Аналого-цифровой фильтр

ОП И ИЗОБ К АВТОРСК Союз Советских Социалистических Республик(61) Дополните 51) М. Заявлено 23,0 6 Г 1 присоединение23) ПриоритетОпубликова Г арственный комнтеСССРелам изобретенийи открытий Э) УДК 681. 3 (088.8) опубл(У 2) Автор изобретения тапов Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана 1) Заявител 4 ) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР ть блоков элементов И,й регистр сдвига, одинегистр, причем к первоого вероятностного умлючены последовательые блок вероятностноголок разрядных двухвходо сумматора, пя многоразрядны статический р му входу кажд ножителя подк но соединенн округления, б вых элементов ные памяти, а ого ве оятно 10 мерн сел 1 . Нконструк е имеетанимическ ность, занное нением преобр цией, ность 20 2 абот реобра енгную евероятдва Изведержи стных Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано, в частности, в цифровых фильтрующих и сглаживающих системах.Известен цифровой фильтр, содержащий преобразователь аналогкод, динамический регистр на 256 чисел, две группы схем сравнения на 256 чисел каждая, 256 реверсивных счетчиков, постоянную память, сумматор параллельного типа, устройство управления, два датчика равноо распределенных случайных чии ряд вспомогательных элементов статки этого фильтра - сложнизкое быстродействие, свяс последовательным выполопераций аналого-цифрового зования и собственно фильтра низкая динамическая точсвязанная с тем, что при ке информации производится зование кодов чисел в эквива вероятность.стно устройство, которо т блок управления, два матричных умножителя,И, регистр и постоян ко второму входу кажд р стного матричного умно- жителя подключены последовательно соединенные блок вероятностного округления, блок разрядных элементов И и регистры 2).Это устройство сложно потивному выполнению, а такжнизкие быстродействие и дточность.Наиболее близким по технической сущности к изббретению является аналого-цифровой преобразователь, который состоит из датчика двоичных случайных чисел, преобразователя код-напряжение, аналоговой схемы сравнения, двух двоичных накопительных счетчиков, элементов И, элемен- та задержки и предназначен для преобразования входного напряжения на интервале Т в цифровой двоичный код.5 0 15 20 25 Вероятностный преобразователь выполняет функцию фильтра нижних частот 3) .Недостаток преобразователя заклю чается в том, что усреднение (фильтрация) производится на интервале времени Т. После истечения интервала Т необходимо заново накапливать сумму отсчетом на следующем интервале Т. Таким образом, одним из недостатков является низкая динамическая точность при преобразовании и фильтрации изменяющихся во времени аналоговых сигналов, обусловленная большим интервалом дискретизации при выдаче преобразованного и отфильтрованного сигнала. Другим недостатком преобразователя явля-. ются узкие функциональные возможности, что приводит к низкой точности преобразования и фильтрации, связанные с тем, что предназначены для преобразования и фильтрации только однополярных сигналов.Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения преобразования и интегрирования разнополярных сигналов и получения первой производной исследуемого сигнала.Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой фильтр, содержащий, элемент И, блок считывания, элемент задержки, блок управления, датчик случайных величин и схему сравнения, первый вход которой подключен к входу фильтра, второй вход к выходу датчика случайных величин, вход которого подключен к первому.выходу блока. управления, второй выход которого подключен к входу элемента задержки, введены реверсивный счетчик, блок коррекции, элемент ИЛИ, вторая схема сравнения, элемент НЕ и блок определения знака, вход. которого и вход элемента НЕ соединены со входом фильтра, выход элемента НЕ подключен к первому входу второй схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу дат- чика случайных величин, выходы первой и второй схем сравнения соединены соответственно со входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И,выход элемента И подключен к первым входам реверсивного счетчика и блока коррекции, первый выход которого подключен к второму входу реверсивного счетчика, выход которого подключен к первому входублока считывания, второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блока управ,ления соединен со вторым входом блока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счетчика подключены к выходу блока опре 30 35 40 45 50 55 60 65 деления знака третий выход блока управления соединен со вторым входом элемента И, выход блока считывания, первый и второй выходы блока коррекции являются выходами фильтра. Кроме того, блок коррекции содержит элемент задержки н последовательно соединенные реверсивный счетчик, первое устройство считывания, оперативные запоминающее устройство и второе устройство считывания, выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому входу реверсивного счетчика, управляющий вход которого и управляющий вход второго устройства считынания соединены с выходом элемента задержки, вход которого и управляющий вход первого устройства считывания соединены со вторым входом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход первого устройства считывания соединен со нторым выходом блока.На фиг. 1 приведена блок-схема аналого-цифрового фильтра; на фиг. 2 - пример реализации блока коррекции. Аналого-цифровой фильтр содержитблок 1 определения знака, элементНЕ 2, схемы сравнения 3 и 4,элемент ИЛИ 5, датчик б случайныхвеличин, элемент И 7, блок 8 управления, реверсивный счетчик 9, блок10 коррекции, блок 11 считынания,элемент 12 задержки, реверсивныйсчетчик 13, устройство 14 считывания, оперативное запоминающее устройство 15, устройство 16 считывания, элемент 17 задержки.Блок 1 определения знака предназначен для определения полярности аналогового сигнала и выработкиуправляющих сигналов для управления процессом суммирования, еслианалоговый сигнал положительнойполярности, или вычитания (в против.ном случае) импульсов в реверсинныхсчетчиках 9 и в блоке коррекции,Датчик б предназначен для выработки случайных аналоговых величинсо случаййым, например равномерным,распределением мгновенных значенийамплитуд, не выходящих за пределыдинамического диапазона изменениявходного сигнала.Реверсивный счетчик 9 предназначен для накопления импульсов свыхода элемента И. При этом,для реализации скользящего режима суммирования по истечении каждого интервала времени (до выдачикода из счетчика 9 через блок 11считывания) из кода счетчика 9вычитается код, поступающий изблока 10 коррекции.Блок 11 считывания может представ лять, например, группу элементов И, число которых равно разрядности считываемого кода и управляющие входы которых объединены и подсоединены к выходу элемента 12 задержки.Блок 8 управления обеспечивает работоспособность всего фильтра в целом путем синхронизации работы всех его узлов и блоков, С выхода блока 8 управления на вход датчика б поступают импульсы с максимальной частотой для обеспечения необходимости точности преобразования аналог-код, которая зависит от числа испытаний У, На вход элемента И с выхода блока 8 управления поступают импульсы той же частоты, но несколько задержанные (на время переходных процессов). С выхода блока 8 управления на вход блока 10 коррекции и на элемент 12 задержки поступают импульсы с интервалом ьС .Реверсивный счетчик 13 так же, как и счетчик 9, предназначен для подсчета импульсов с выхода элемента И 7, но только за время (поэтому имеет меньшую разрядность), Оперативное запоминающее устройство 15 предназначено для хранения кодов, пропорциональных интегралам от входного сигнала на интервалахд(.;, за интервал времени 1, -Т -д 11.В функции блока 10 входит корректировка результата преобразования и интегрирования в счетчике 9 перед передачей этого результата на выход через блок 11 считывания с целью получения выходной величины, пропорциональной точному значению интеграла от входного сигнала на интервале времени С,(-Т 1, вычисляемого с дискретностью ьСВозможны и другие конструктивные решения блока коррекции, Например, можно заменить реверсивный счетчик 13 на последовательно соединенные интегратор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход интегратора в этом случае подключается к входу фильтраР Можно вместо счетчика 13 поставить только АЦП, производящий аналога-цифровое преобразование входного сигнала один раз в середине каждого интервала. Эти величины можно с некоторой точностью считать эквивалентами интегралу на интервале дС.Аналого-цифровой фильтр работает следующим образом.На вход фильтра подается фильтруемый входной сигнал. Для определенности будемсчитать, что это медленно изменяющееся напряжение постоянного тока с аддитивной случайной помехой. Датчик б случайных величин вырабатывает напря 25 ЭО 35 45 50 55 60 65 40 жение постоянного тока, амплитудакоторого изменяется в пределах от 0 до максимального (ожидаемого)значения входного сигнала по случайному закону с равномерным распределением. Датчик б может содержать последовательно соединенные датчик двоичных случайных чисели цифроаналоговый преобразователь.Если аналоговый сигнал имеет положительную полярность, то на вход схемы 4 сравнения он поступаетс отрицательной полярностью, ана выходе блока 1 определения знака вырабатывается такой сигнал, что реверсивные счетчики 9 и 13 производят суммирование импульсов с выхода элемента И, которые образуются следующим образом.Если входной сигнал превышает по амплитуде сигнал с выхода датчика 6, то на выходе схемы 3 Формируется импульс, поступающий через элементы 5 и 7 на счетный вход счетчика 9 и одновременно на счетный вход счетчика 13. После прохождения Й тактовых импульсов в счетчике 13 накапливается число,пропорциональное интегралу входного сигнала наинтервале времени дС . Это число передается в ОЗУ 15, а счетчик 13 обнуляется. В счетчике 9 продолжается накопление импульсов. После прохождения времени Т=к дС в ОЗУ 15 будут заполнены К чисел, пропорциональных интегралу входного сигнала на каждом интервале.В счетчике 9 к этому моменту будет число, пропорциональное интегралу от входного сигнала на ин" тервале Т. После формирования(К + 1)-го числа в счетчике 13 оно передается в ОЗУ 15, а из последнего в счетчик 9 передаетса число, сформированное на интервале дС; для вычитания. Информация в ОЗУ 15 при этом сдвигается таким образом, что в первой ячейке записывается число, бывшее во 2-ой ячейке,и т, д., а в К-ю ячейку заносится (К+1)-ое число. В счетчике 9 же при этом опять оказывается число, пропорциональное интегралу ат входного сигнала на интервале Т. В этот же момент (после окончания процесса вычитания) информация из счетчика 9 передается через блок 11 считывания на выход. Таким образом, после окончания переходного процесса информация на выходе циФрового фильтра появляется с дискретностью по времени дСЕсли аналоговый сигнал имеет отрицательную полярность, то на вход схемы 4 он поступает с положительной полярностью и импульсы, поступающие через элементы 5 и 7, формируются на выходе схемы 4Работа фильтра протекает так же, как описано выше, за исключением тога, чтореверсинные счетчики 9 и 13 вычитают поступающие на их вход импульсы.В динамике одна или несколько перемен знака сигнала может произойти не только за время Т, но даже 5 эа время И . В соответствии с переменой знака реверсинные счетчики переключаются то на суммирование, то на вычитание и в результате получается точное значение интервала от входного сигнала на интервалеМ в счетчике 13 и на интервале,Т и Т+ М в счетчике 9.Таким образом, расширены функциональные воэможности и повышена точность работы фильтра, проявившиеся в том, что стало возможным преобразовывать и интегрировать (фильтровать) разнополярные сигналы, в том числе имеющие большое количество перемен знака на интер валах времени Т и Ы. Применение же иэвестиого устройства для преобразования и фильтрации такого рода сигналов приводило бы к существенным погрешностям, так как 25 отрицательные полуволны сигналов как бы срезались.Кроме того, при сохранении той же памяти". фильтра Т (постоянной интегрирования), что и в известном ЗО устройстве, достигнута воэможность существенного уменьшения периода дискретности выдачи информации (до величины л 1Т/К), что приводит к уменьшению динамической .ошибки при непрерывной фильтрации.Имеется три выхода фильтра, с которых снимаются три преобразованных и отфильтрованных значения сигнала. Коды со второго и третьего выходов фильтра соответствуют зна О чениям (отфильтрованным) сигнала в начале и в конце интервала Т, а это делает возможным получить первую производную исследуемого сигнала, чего невозможно было сделать 45 при использовании известного устрбйства.Изобретение может быть использовано для спектрального анализа, так как блок коррекции хранит инфор мацию о всех элементарных интегралах в интервале времени 1,1 -Т-а 1,3. . Причем применение рассмотренного фильтра для спектрального анализаприводит к повышению точности спектрального анализа, так как при расчете спектральных коэФфициентов используются элементарные интегралы,а не просто квантованные значения исходного сигнала для конкретного момента времени в интервале.ЬОформула изобретения 1. Аналого-цифровой фильтр, содержащий элемент И, блок считывания, Ь 5 элемент задержки, блок управления,датчик случайных величин и схемусравнения, первый вход которой подключен к входу фильтра, второй входк выходу датчика случайных величин,вход которого подключен к первомувыходу блока управления, второй выход которого подключен к входу элемента задержки, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью понышения точности и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения преобразонания и интегрирования раэнополярных сигналов иполучения первой производной исследуемого сигнала, в него введеныреверсивный счетчик, блок коррекции, элемент ИЛИ, вторая схема сравнения, элемент НЕ и блок определения знака, вход которого и входэлемента НЕ соединены со входомфильтра, выход элемента НЕ подключен к первому входу второй схемысравнения, второй вход которойподключен к выходу датчика случайных величин, выходы первой и второй схем сравнения соединены соответственно со входами элемента ИЛИ,выход которого подключен к первомувходу элемента И, выход элемента Иподключен к первым входам реверсивного счетчика и блока коррекции,перный ныход которого подключен квторому входу реверсивного счетчика,выход которого подключен к первомувходу блока считывания, второйвход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блокауправления соединен со вторым входомблока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счетчика подключены к выходу блока определения знака, третий выход блокауправления соединен со вторым входомэлемента И, выход блока считывания,первый и нторой выходы блока коррекции являются выходами фильтра. 2. Фильтр по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок коррекции содержит элемент задержки и последовательно соединенные реверсивный счетчик, первое устройство считывания, оперативнЫе запоминающее устройство и второе устройство считывания, выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому входу реверсивного счетчика, управляющий вход которого и управляющий вход второго устройства считывания соединены с выходом элемента задержки, вход которого и управляющий вход первого устройства считынания соединены, со вторым нходом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход перного устрОйства считывания соединен со вторым выходом блока.723585 10 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Гладкий В.С Вероятностные вычислительные модели. М., Наука,1973, с. 149, рис. 435.г. Составитель А. гереновЛыкова Техред О.Легеэа инск едак ррект Тираж 751Государственного делам изобретений осква, Ж, Рауш писн омитета СССР открытий ая наб. д П ф.Патент.ф, г. Ужгород,Филиа ная,Заказ 1009/ ЦНИИП по 113035, 2. Авторское свидетельство СССР 9 480081, кл. С 06 Г 15/Зб, 1973.3. Гладкий В.С. Вероятностные вычислительные модели. М., Наука, 1973, с. 113, рис. 4. 12 (прототип).