Способ аналого-цифрового преобразования широкополосных сигналов и устройство для его реализации Советский патент 1982 года по МПК H03K13/17 

39 содействие и точность преобразования ограниченная полоса частот кодируемого сигнала. Причина этих недостатков заключается в необходимости проведения операции дискретизации в ана логовой форме с помощью аналогового устройства выборки и запоминания. Чем больше величина постоянной времени этого устройства, тем уже полоса частот кодируемого сигнала. Однако в момент хранения постоянная времени должна быть как можно больше, чтобы обеспечить достаточное время запоминания, необходимое для квантования сигнала. Цель изобретения - увеличение быстродействия и точности преобразования. Поставленная цель достигается тем что в способе аналого-цифрового прео разования широкоплосных сигналов, включающем операции интегрирования входного сигнала в пределах интервала выборки и формировании выходного кода, перед операцией интегрирования выделяют части входного сигнала, огр ниченные во времени интервалом выбор ки и нижним и верхним пределами ограничения амплитуды, устанавливаемыми в соответствии с уровнями квантов ния, а после интегрирования этих частей входного сигнала осуществляют сравнение результатов интегрирования с эталонным сигналом. 8 устройстве для осуществления способа, содержащем пороговые элемен ты, сигнальные входы которых через коммутатор, подключены к шине входного сигнала, а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, вход которого соединен с шиной сигнала дискре тизации, второй выход блока управления соединен с управляющими входами пороговых элементов, выполненных на последовательно соединенных между со бой двустороннем амплитудном огранич теле входного сигнала, интеграторе и компараторе, а также коммутаторе интегратора, управляющий вход которого соединен с управляющим входом порогового элемента, а выход - с управляющим входом интегратора. На фиг. 1 приведены эпюры сигналов, поясняющих способ аналого-цифро вого преобразования; на фиг..2 рабочая область одного из пороговых элементов; на фиг . 3 взаимное расположение рабочих областей трех 4 пороговых элементов; на фиг.4 - устройство для осуществления способа аналого-цифрового преобразования. Способ предусматривает формирование интервала выборки из импульсов сигнала 1 дискретизации, причем начало интервала выборки формируют передним фронтом импульса, разрешающего интегрирование сигнала 2, а конец интервала выборки формируют выключением сигнала на входе всех пороговых элементов импульсов 3 до окончания импульса, разрешающего интегрирование, там же изображен сигнал S(t) и сигнал S..Qjt) , действующий на входах пороговых элементов. Выделена рабочая область одного из пороговых элементов, образуемая интервалом выборки Д t g и участком на оси амплитуд 2h, связанным с опорным уровнем этого элемен,та Spn Результат интегрирования сигнала в пределах рабочей области 5 сравнивают с эталонным уровнем 5 , причем на выходе этого порогового элемента вырабатывается логическая 1, когда результат интегрирования оказывается выше эталонного уровня. В интеграторе порогового элемента осуществляется интегрирование части сигнала Sn(t) S(t)-(Son -Ь),ограниченной пределами интервала выборки. tQ-TJ t +Т. Линейно изменяющийся сигнал, проходящий через точку tQ,SQf,m(), может быть выражен в следующем виде: S(t)S -m+S(1b) (t-to)-(Soпh)h-m -SЧto) (t-t)- Результат интегрирования сигнала для време-ни ,t7/ to+ Т равен Gl(t 7/ to +Т) уг J b-m+SU) C-t-tp)((-m)T+ + 2S Cto)toT - 2S(to)V 2 (li-ni)T. Результат не зависит от скорости и направления изменения сигнала, т.е. от величины и знака производной S Ctig) . Если линия изменения сигнала проходит- через центр рабочей области, то , Sn(t)h+S4to) (t-tg) и fi(t y-T)2Tli. При tS(tg)T h сигнал пересекает вертикальные линии и tg+T. Если скорость изменения сигнала S(tg)значительна, S(±о) , сигнал пересекает горизонтальные ли5НИИ f, ib в моменты времени tpt. В этом случае при нарастающем сигна Sn(t)0 t to- Б h н- S4to)(t-t) tfl-E t to + t7/to+ H При спадаюшем сигнале Sn(t) + В S4to) (t-to) to- t-«-to-b 1 0It to + e Результат интегрирования равен aUUo4T)J )di4j ti + SUoXt-y ib-Tto-E STit) и не зависит от скорости и направле ния изменения сигнала. Поэтому, если условие срабатываНИИ порогового элемента соответствует результату интегрирования, равному или превышающему 2Th, ошибка срабатывания такого порогового элемента при датировке выборочного значения времени tg при любой скорости изменения сигнала полностью отсутствует. Это обстоятельство определяет принципиальную возможность кодирования широкополосного сигнала с высокой точностью. Процес интегрирования в пределах рабочей области каждого порогового элемента не приводит к завалу общей ампли (тудно-частотной характеристики АЦП в области высоких частот. Ширина характеристики определяется только длительностью интервала выборки, ко торая может быть сделана предельно малой, что имеет место в стробоскопическом осциллографировании. Поскольку рабочие области различ ных пороговых элементов некоррелиро ваны, шаг квантования- не зависит от ширины зоны ограничения каждого.из пороговых элементов по оси амплитуд Каждый из пороговых элементов срабатывает, если результат интегриров ния превышает величину эталонного уровня . . Это значит, что входной сигнал превышает опорный уровень порогового элемента в момент времени, соответствующий середине интервала выборки. Если опорны уровни связаны с номерами группы эл ментов, а их расстановка упорядочен и отражает закон квантования сигнала, количество сработавших пороговы элементов, и, следовательно, выходной унитарный код пропорциональны входному сигналу. Такая группа пороговых элементов осуществляет преобг разование текущего значения„амплитуды входного сигнала в унитарный код и является поэтому АЦП параллельйоге типа. Унитарный код на выходе АЦП может быть преобразован в любой другой вид кода, в том числе двоичный с помощью шифратора. Использование предлагаемого спо- . соба позволяет повысить быстродейст вие и точность аналого-цифрового преобразования за счет исключения операции дискретизации сигнала в аналоговой форме. Кроме того, интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе используется как прй1Тципиально необходимый процесс и не является вредным явлением, ограничивающим быстродействие и точность известных компараторов, что непосредственно связано с увеличением быстродействия и точности аналого-цифрового преобразования в параллельных и параллельно-последовательных АЦП. Возможность получения коротких интервалов выборки при невысоких требованиях к стабильности интервала позволяет существенно увеличить полосу частот кодируемого сигнала до пределов, свойственных устройствам стробоскопического осциллографирования. При этом статическая точность аналого-цифрового преобразования зависит только от стабильнос,ти схемы формирования опорных уровней и может быть достаточно высокой. Устройство (фиг.) для осуществления предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования, состоит из блока 1 управления, управляющего работой коммутатора 2, и коммутаторов 3 интеграторов пороговых элементов, каждый из пороговых элементов состоит из двухстороннего амплитудного ограничителя k входного сигнала, имеющего уровни ограничения, связанные с опорным уровнем порогового элемента S, интегратора 5 на выходе ограничителя, компаратора 6, осуществляющего сравнение амплитуды сигнала на выходе интегратора с эталонным уровнем S. Компаратор 6 является частью порогового элемента. Устройство работает следующим образом. В блоке 1 управления из сигнала дискретизации вырабатываются две последовательности импульсов.сдвинут на время равное интервалу выборки. .Задержанная последовательность 3 (фиг.З) управляет работой коммутато ра 2, опережающая посгюдовательност 12, {фиг.З) поступает на коммутаторы 3 интеграторов всех пороговых элементов одновременно. Работа коммутатора 2 и амплитудн го ограничителя k порогового элемен та отражена на фиг.. Тонкой линией обозначен входной сигнал S(t) толстой - сигнал на выходе компаратора сигнала. Горизонтальные уровни h и Spfl- h обозначают уровни ограничения одного из порого вых элементов. Ограничение сигнала на входе порогового элемента приводится с целью исключения зависимости ошибки срабатывания от скорости измерения сигнала. Импульс опережающей последовател ности, разрешает интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе. Амплитудный ограничитель Ц поро гового элемента вырезает из сигнала узкую полоску h. Каждый из им пульсов опережающей последовательности включает комму т а то рь1 3 всех пороговых элементов одновременно, разрешая интегрирование сигнала в интеграторах 5- Результат.интегрирования сравнивается с эталонным ур нем компаратора 6. Если результат интегрирования превышает эталонный уровень, на выходе компаратора появляется логическая 1, которая поступает на выход порогового элемента. На выходе АЦП появляется уни тарный код. Формула изобретения 1. Способ аналого-цифрового прео разования широкополосных сигналов. 28 включающий операции интегрирования входного сигнала в пределах интервала выборки и формирования выходного кода, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия и точности преобразования, перед операцией интегрирования выделяют части входного сигнала, ограниченные во времени интервалом выборки и нижним и верхним пределами ограничения амплитуды, устанавливаемыми в соответствии с уровнями квантования, а после интегрирования этих частей входного сигнала, осуществляют сравнение результатов интегрирования с эталонным сигналом. 2. Устройство для осуществления способа по n.t, содержащее пороговые элементы, сигнальные входы которых через коммутатор подключены к шине входного сигнала, а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, вход которого соединен с шиной сигнала дисретизации, отличающее,с я тем, что, второй выход блока управления соединен с управляющими входами пороговых элементов, выполненных на последовательно соединенных между собой двустороннем амплитудном ограничителе входного сигнала, интеграторе и компараторе, а также коммутаторе интегратора, управляющий вход которого соединен с управляющим входом порогового элемента, а выход с управляющим входом.интегратора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Монолитный АЦП с рабочей частотой 30 МГц. - Электроника, 1978, № 9. 2.Бахтиаров Т.Д. Аналого-цифровые преобразователи. - Зарубежная радиоэлектроника, 1975. № 1. прототип).

А

я-И

ioT

onn-i

-t

fa

4 7фигЗ

фиг.Ч: