Устройство аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 091 ( 14 НОЗМ 1/ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4-2 88. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ(71) Омский политехнический институт (72) Е,С.Побережский, Б.,П,.Женатов и Н.Н.Марченко(56) Авторское свидетельство СССР999157, кл, Н 03 К 13/20, 1981.Авторское свидетельство СССР115224, кл, Н 03 К 13/20, 1983. (54) УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к импульс ной технике, в частности к устройствам аналого-цифрового йреобразования узкополосных сигналов. Цель изобретения - повышение точности преобразо вания за счет введения в устройство, содержащее компаратор, делитель напряжения на резисторах, первый селектор фронтов, реверсивный счетчик,регистр памяти, цифроаналоговый преобразователь, регистр сдвига, инвертор, фильтр-интегратор, первый и второй триггеры, ключи, первый и второй элементы И, счетчик фаз, первый элемент задержки, первый и второй элементы ИЛИ, генератор образцовых частот,второго селектора фронтов, второго и третьего элементов задержки, дифференциатора, буферного усилителя, аналогового инвертора, двух устройств выборки-хранения, блока согласования, осуществляющего пропускание сигнала на аналого-цифровой преобразовательй только с того устройства выборки и 9 хранения, в котором зафиксировано положительное напряжение формирователя стробирующих импульсов, шифратора,С третьего и четвертого элементов И, второго и третьего элементов заде Я014 Э 5 1 , 1225Изобретение относится к импульсной технике и может использоватьсяпри аналого-цифровом преобразованииузкополосных сигналов, у которых ширина спектра много меньше центральной частоты.Цель изобретения - повышение точности преобразования.На фиг . 1 изображена функциональная схема устройства аналого-цифрово- Ого преобразования узкополосных сигналов; на фиг. 2 - временные диаграм"мы напряжений в различных точках устройства.Устройство аналого-цифрового преобразования (Фиг.1) содержит дифферен"циатор 1, компаратор 2, буферный усилитель 3, аналоговый инвертор 4,первое 5 и второе 6 устройства выборки и хранения, блок 7 согласования,аналого-цифровой преобразователь 8,Формирователь 9 стробирующих импульсов, первый элемент 1 О И, первыйтриггер 11, первый элемент задержки12, инвертор 13, первый селектор 14фронтов, первый 15 и второй 16 ключи, второй селектор 17 фронтов, первый элемент 18 ИЛИ, второй 19 и третий 20 триггеры, генератор 21 образцовых частот, второй элемент 22 задержки, сдвиговый регистр 23, второйэлемент 24 И, счетчик 25 фаз, шифра"тор 26, третий 27 и четвертый 28элементы И, третий элемент 29 задержки, второй элемент 30 ИЛИ, реверсивный счетчик 31, регистр 32 памяти,цифроаналоговый преобразователь 33,фвльтр"интегратор 34, первый 35 ивторой 36 резисторы, образующие делитель напряжения.Устройство аналого-цифрового пре 40образования узкополосных сигналовработает следующим образом,Узкополосный сигнал, Форма которого на интервалах, соизмеримых спериодом центральной частоты, малоотличается от синусоидальной(фиг.2 а), поступившие на вход устройства, в дифференциаторе 1 подвергается дифференцированию. Поэтомуформа производной сигнала на выходедифференциатора 1 является близкойкосинусоидальной (Фиг.28). Если узкополосное колебание подверглось ограничению в аналоговой части тракта,то это не сказывается на амплитуде. огибающей колебания на выходе дифференциатора 1: она по-прежнему пропорциональна амплитуде огибающей неограниченного входного сигнала (фиг,2 а,8)Сигнал с выхода дифференциатора 1 поступает на вход устройства 5 через буферный усилитель 3 без инверсии (Фиг,25 ), а на вход устройства 6- через аналоговый инвертор 4 после инверсии (фиг,2 о ).Буферный усилитель 3 и аналоговый инвертор 4 имеют одинаковые коэффициенты усиления и время задержки, но их выходные нап. ряжения противоположны по фазе. Таким образом, какова бы ни была полярность напряжения на выходе диффе" ренциатора 1 в моментна одном из устройств 5 или 6 выборки и хранения будет зафиксировано положительное напряжение, пропорциональное амплитуде входного узкополосного сиг" нала в момент отсчета. Блок 7 согласования пропускает на вход аналогоцифрового преобразователя 8 сигнал только с того устройства выборки и хранения, в котором зафиксировано положительное напряжение. Кроме дифференциатора 1 входной сигнал поступает на компаратор 2. На выходе компаратора 2 присутствует "1", есливходной сигнал положителен, и 0,если отрицателен (фиг,2 а, г ), Припоявлении на выходе компаратора 2 "1"на выходе селектора 14 Фронтов формируется короткий импульс (фиг.2 г,),а на выходе селектора 17 Фронтов благодаря инвертору 13 короткий импульсформируется в момент перехода выходного напряжения компаратора 2 с "1"в "0" (Фиг.2, е ).Поэтому на выходеэлемента 30 ИЛИ при каждом переходевходного сигнала через пОп появляется короткий импульс (фиг.2 а,ие). Когда в момент временис первого выхода генератора 21 образцовых частот поступает пусковый импульс, триггер 11 перебрасывается всостояние, при котором на его выходеи, следовательно, на первом входеэлемента 10 И присутствует логическая "1", При первом, после моментай, переходе входного сигнала через"0" короткий импульс, появившийся навыходе элемента 30 ИЛИ, прохОдит через элемент 10 И на вход формировате"ля 9 стробирующих импульсов, которыйиз короткого импульса вырабатываетвпульс с амплитудой и длительностью,необходимыми для стробирования сигнала в устройствах 5 и 6 выборки и хранения (фиг.2 е ). Этот же короткий им50 кает импульсы заполнения со второго выхода генератора 21 образцовыхчастот на второй вход счетчика 25фаз, а элементы 27 и 28 И пропуска 20 25 ного полупериода входного сигнала(фиг.2 а,),а импульсы на выходеселектора 17 фронтов - в начале каждого отрицательного полупериода(фиг.2 а, е ). Поэтому шифратор 26записывает в счетчик 25 фаз при поступлении импульса с выхода селектора 17 фронтов число, пропорциональное То, а при поступлении импульсас выхода селектора 14 фронтов - чисЗ 5 ло, пропорциональное То/2. Пусковойимпульс переводит триггер 19 в состояние, при котором на его выходеи, следовательно, на.первом входеэлемента 24 И устанавливается логичес- .кая "1", а триггер 20 - в состояние,при котором на его выходе И, следовательно, на первых входах элементов 27 и 28 И устанавливается логический "Оч. В этом состоянии эле мент 24 И пропускает импульсы заполнения на второй вход счетчика 25 фаз,работающего в режиме вычитания, аэлементы 27 и 28 И не пропускают импульсы с выходов селекторов 17 и 14фронтов на входы .шифратора 26. Таким образом, в момент С в счетчике25.фаз оказывается зафиксированнымчисло, пропорциональное Т , если входной импульс поступил в отрицатель ный полупериод входного сигнала, ичисло, пропорциональное Т /2, еслив положительный полупериод. Из этогочисла вычитаются импульсы заполнения,1(п) = 2 - 2 о Ь фо (То Ь) ф а если переход отрицательный (т.е.входной сигнал в момент й положи 6телек), то по формуле М(г) = Я, - 271 Е,де 2о (То /2 - Ь Е),где Й - центральная частота входного узкополосного сигнала;Т 1 Д " период центральной частоты. Следовательно, для определения отсчета фазы достаточно отнять число импульсов, пропорциональное ьй, от числа, пропорционального Т , ес 3 1225014 а пульс, задержанный в элементе 22 за- ли в момент С входной сигнал отридержки на время, достаточное для за- цателен, и от числа, пропорциональпуска формирователя 9, возвращает ного Т /2, если в момент й входной триггер 11 в состояние, при котором сигнал положителен. на его выходе и, следовательно, на Непосредственно перед поступле.- первом входе элемента 10 И-логичес- нием пускового импульса второй тригкий "0". В результате короткие импуль- гер 19 находится в состоянии, при. сы с выхода элемента 30 ИЛИ не про- котором на его выходе и, следоваходят на вход формирователя 9 строби- тельно, на первом входе элемента,. рующих импульсов до появления следую И присутствует логический "0", . ,щего пускового импульса, т.е. до момента взятия следующей пары отсчетов.При поступлении на управляющие входыустройств., 5 и 6 выборки и хранениястробирующих импульсов с формировате ком состоянии элемент 24 И не пропусля 9 производится выборка, и на входаналого-цифрового преобразователя 8благодаря блоку 7 согласования пОступает выборка только с того устройства 5 или 6, на входе которого в мо- ют на входы шифратора 26 короткие ментсигнал имеет положительную импульсы, поступающие соответственполярность. Аналого-цифровой преоб- но с выходов селекторов 17 и 14 фронразователь 8 переводит эту выборку тов. Как указывалось выше, импульсы в цифровой код, поступающий на вторую на выходе селектора 14 фронтов появ" группу информационных входов сдвиго- ляются в начале каждого положительвого регистра 23.Определение отсчетов фазы узкопо"лосного сигнала выполняется путемизмерения интервала времени Ь 1 отмоментадо момента й -первогоя опосле С перехода входного сигналачерез нуль (фиг.2 а ). Если переходчерез нуль в моментположитель-ный (такой переход имеет место, если в моментвходной сигнал отирицателен), то фаза Ц(1) входногосигнала в момент С может быть определена по формуле1225014 количество которых пропорциональноьс (фиг,2), так как в моментимпульсом с выхода элемента 20 ИЛИтриггер 19 возвращается в состояние,при котором на его выходе устанавливается логический "0", и элемент 24 Иперестает пропускать на вход счетчика 25 фаз импульсы заполнения. Такимобразом, в счетчике 25 фаэ после момента 1 оказывается зафиксированным 10число, пропорциональное (С) - отсиету Фазы входного сигнала,ЬВходной узкополосный сигнал, поступивший на вход. устройства аналогоцифрового преобразования, может быть подвержен не тЬлько двухстороннему симметричному, как это приведено на фиг.2 О, но и одностороннему или двух" стороннему несимметричному ограничению по максимуму. При одностороннем или двухстороннем несимметричном ограничении происходит смещение нулевого уровня относительно уровня общей шины "Земля".Очевидно, что максимальное время измерения, необходимое для взятия па" 1 ры отсчетов амплитуды и Фазы незначительно превышает Т/2, так как измерение Фазы заканчивается в момент С а измерение аьиллитуды - в момент, задержанный относительно 1 О на время стробирования, которое мало по сравнению с Т. Однако, чтобы не предъявлять жестких требований к быстродействию аналого-циФрового к быстродействию аналого-цифрового преобразователя 8, считывание информациии с выходов этого преобразователя и счетчи ка 25 фаэ выполняется через несколько периодов центральной частоты после момента окончания измерений, Считывание производится импульсом записи, поступающим с четвертого выхода . генератора 21 образцовых частот на управляющий вход сдвигового регистра 23 и на вход элемента задержки 29, При поступлении этого импульса на управляющий вход сдвигового регистра 23 происходит перезапись в регистр цифровых значений отсчетов амплитуды с выходов аналого-цифровогопреобразователя 8 и Фазы с выходов40разрядов счетчика 25 фаз. После этого импульс записи, пройдя на выходэлемента 29 задержки, обнуляет уст"ройства 5 и 6 выборки и храненияфстирая записанную в них информацию,и возвращает триггер 20 в состояние,при котором на его выходе устанавливается логическая "1", и импульсы,с выходов селекторов 1 и 14 фронтов через элементы 2 и 28 И прохо"50дят на шифратор 26. Тактовые импульсы, поступающие с третьего выходагенератора 21 образцовых частот насоответствующий тактовый вход сдвигового регистра 23, продвигают записанные в регистре цифровые значе"ния отсчетов амплитуды ифазы на вы"ход устройства. Для приведения нулевого уровня к уровню общей шины "Земля" используются следующие блоки-компаратор 2, инвертор 13, селектор 14 фронтов, ключи 15 и 16, элемент 12 задержки, элемент 18 ИЛИ; реверсивный счетчик 31, регистр 32 памяти, цифроаналоговый преобразователь 33, фильтр- интегратор 34, делитель напряжения на резисторах 25 и 36. Реверсивный счетчик 31 на каждом периоде входного сигнала подсчитывает разность между отрицательным и положительным полупериодами. Цифровое значение этой разности фиксируется в регистре 32 памяти, а затем преобразуется в аналоговую Форму с помощью цифро-аналогового преобразователя 33, Фильтр-интегратор 34 накапливает значения.разности в течение йесколькихГ периодов сигнала. Выходное напряжение фильтра-интегратора 34, поступающее на входную шину через делитель напряжения на резисторах 35 и 36, компенсирует смещение нулевого уровня.Ф о р м у л а и з обретенияУстройство аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов,содержащее генератор образцовых частот, счетчик фаз, сдвиговый регистр, первый селектор Фронтов, первый элемент задержки, реверсивный счетчик,регистр памяти, цифроаналоговый преобразователь, Фильтр-интегратор, делитель напряжения, первый и второй ключи, первый и второй триггеры, инвертор, первый и второй элементы И,два элемента ИЛИ, компаратор, первый вход которого является входной шиной, второй вход соединен с общей шиной, а выход - с входом первого селектора фронтов, с управляющим входом нервого ключа и через инвертор с уйраввыходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго устройств выборки и хранения, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входу блока согласования, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, вторые входы устройства выборки и хранения объединены и подключены к выходу формирова" теля стробирующих импульсов вход коюторого соединен с выходом первого элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом второго триггера, входом второго элемента задержки и подключен к выходу второго элемента ИЛИ, выход второго элемента задержки соединен с вторым входом первого триггера, первый вход третьего триггера объединен с первым входом первого триггера, второй вход объединен с третьими входами устройств выборки и хранения и соединен с выходом третьего элемента задержки, вход которого объединен с управляющим входом сдвигового регистра и соединен с четвертым выходом генератора образцовых частот, причем первые входы третьего и четвертого элементов И объединены и подключены к выходу третьего триггера, а выходы соединены с соответствующими входами шифратора, выходы которого через счетчик фаз подключены соответствен" но к первой группе информационных входов сдвигового регистра, вторая группа информационных входов которого подключена к соответствующим выходам аналого-цифрового преобраэова" теля, второй вход счетчика фаэ соединен с выходом второго элемента И, второй. вход третьего элемента И объединен с первым входом второго элемента ИЛИ и соединен с выходом второго селектора фронтов, вход которого подключен к выходу инвертора, второй вход четвертого элемента И объединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и подключен к выходу первого селекто ра фронтов. 1225014 8ляющим входом второго ключа, выходыпервого и второго ключей соединенысоответственно с входами сложения ивычитания реверсивного счетчика, первая группа выходов которого подключена к первой группе входов регистрапамяти соответственно, второй входкоторого через первый элемент задержки объединен с первым входом первогоэлемента ИЛИ и непосредственно под Оключеи к выходу первого селекторафронтов, второй и третий входы первого элемента ИЛИ подключены к второйгруппе выходов реверсивного счетчика, а выход - к входу сброса реверсивного счетчика, выходы регистра"памяти подключены соответственно квходам цифроаналогового преобразователя, выход которого через фильтринтегратор соединен с первым входом 20делителя напряжения, второй вход которого подключен к общей шине, а выход объединен с первым входом компаратора, первые входы первого и второго триггеров объединены и подключены 25к первому выходу генератора образцовых частот, выход первого триггераподключен к первому входу первогоэлемента И, а выход второго триггераподключен к первому входу второгоэлемента И, второй вход которого объединен с информационными входами первого и второго ключей и соединен свторым выходом генератора образцовыхчастот, третий выход которого подключен к входу тактовой частоты сдви 35гового регистра, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены аналого-цифровой преобразователь,140второи и третий элементы задержкивторой селектор фронтов, буферныйусилитель, аналоговый инвертор, дваустройства выборки и хранения, третий и четвертый элементы И шифра"Э45тор, блок согласования, третий триггер, формирователь стробирующих импульсов, дифференциатор, вход- которого является входной шиной, а выход соединен с входами буферногоусилителя и аналогового инвертора,1225014 Фи ктор Л.11 овх аказ 1968/59 пнсное зобретении и отк а, Ж, Раушска Проиэводственно-полиграФическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная, 4 НИИПИ Госуда по делам и 13035, Москв