Аналого-цифровой преобразователь

Ссиез Соаетскмх Сециалкстнчеекик Республик(22) 3 аявлено 03057 б 21) 2355007/18-21с присоединением заявки Нов(5)М. КЛ. Н 03 К 13/17 Государстиениыб комитет СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 0505.79. Бюллетень Мо 17 Дата опубликования описания 050579/Ордена Ленина Институт кибернетики АН Украинской ССР(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к области вычислительной техники.Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в которых точность преобразования при наличии помех повышается путем применения статистической обработки результатов отдельных преобразований. Они содержат сравнивающее устройство, устройство упраЪления, распределитель, основной цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) реверсивный счетчик, дешифра= тор й логические схемы. Кроме того, с целью повышения точности преобразования постоянного напряжения в условиях аддитивных помех и сокращения времени преобразования при цифровом интегрировании результатов измерений они дополнительно содержат сумматоросреднитель, реверсивный счетчик заданной допустимой погрешности от помехи, ЦАП приращений и логическую схему 1).Недостатками такого АЦП являются большое количество оборудбвания и нецостаточные быстродействие й точность работы.НаибоЛее близким по технической сущности к изобретению является АЦЛ, содержащий генератор импульсов, ре- ЗО версивный счетчик, преобразователь кода в напряжение, два нуль-органа, счетчик, четыре элемента запрета, два триггера, ключи, элементы И и ИЛИ линии задержки 2. Повышение быстродействия и точности преобразования достигается путем соответствующего соединения элементов схемы, при этом код в реверсивном счетчике зависит от частоты срабатываний нуль- органов. Так, вероятность срабатывания первого нуль-органа можно приравнять к вероятности пребывания входного сигнала х (1) на время одного цикла преобразования под Оз а вероятность срабатывания второго нуль-органа - к вероятности пребывания х(Т) за то же время над Пзн 1 .Если считать, что Р - вероятность пРебываниЯ х надЦзн 1,а Рд - вероЯтность пребывания х(с) подБэнто в процессе преобразования один из нуль- органов будет срабатывать чаще до тех пор, пока Р не станет равным Р ,Однако в таком АЦП вероятности срабатывания нуль-органов неодинаковы.Это не означает, что при каждом опросе нуль-органов срабатывает тот, по сигналу которого в реверсивном счетчике сформирован такой код,3 661что преобразователь кода в напряжение Формирует эталонное напряжение,позволяющее приблизиться к оценкьматематического ожидания М х (Й.Импульсная помеха любой величины,которая налагается на сигнал в моментсрабатывания нуль"органа, не можетизменить код в реверсивном счетчикебольше, чем на один квант. Однако,если импульсные помехи приходят чаще,то код в реверсивном .счетчике можетизмениться больше, чем на один квант,10Это Хтриводит к тому, что в концепроцесса преобразования перед считыванием кода с реверсивного счетчикакод в этом счетчике может, отличатьсябольше, чем на квант от оценки мате .матического ожидания входной ФункцииМЬ 1Целью изобретения является повышение,точности работы АЦП.Поставленная цель достигается засчет того,что в АЦП,содержащий генератор импульсов, выход которого через тумблер соединен с сигнальнымвходом первого элемента запрета,управляющий вход которого соединенс единичным выходом первого триггера, нулевой выход которогосоединенс первыми входами первого и второгоэлементов ЙЛЙ, вторые входы которыхсоединены с единичным выходом второго триггера, выход первого элементаИЛИ соединен с управляющйм входомвторого элемента запрета, сигнальныйвход которого соединен с единичнымвходом первого триггера и выходом первого нуль-органа, а выход второго 45элемента ИЛИ соединен с управляющими .входами третьего и четвержго элементов запрета, причем сигнальнйй вход третьего элемента запрета соединен с выходом блока управления 40нуль-органами, а сигнальный вход ." четвертого элемента запрета через тумблер - с выходом второго нуль-органа, управляющйй Вход которого сое динен с выходом третьего элемента запретаи управляющими входами первого нуль-органа и счетчика, выход кото-рого соедйнен с входом первого элемента задержки, Первые входы первого и второго нудь-органов соединены с шиной Входного сигнала, а их вторые входы -.с выходом преобразователя кода в налря ,жение,вхоцы которого соединены с выходами реверсивного счетчика и пер-; выми входами элементов и, вторые вхо дц которых соединены с выходом второ го и, входом третьего элементов за : держки,. причем выход третьего элемента задержки соединен с шиной начальной установки,и нулевыми входамй первого и второго триггеров и ревер 60 ,сивйбго счетчийа, введены два накал" йивающих счетчика.и элемент сравнений, лерйый вход которого соединен с вьасодом первого элемента запрета и суммирующим,входом 1 реверсивного счетчика, второй выход в .с вычитаю 783щим входом реверсивного счетчика, ,входом второго элемента задержки иединичным входом второго триггера.Первый и второй входы элемента сравнения соединены соответственно с выхода- мипервого и второго накапливающих .счетчиков, первые входы которых соединены с выходами второго и четвертогоэлементов запрета соответственно.Вторые входы накапливающих счетчиковсоединены с выходом первого элементазадержки,- вход которого соединен суйравляющим входом элемента сравнения,.Структурная схемапредложенйого. АЦП показана на чертеже.АЦП содержит генератор импульсовреверсивный счетчик 2, преобразо ватель кода в напряжение 3, первый 4 и второй 5 нуль-органы, первый б, второй 7, третий 8 и четвертый 9 элементы запрета, элемент сравнения 10,. первый 11 и второй 12 элементы ИЛИ, триггерй 13 и 14, блок 15 управления нуль-органами, счетчик 16, первый 17, второй 18 и третий 19 элементы задержки, элементы И 20,тумблер 21 и первый 22 и второй 23 накапливающие счетчики.Входной аналоговый сигнал,поступает на один из входов нуль-органов 4 и 5, вторые входы которых соединены с выходом преобразователя кода в напряжение 3, управляющие входы через элемент запрета 8. - с выходом блока 15 управления нуль-органами. Выход элемента запрета. 8 соединен с входом счетчика 16. Выход, нуль-органа 4 соединен с единичным входом триггера 13 и через элемент запрета 7 подклю.чен к одному из входов накапливающе го счетчика 22, выход которого сое- динен с одним из входов элемента сравнения 10Выход нуль-органа 5 через тумблер 21, и элемент запрета 9 подключен к одному из входов накапливаюцего счетчика 23, выход .которогосоединен с другим входом элемента сравнения 10. Другие входы счетчиков 22 и 23 через элемент за" держки 19 соединены с выходом счетчика 16 и с управляющим входом элемента сравнения 10. Нулевой выход триг гера 13 соединен с управляющими входами элемента запрета б, единичный выход - с одним из входов элементов ,ИЛИ 11 и 12, другие входы котбрых соединены с единичным выходом триггера 14. Выход элемента ИЛИ 11 соединен с управляющим входом элемента запрета 7, выход элемента ИЛИ 12 соединен с управляющими входари эле: ментов запрета 8 и 9. Генератор импульсов 1 через тумблер 21 и элементзапрета б соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика 2 и. с одним из выходов элемента сравнения 10, другой выход которого соединен с вычитающим входом счетчика 2, с единичным входом триггера 14, черезэлемент задержки 19 - с одним иэвходов элементов И 20, а через эле"5 66178мент задержки 18,подключенный к вых 6- ду элемента задержки 19 - с входами счетчика 2 и с шиной начальной уста- новки, соединенной с нулевыми входами триггеров )3 и (4, Выходы счетчика 2 соединены с входами преобразонателя кода в напряжение 3 и с дру гимн входами элементов" 20.Устройство работает следующим образом.После включения питания иустановки управляющих триггеров (3 и 14 в р исходное состояние подачей импульса на шину начальной установки и включения тумблера 2( начинается процесс преобразования. При этом элемент запрета 6 открыт а все остальныеР 15 элементы запрета открыты.От генератора импульсов ( через элемент запрета 6 импульсы проходят на суммирую- щий вход счетчика 2.Преобразователь кода в напряжение 3, управляемый разрядами счетчика 2, вырабатывает ступенчато-линейное компенсирующее напряжение Оэп, являющееся напряжением обратной связи. Нуль-орган 4 выдает импульс приПэп,х(1), а нуль-орган 5 вырабатыва"ет импульс при Пэх .В начале процесса преобразования входного сигнала срабатывает нуль- орган 5, поскольку компенсация начинается от нулевого уровня, то импульс 30 от него не проходит на вход счетчика 2, так как элемент запрета 8 закрыт.При достижении Цз значения случай" ного сигнала х(1) = О(1) + )(1) срабатывает нуль-орган 4. Импульс от него перебрасывает триггер. 13, который подает сигнал запрета на элемент запрета 6 и снимает запрет,со всех ос-" тальных элементов запрета.Вступает в действие блок 15 управ" ления нуль-органами, который представляет собой генератор, вырабатывающий импульсы, одновременно запирающие оба нуль-органа на время, равное времени их восстановления, и затем открывающие оба нуль-органа одновременно на время, равное времени их срабатывания. Первый импульс с выхода нуль-органа 4 отключает суммирующий вход счетчика 2 от генератора импульсов 1 и от,Крывает элементы, запрета 7 и 9, раэ решая тем самым прохождение импульсов с выходов нуль-органов 4 и 5 на нхо.ды .Накапливающих счетчиков 22 и 23, Код в, счетчиках 22 и 23 зависит от частоты срабатываний нуль-органов, 55 Если, например, нуль-орган 4 срабатывает чаще чем нуль-орган 5, то код н счетчике 22 будет по величине боль,ше, чем в счетчике 23.При переполнении счетчик 16 выдает импульс, опроса эЛемента сравнения 10 кодов в счетчиках 22 и 23, Формирует .сигнал, поступающий на суммирующий вход счетчика 2, если код в-счетчи- ке 23 больше, чем в счетчике 22, или Формирует сигнал, поступающий на вы 3 6читающий вход счетчика 2, если коди счетчике 22 больше, чем в счетчике 23, После того как элемент сран-,нения 10 сформирует сигнал на одномили другом выходе, сигнал переполнения с выхода счетчика 16, пройдячерез элемент задержки 17, устанавливает разряды счетчиков 22 и 23 ннулевое состояние, При поступлениисигнала с элемента сравнения 10 насуммирую 6(ий вход счетника 2 преобразователь кода в напряжение 3формирует Озган, которое по величинена квант больше предыдущего. Это эталонное напряжение поступает на входынуль-органон 4 и 5, и преобразовательпродолжает работу,При поступлении сигнала с элементасравнения 10 на вычитающий вход счетчика 2 код в счетчике уменьшаетсяна единицу младшего разряда. Этот жесигнал поступает на вход триггера 14,который переходит н другое состояние.При этом на управляющие входы элементов запрета 7-9 подается .запрещающийсигнал. Пройдя элемент"задержки 19,сигнал поступает на входы элементовИ 20, считывает установившийся код изсчетчика 2, затем, пройдя через элемент задержки 18, устанавливает разряды счетчика 2 внулевое состояниеи триггеры 13 и 14 в исходное состояние, Преобразователь готов к новомуциклу преобразования.В результате действия помех кодн счетчике 2 после сравнения 0 э,. сх(1) может измениться в пределаходного кванта, но и после следующего1 акта сравнения изменение кода можетпроизойти в направлении, не соответ,стВУЮщЕМ,ПрнбЛИжЕНИЮ К ОЦЕНКЕ МатЕМатического .ожидания входной функцииМх(1 . Из того факта, что вероятности пРебывания х(1) над Оз, и подОэ не равны, следует, что частотасрабатывания одного нуль-органа больше, чем у другого, но не следует, чтов момент считывания в счетчике будетзафиксирован код, соответствующийМх, так как невозможно предсказать, какой из нуль-органов срабатывает в результате отдельного сравне"ния Оэ,с случайным сйгналов х(Ь),что приводит к появлению случайныхпогрешностей аналого-циФрового преобразования.Будем считать, что если в резуль-тате проведения сравнения Оэ.с хв счетчике 2 устанавливается код, ве"личина которого приближается к оценкеМх(, то принято правильное решение, и если после сравнения,Оэ,с х(1) код в счетчике 2 не прйблизится к оценке Мх1 , то принятоложное решение,Если проводить Я сравнений Оэщс х(С), то число ложных решений равно М =Р(х) 866177где р(х) - вероятность принятияложногорешения,Число принятых правильных решенийравнойр(к) ) 5О)Так как вероятности принятия верного и ложного решения не равны друг дру 5гу, то в результате 8 повторных сравне.ний П с х(1) число верных и ложныхрешений не равно между собой и в накапливающих счетчиках эафиксируются неравные по величине коды.,Серия из Я 0повторных сравнений. на ь-ом тактедолжна заканчиваться принятием решения о следующей формируемой эталоннойвеличине ш , которое формируетсясхемой сравнейия, на основании знакаразностиТакая операция повторяется на каждом такте формирования Оэл,Процесс статистической обработкизакончен, как только по сигналу схемы сравнения преобразователь кода внапряжение 3 сформирует Пэе(+ которое по величине меньшеЦэи, , чтосоответствует алгоритму работы раз- . 25вертывающего АЦП. При этом в счетчике 2 зафиксирован код, соответствующий оценке математического ожиданиявходной функции Мх(1).Таким образом, в предложенном АЦП 30случайные погрешности аналого-цифрового нреобраэования из-за действияслучайных помех на входной аналоговый сигнал устранены.Формула изобретенияАналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор импульсов, выход которого через тумблер соединен с сигнальным входом первого элементазапрета, управлян)щий вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой выход которого.соединен с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с единичным выходом второго триггера, выход первого элемента ИЛИ соединен с управляющим. входбм второго элемента запрета, сиг нальный вход которого соединен с единичным входом первого триггера и вы83 8 ходом первого нуль-органа, а выход второго элемента иЛИ соединен с управляющими входами третьего и четвертого элементов запрета, причем сигнальный вход третьего элемента запрета соединен с выходом блока управлеййя нуль-арганами, а сигнальный вход четвертого элемент запрета через тумблер соединен с выходом второго нуль-органа, управ яющий вход которого соединен с выхо ом третьего элемента запрета и уп авляющими входами первого нуль-органа и счетчика, выход которого соединен с входом первого элемента задержки, первые входы пер-вого и второго нуль-органов соединены с шиной входного сигнала, а вторые входы - с выходом преобразователя ко- да в напряжение, входы которого соединены с выходами реверсивного счетчика и первыми входами элементов И, вторые входы которых сОединены с выходом второго и входом третьего элементов задержки, причем выход третьего элемента задержки соединен с шиной начальной установки и нулевыми входами первого и второго триггеров и реверсивного счетчика, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности работы, в него введены два накапливающих счетчика и элемент сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого элемента запрета и суммирующим входом реверсивного счетчика, второй выход - с вычитающим входом реверсивного счетчика, входом второго элемента задержки и единичным входом второго триггера, первый и второй входы элемента сравнения соединены соответственно с выходами первого и второго накапливающих счетчиков, первые входы которых соединены с выходами второго и четвертого элементов запрета соответственно, а вторые входй - с выходом первого, элемента задержки, вход которого соединен с управляющим входом элемента сравнения.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР 9 432676, МКИ Н 03 К 13/17, 07.07.1972,2. Авторское свидетельство СССР У 364092, МКИ Я 03 К 13/17, 18.01.1971.661783 ставитель И.Станхред Э.Фанта Корректор А.Гриценк Редактор Л.Утехина Закаэ 2510/64 Филиал ППП Патент, г.Ужгород, ул,ПроектнаТираж 1059 ЦИИИПИ Государственного по делам иэооретений осква, Ж; Раушская номит откр ауДе исноеа СССРий