгоания кодов Грея 10. Число дискретностей q определяется величиной динамического диапазона сигнала 3 и выбирается равным 2 , гд п - число старших разрядов кода 10, а число уровней 2 выбирается равным 2 , Для простоты на фиг. 1 показано два таких уровня, для п 2. Число дискретностей t выбирается равным 2 где m - число 14ладших разрядов кода 10, причем q/2, а число уровней квантоваршя 5 выбирается равным 2 - 1 (для простоты на фиг. 2 показано три таких уровня, для m 2). На фиг. 2 показана реализация способа при квантовании треугольных по форме вспомогательных сигналов 1 и 5 по уровню.Для треугольной формы сигналов 1 и 5, в силу линейных соотношений между амплитудной и временной координатами,возможна реализация кван тования сигналов 1 и 5 по времени.В этом случае каждому цифровому значению квантованной величины 8 будет соответствовать пропорциональное ей цифровое значе 1ние квантованной по времени величины Т Дискретности б квантования по уровню тогда будет соответствовать дискретность квантования по времени. . квантования по времени, логичное положение и для сигнала 5. На фиг. 3 показана логическая схема квантователя 14, где 20 - D-триггера, 21 - элементы задержки. На фиг. 4 показана логическая схема квантователя рециркуляционного {ге нераторного/ типа, где 22 -О -триггера, 23 - элементы задержки. В качестве элементов задержки в квантователе могут быть использованы логические или другие элементы, на пример, полосковые линии, в соответ. ствующем включении. В соответствии с фиг. 1 реализация способа происходит следующим образом До момента ТИ результат преобразования отсутствует. С момента ТН происходит генерация сигналов 1 и 5. В результате воздействия сигнала 1 , на уровни квантования 2 с известным параметром q происходит модуляция уровней 2, т.е. они изменяются относительно исходного состояния на максимальную величину сигнала 1, равную q. Модулированные уровни квантования 7 изменяются во времени по закону изменения сигнала 1 и непрерьшно сканируют весь диапазон изменений преобразуемого сигнала 3. При постоянных параметрах уровней 2 (q const) имеет место частный случай модуляции простое суммирование значений уровней 2 и сигнала 1. В общем случае уровни квантования могут быть представлены в виде некоторых регулярных физических процессов, параметры которых изменяются во времени, в соответствии с текущими значениями вспомогательного сигнала. Тогда модуляция выражается в задании функциональной зависимости между параметрами.уровней квантования и вспомогательным сигналом. Посредством уровней 2 и 6 соответственно производится квантование преобразуемого сигнала 3, сигналов 1 и 5. Если сигнал 3 равен нулю, то результат преобразования отсутствует, что соответствует всем нулевым кодам 10. При квантовании сигнала 3, не равного нулю, он пересекает модулированные уровни квантования 7 в моменты времени Т1-Т4. В эти моменты производится считывание цифровых значений I О квантованных величин 4, В и 9, соответствующих сигналов 3, 1, 5 и образу щ х выходной код 10. Разрядность кодд ю определяет максимальную точность преобразования аналогового сигнала 3. Она зависит от конкретного выбора числа дискретностей q, , I 1. Цифровые значения 10, считанные в моменты Т1-Т4 - есть результаты преобразования мгновенных значений сигнала 3 в виде шестиразрядного кода Грея. Они состоят из цифровых значений квантованной величины 4 сигнала 3/ образующ х старшие разряды кода 10, цифро х значений квантованной величины 9 сигнала 5, образующих дополнительные ладших разряды кода 10. . Суммарный код всех разрядов опредедяет, какое число дискретностей 1, соответствует закодированному в коде Грея цифровому значению сигнала 3. Кода 10, считанные в моменты Т1, Т2, ГЗ, Т4 в соответствии с фиг. 1 будут следующие (начиная со старших разрядов): 010011, 001111, OOOlOi, 010110. Эти цифровые значения определяют следующее число дискретностей f I : для момента Т1 равное q 4 4x4--t- (l6+2)t 1или4х4е1+2г1 186 1, для Т2 - 2е 2 X 4 1 + + 2е1или2х4е1+2е1 10Е1, для ТЗ - 7Е 1, для момента Т4-21 t I, Из фиг, 1 легко убедиться в отличии этих значений от действительных мгновенных значений сигнала 3 в моменты Т1-Т4 не более, чем на одну дискретность 6 1. Увеличивая число вспомогательных сигналов, при сохранении фиксированно го числа уровней квантования для каяод го из этих сигналов, можно повьшать точность преобразования (например, в 2 раз фиг. 1) при сохранении быстродействия, либо уменьшать число необходимь1х уровней квантования при со- хранении заданной точности и быстродействия. Одновременность квантования сигналов 3, 1 и 5, а также одновременность считывания цифровых значений 10 позво ляют устранить динамические погрешности и погрешности неоднозначности преобразования. Функциональная схема устройства, для реализации предлагаемого способа показана на фиг. 2, где П - вход уст ройства, 12 - генератор вспомогательного сигнала 1, выход которого подключен к блоку 13 задания эталонных Уровней квантования 2 и к квантовате лю 14 вспомогательного сигнала; 15 блок компараторов старших разрядов, выходы которого подключены к регистру 16 старших разрядов и к формирова (Телю 17 строб-сигналов, выход которо го подключен к входам стробирования регистра 16 и регистра 18 младших ра рядов, другой вход которого подключен к-выходу квантователя 14; 19 г. . дешифратор старших разрядов кода 10 фиг. 1, дополнительньй вход дешифра,тора подключен к второму выходу гене ратора 12. В качестве генератора 12 может быть использован любой генератор с вы ходом сигнала 1 треугольной формы, по первому выходу и сигнала меандра по второму. В частности, такой генератор може быть реализован на основе счетного Триггера, формирующего меандр, и интегратора этого сигнала. В качестве блока 13 могут быть использованы любые задатчики эталонных уровней кван-. тования 2 по току, напряжению, значениям частоты или фазы, при условии использования соответствующих компараторов в блоке 15 и сигнала 1. В случае, когда преобразуемый сигнал 3 фиг. I действующий по входу 11 является функцией напряжения, блок 13 может быть реализован в виде резистивного делителя, на основе цепочки последовательно включенных резисторов, на которых задаются в виде значений напряжений, значения уровней квантования 2. Сигнал 1 задается также в виде функции напряжения. Разность между значениями напряжений уровней 2 выбирается равной величине С , а выход генератора 12 подключается к одному ИЗ; отводов резистивного делителя. В качестве квантователя 14 может быть использован квантователь любого тип, либо в в.иде время-импульсного квантователя, либо квантователь по уровню, аналогичный блоку 15. Сущность остальных блоков устройства, формирователя 17, регистров 16 и 18, дешифратора 19 ясня из их обозначений. Устройство по фиг. 2, реализунлцее способ по фиг, 1, работает следунлцим образом. Сигналом. 1 от генератора 12 модулируются уровни квантования 2, задаваемые блоком 13. С помощью блоков 14 и 15 производится одновременное квантование соответственно сигналов 3 и 1, в результате чего образу- ются квантованные величины 4 и 8 сигналов 3 и 1. В моменты ТI, Т2, ТЗ, Т4 пересечений модулированных уровней 7 с преобразуемым сигналом 3,происходит переключение компараторов блока 15 и на их выходах появляются сигналы изменения логических уровней. Эти сигналы поступают на формирователь 17. Строб-сигналы с выхода формирователя 17 стробируют регистры 16 и 18, в результате чего в регистрах 16 и 18 записываются цифровые значения. В регистре 16 записывается единичный код цифрового значения квантованной величины 4 сигнала 3, и в регистре 18 цифровое значение квантованной величнш 1 8 сигнала 1, закодированное в коде Грея и образующее младшие разряды кода 10. Дешифратор 19 дешифрирует единичный код регистра 16 в код Грея образующий старшие разряды кода 10. При производной сигнала 3, не пре вьшающей по абсолютной величине производную сигнала 1, единичный код .регистра 16 дешифрируется с учетом к да компаратора нулевого уровня квантования 2 на возрастающем участке си нала 1 и без учета кода этого компаратора на ниспадающем участке сигнала 1. Это обеспечивается при управлении дешифратора 19 по дополнительному входу сигналом меандра со второго выхода генератора 12. Возможны другие варианты устройств для реализации предлагаемого способа В частности, вводя дополнительные ква тователи, аналогичные блокам 14, входы которых подключают к дополнительным выходам блока 12, а выход каждого из которых подключен к соответствующе му регистру младших разрядов, аналогичному 18, можно увеличить точность преобразования пропорционально числу дополнительных младших разрядов.. Возможну также и другие реализации управления дешифратором 19 путем сравнения изменения кодов на выходах регистра 16 и блока 15. При квантовании вспомогательного сигнала по времени при помощи квантователя фиг. 3 работа блока происходит следующим образом. Сигнал меандра с управляющего выхода блока 12 поступает на вход первого элемента 21 и с задержками, равными кванту времени, последовательно поступает на D-входы триггеров 20. При действии сигнала с выхода блока 17 по счетным входам с триггеров 20 происходит запоминание кода, равного числу дискретностей, в зависимости от времени распространения сигнала с выхода блока 12 через цепочку элементов 21. При параллельном подключении к дополнительным выходам блока 12 дополни тельных блоков квантования фиг. 4 можно обеспечить дальнейшее увеличение точности преобразования. Блок квантования по фиг. 4 отличается от блока по фиг. 3 наличием элемента задержки на вход которого подключен инверсный вход последнего из элементов 23. Этим обеспечивается рециркуля ция сигнала в цепи элементов 23 по цепи обратной связи. Дискретность квантования по времени, равная задерж ке элементов 23, в этом случае выбира ется у каждого последующего блока .квантования меньшей, чем у предыдущего, пропорционально задаваемой точности. Работа блока по фиг. 4 происходит следующим образом. Сигнал меандра с выхода блока 12 поступает на вход первого элемента 23 и с задержками, кратными кванту времени предшествующего квантователя, поступает наD-входы триггеров 22. После прохождения сигналом цепочки элементов 23 на вход первого из них поступает инвертированный сигнал и начинается его прохождение через цепочку элементов 23. При действии сиг-, нала с выхода блока 17 по счетным входам с триггеров 22 происходит запоминание кода, равного числу дискретностей квантования. Рециркуляционный ( генераторный ) режим квантователя такого типа позволяет использовать для стабилизации дискретности квантования по времени известные системы фазовой автоподстройки частоты путем фазового сравнени длительности цикла работы квантователя с периодом частоты эталонного генератора. Это позволяет, в свою очередь, повысить точность преобразования. Реализация квантователей по фиг. 3 и фиг. 4 позволяет резко упростить устройство в целом. Формула изобретения 1 . Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения модулируют вспомогательным сигналом уровни квантования преобразуемого сигнала, производят одновременно квантование .преобразуемого и вспомогательного сигналов и одновременно считывают цифровые значения квантованных величин преобразуемого и вспомогательffljx сигналов, образуняцие старшие и младшие разряды выходного кода, в моменты пересечения преобразуемым сигналом любого из модулированных уровней квантования преобразуемого сигнала. 2. Способ по п. I, отличаю и и с я тем, что при модуляции енерируют несколько вспомогательных

сигналов, априорно известной формы, период каждого из которых пропорционально меньше периода каждого предшествующего, причем для модуляции используют сигнал с наибольшим периодом.

3. Устройство для осуществления способа по п. I, содержащее блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к первому входу блока компараторов старших разрядов, второй ,вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр старших разрядов, дешифратор, генератор вспомогательного сигнала, к выходу которого подключен квантователь вспомогательного сигнала, отличающее с я тем, что в него введены формирователь строб-сигналов и регистр младших разрядов, причем первый выход генератора вспомогательного сигнала подключен к входу блока задания эталонных зфовней квантования, второй выход к управляющему входу дешифратора, выход блока компараторов старших разрядов через формирователь строб-сигI налов подключен к входам стробирования регистров старших и младших разрядов, к информационным входам которых подключены соответственно выходы блока компараторов старших разрядов и квантователя вспомогательного сигнала, а к выходу регистра старших разрядов подключен информационный вход дешифратора.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что квантователь вспомогательного сигнала по времени выполнен нар-триггерах,D-входы которых подключены к выходам элементов задержки, а С-входы подключены к выходу формирователя строб-сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3623071, кл. 340-347, 1975,

2. Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи напряжений. Под ред. Смолова В.Б. Л., Энергия, с. 151 (прототип).

Фие.1

.2

ФиеЗ

Фие.

L