Вероятностный аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 09) 111 1/04 51) 4 ЗПО Н ОБРЕТЕН И Р 1111;с, Р ВТОРСКОМУ ПЬСТВУ 4-24 5В. Е.фарб ых чивател ь блок ов ан - ен бло Бюл .нин и8.8) о- овети др, Ана тели. - М.30, 186 Г Л. разов(57) Изобретение относится к автике и вычислительной технике ибыть использовано в специализирных вычислительных маши%ах, вычтельной технике и телеметрии. Цизобретения является повышение чисел,обрадиапаобеспе- сФ велич я, чт разаряжесть овател ома выходного может ает ематического ависим ован сии ошибок ан идания и ди я от закона ислиелью точдног реде а. 1 огового сиг ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(56) Бахтиаровцифровые преобское радио, 19Гладкий В.С ности преобразования. Цель до ся за счет того, что в устрой содержащее генератор 1 случай сел, цифроаналоговый преобраз 2, блок 3 элементов вычитания 5 компараторов, блок 6 элемен тисовпадения, шифратор 7, вве 4 корректировки результа зования, содержащий элем рования, компаратор 13 и та 14 и 15 антисовпадения . Ге 1 случайных чисел имеет треуг закон распределения случайных при этом у цифроаналогового иИзобретение относится к цифровой вычислительной и управляющей технике, предназначено для преобразования аналоговых электрических сигналов в цифровую форму и может быть использовано в управляющих вычислительных машинах, вычислительной технике и те-. леметрии.Цель изобретения - повышение точ О ности за счет обеспечения независимости математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. 15На чертеже представлена блок-схема вероятностного аналого-цифрового преобразователя.Устройство содержит генератор 1 распределенных по треугольному закону 20 случайных чисел, цифроаналоговый преобразователь 2 (ЦАП), блок 3 элементов вычитания, блок 4 корректировки результата преобразования, блок 5 компараторов, блок 6 элементов анти совпадения (ЭАС), шифратор 7, тактовую 8 и входную 9 шины, шину 10 опорных напряжениЙ и выходную шину 11. Блок 4 корректировки результата преобразования содержит элемент 2 30 суммирования, компаратор 13, первый 14 и второй 15 элементы антисовпадения.Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.На входную шину 9 поступает входной сигнал Ц(С), который необходимо оцифровать. Каждый элемент вычитания блока 3 уменьшает этот входной сигнал на величину своего опорного уровня Ц; и формирует разностный аналоговый сигналдц = ц(с) - ц где д = 1,2, ш, который подается на второй вход соответствующего компаратора блока 5. Со 45 седние опорные уровни напряжения отличаются на постоянный дискрет ЬЦ, Элемент 12 суммирования формирует дополнительный суммарный сигналдц, = ц + ьц = ц(е) + ц,необходимый для обеспечения корректировки результата округления малых напряжений и который подается на второй вход компаратора 13. На первые входы всех компараторов блока 5 и компаратора 13 с ЦАП 2 поступает случайное аналоговое напряжение Ц, распределенное по треугольному закону в диапазоне (0,2 Ю), дискретно меняющееся по тактовому импульсу и постоянное в течение такта оцифровки.Это случайное напряжение формируется с помощью генератора 1 распределенных по треугольному закону случайных чисал ГС 4 и ЦАП 2 после поступления на тактовую шину 8 очередного тактового импульса, запускающего ГСЧ. В компараторах происходит сравнение этого случайного напряжения и разностного аналогового сигнала ЬЦ;. На выходах компараторов вырабатывается логическая "1", если Ь Ц,Ж, и логический "0" при обратном соотношении.Поскольку сравнение разностей Ю, производится со случайной величиной, меняющейся в диапазоне 0,2 Ы 3 и имеющей треугольные законы распределения, то одновременно со сравнением и происходящей при этом оцифровкой входного сигнала, т.е. получением на выходах компараторов совместного унитарного кода, осуществляется вероятностное округление входного аналогового напряжения, в результате чего обеспечивается независимость мате"матического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения входного аналогового сигнала. Сигналы с выходов компараторов подаются на ЭАС блока 6 и элементов 14 и 15, которые на выходе вырабатывают логическую "1" только в случае наличия на двух входах противоположных логических сигналов ("0" и "1").Таким образом, логическая "1" возникает только на одном ЭАС блока б или элементе 14 или 15, который находится на границе перехода сигналов от "1" к "0" на выходах блока 5 компараторов и компаратора 13, т,е. на той, ниже которой компараторы вырабатывают "1", а выше - логические "0". По выходному сигналу антисовпадений блока 6 и элементов 14 и 15 шифратор 7 формирует выходной п-разрядный код, который выдается на шину 11.По сравнению с известным преобразователем предлагаемый обеспечивает независимость математического ожидания и дисперсии ошибок квантования от закона распределения квантуемого сигнала, что повышает точность вычислений.Докажем наличие этого свойства.Обозначают ЬЦ дискрет квантованияАЦП. Плотность вероятности распреде 1372617ленного по треугольному закону на интервале от О до 2 ЬЦ случайного напряжения ц с которым сравниваются разности Ьц; = ц(С) - ц; для каждого5 опорного уровня ц определяется вы- ражением О, при 2 дц цсо:);1О, при - оосц 0,15 Ьц, = ц - ц = ц(с) - 0 = цИ).3)Во всех компараторах, включая эти два компаратора, производится сравнение своего" разностного аналогового Представляют квантуемый сигналц(Т) в виде Ч = 1 дц + ц, где,= О, 1, 0ц с Ь ц. Тогда, результат предварительного округления идальнейшей оцифровки можно представить следующим образом:У =1 дц+у,где у = 1 дц;1 = 0,1,2 и представляет собойпоправку при вероятностномквантовании, кратно Ь ц.25Поскольку ошибка округления равна. = У - Ч = у - Ц, то, не нарушая общности полученных результатов, анализируют случай 1 = О, т.е. Ч = ц, Уу Ос цсдц, 30Для обеспечения единого законаокругления входного аналогового сигнала во всем диапазоне, включая малые сигналы в пределах первого дискрета квантования 0 с ц с Ь ц, в АЦПиспользуется цепь корректировки результата оцифровки малых напряжений,построенная аналогично цепочкам анализа для каждого опорного уровня напряжения в АЦП и содержащая элемент 4012 суммирования, компаратор 13 идва элемента 14 и 15, элемент 12,совместно с положительным опорнымуровнем Ц = Ь Ц формирует суммарныйсигналЬЦ = Ц(е) - (-Ц) = Ц + ЬЦц + (2)который используется в качестве младшего разностного сигнала и подаетсяна первый компаратор блока 5.50На второй компаратор блока 5 подается разностный сигнал с первого элемента вычитания блока 3: сигнала ЬЦ 1 = 1,2 ш со случайным напряжением Ц и вырабатывается логический О) в случае(4) и логическая "1" при обратном соотношении.В рассматриваемом случае О Ц ь Ц на всех компараторах блока 5, кроме первых двух, вырабатываются логические "0" при любом случайном напряжении ц Е (0,2 Ьц), так как для них всегда выполняется соотношение (4). На выходах первого и второго компараторов блока 5 значения логических сигналов зависят от случайного напряжения ц, причем возможны следующие комбинации выходных сигналов этих компараторов: 00, 10, 11, что соответствует поправкам при округлении "0", Ьц, 2 дц, для определения математического ожидания ш и дисперсии )ошибок округления находятЕвероятности формирования этих поправок Р(0), Р(1), Р(2).Нулевая поправка у = 0 вырабатывается в АЦП при одновременном появлении на выходах первого и второгокомпар ат оров блока 5 логических 0 ч то выполняется при условии цц( для второго комп ар ат ор а ) и ц + Ь ц с с ц (для первого к омпар а тора ) .Вероятность появления нулевой поправки равна вероятности выполнения нижнего условия и определяется выражением2 дО 2 ьО1 Р(0) = 1 Ы(ц )сБ = -- ,(2 дцвоо 1а н- ц Иц = -- (Ьц - ц). (5)42 ЬРПоправка у = 2 ЬЦ соответствует появлению на выходах обоих компараторов логических "1". Вероятность формирования поправки у = 2 Ьц равна вероятности выполнения условияц)ц(6) и определяется из следующего выражения:нР(2) =(Ц)Йв -, П Йоцт(7)2 ЬЦВ остальных случаях формируетсяпоправка округления, когда вырабатывается логическая "1" на первом компараторе и логический "О" на втором компаратореВероятность появления такой поправки округления при оцифровке равна(9) формула и э о б р е т е н и я 45 Вероятностный аналого-цифровойпреобразователь, содержащий блок Составитель В.ГейирихсТехред М,.Дидык Корректор С.Шекмар Редактор И.Дербак Заказ 499/55 Тираж 928 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. ужгород, ул. Проектная, 4 Ц 2х (ЬЦ - Ц)2 ЬЦ(8)5Математическое ожидание ш и дис 6 персия бошибок округления по найденным вероятностным определяются следующим образом:гш ,( ЬЦ - Ц) Р(2.) = (-Ц) х1 1 х -- (ЬЦ - Ц) + (ЬЦ - Ц) 1 --- х2 Ь Ц 2 2 ЬЦ х (Ьц - ц) --+ (2 Ьц - ц) х2 ЬЦ 2 1 2 52 =(1 ЬЦ=о 4 Таким образом, математическое ожидание ш и дисперсия 2 ошибок округ с Е ления при оцифровке в предлагаемом вероятностном АЦП равны соответствен ЬЦ ЬЦ 2но - и -- и не зависят от,закона2 430 распределения квантуемого аналогового напряжения Ц(г.).Независимость вероятностных характеристик (математического ожидания и дисперсии) от входного сигнала позволяет устранить неконтролируемую поте рю точности и дает воэможность проводить компенсацию систематической ошибки при вычислениях, что ведет к повышению точности вычислений или к снижению. требования к высокой разрядности АЦП,элементов вычитания, первый вход которого является входной шиной, втораягруппа входов которого является ши"ной равномерно возрастающих опорныхуровней, блок компараторов, первыйвход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, входыкоторого соединены с соответствующимивыходами генератора случайных чисел,вход которого является шиной тактовыхимпульсов, выходы блока элементоввычитания соединены с соответствующими вторыми входами блока компараторов, выходы которого соединены с соответствующими входами блока элементов антисовпадения, выходы которогосоединены с соответствующими первымивходами шифратора, выходы которогоявляются выходной шиной, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, введен блок корректировки результата преобразования, выполненный на элементе суммирования,компараторе и двух элементах антисовпадения, выходы которых соединены ссоответствующими вторыми входами шифратора, первый вход первого элементаантисовпадения является шиной уровнялогической единицы, второй вход первого элемента антисовпадения объединен с первым входом второго элементаантисовпадения и подключен к выходукомпаратора, второй вход второго элемента антисовпадения соединен с первым выходом блока компараторов, причем первый вход компаратора соединенс выходом цифроаналогового преобразователя, а второй вход - с выходомэлемента суммирования, первый входкоторого соединен с входной шинойустройства, а второй объединен с соответствующим входом второй группывходов блока элементов вычитания, приэтом генератор случайных чисел Имееттреугольный закон распределения случайных чисел.