Стохастический аналого-цифровой преобразователь

) (И) 1/10 5 4 Н 03 МОСУДАРСТВЕККЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 3868077/24-2423.01.8530.10.86. Бюл. В 40Институт электроникиой техники АН ЛатвССРИ.Я,Билинский, Р.Ф.Не.Страутманис681.325 (088.8)СТОХАСТИЧЕСКИЙ АНАЛРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ использоретение применения путем увеличения частотного диапазона измеряемого сигналапри одновременном обеспечении надежности результата преобразования эасчет введения в устройство, содержащее входной усилитель, первый ивторой компараторы, первый генератор тактовых импульсов, элемент НЕ,инвертор, арифметико-логический блокблок элементов И, шифратора, регистра логического блока, делителя частоты, управляемого делителя частоты,второго генератора тактовых импульсов 1 9 п ф лы 3 ил ычисл ск 0-ЦИФР 57) Изобр ельной те и устроиствам дл ных характерис и случайных си(54)ВОЙ П ение относится к иэмер ке, .а именно к цифровя измерения интеграл тик детерминированны гналов, и может быть о в технике связи. Иэобволяет расширить областьИзобретение относится к измерительной технике, а именно к цифровым устройствам для иэмерения интегральных характеристик детерминированных и случайных сигналов, и может быть использовано в технике связи, в производстве и испытаниях различных радиоэлектронных приборов и систем, а также в процессе научных исследований.Цель изобретения - расширение области применения путем увеличения частотного диапазона измеряемого сигнала при одновременном обеспечении надежности результата преобразования.На Фиг. изображена структурная схема стохастического аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 структурная схема логического блока; на Фиг.З - блок-схема алгоритма работы стохастического аналого-цифрового преобразователя.Устройство содержит входной усилитель , первый 2 и второй 3 компараторы первый генератор 4 тактовых импульсов, инвер Гор 5, арифметико логический блок 6, элемент НЕ 7, шифратор 8. регистр 9, элемент И 10, логический блок 11, делитель 2 частоты управляемый делитель 13 частоты, второй генератор 14 тактовых импульсов. Стохастическое квантование в предлагаемом измерителе осущест 1 зляется путем сравнения входного сигнала сопорным сигналом, в качестве которого используется аналоговый псевдослучайный сигнал, ,формируемый блоком 6, В то же время с помощью этого псевдослучайного сигнала осуществляется и управление генератором тактовых импульсов (ГТИ) 4 , В результа - те ГТИ 4 Формирует импульсы в случайные моменты времени, что обеспечи-.ф 5 вает стохастпческую дискретизацию, т.е обеспечивается получение результатов квантования в указанные случайные моменты времени. Ввиду того, что арифметико-логический б.пок 6 тактируется периодической последовательностью от ГТИ 14 а результаты кван - товаРРия получень в случайные момей- ТЫ РЗРЕМЕНИ 13 7 СТРОЙСТЕЗЕ ПРЕЦУСМОТ репы гехнические средства для синх 55 ронизации процедур получения результатов квантования и их обработки в арифметико-логическом блоке 6. Основными задачами логическогоблока 11 являются выработка сигналовуправления элементом И 1 О, через который осуществляется ввод результатов квантования иэ регистра 9 в арифметико-логический блок 6, и формирование импульсов счета введенных результатов. Импульсы счета используют-.ся в качестве входной информации де-слителя 12 частоты. В связи с тем,что арифметико-логический блок 6 так.тируется периодической последовательностью от ГТИ 14), а компараторы 2 и 3 - случайной, импульсы обоих генераторов являются основнойвходной информацией, на основании которой вырабатываются выходчые сигналы логического блока Г 1.Погический бл зк 11 содержит счетчик 15 импульсов, триггеры 16 и 17, .формирователь 18 импульсов, элементИ 19, элемент ИЛИ 20, триггер 21,элемент 22 задержки.Основной функцией ГТИ 4 являетсягенерирование последовательности импульсов со случайными интерваламимежду моментами Рх появления. Этафункция осуществляется за счет управления работой генератора от источника аналогового псевдослучайногосигнала. В качесгве такого источникаиспользуется арифметико-логическийблок 6, с выхода которого псевдослучайный сигнал по"тупает на вход генератора.Устройство работает следующим образом,Обрабатываемььй сигнал через входной усилизгель 1, в котором он приводится к требуемому масштабу измерения, поступает на первые входы компараторов 2 и 3. На вторые входы компараторов гРодается сигнал от ГТИ 4,На третьи входы компараторов поступает аналоговый псевдослучайный опорный сигналпервого выхода арифметико-логического блока 6, причем натретий вход компаратора 3 поступаютположительные значения, а на третийвход компаратора 2 - отрицательныепосле инверсии, выполняемой в инверторе 5. В моменты времени определяемые ГТИ 4, происходит сравнение сигнала и опорного напряжения. В зависимости от полярности сигнала и соотношений между сигналом и опорным напряжением может переключиться компаратор 2 или ко паратор 3, Обозна 1267615чим величину сигнала в момент времени С за х . Аналоговый псевдослучаййый сигнал, снимаемый с первого выхода блока б, обозначимгде- псевдослучайное число, генерируемое в блоке, а г 1 - половина диапазона преобразования. Тогда при 1 хг 1 переключается компаратор 3, при х(Т )-ц переключается компаратор 2, а при 1 х(С) Ч компараторы не переключаются.Сигналы с выходов компаратора 3 непосредственно, а с компаратора 2 через элемент НЕ 7 поступают на шифратор 8, где формируется результат и стохастического квантования сигнала в виде знака з 8 п(п) и абсо - лютного значения 1 п 1, которое на основании логики работы компараторов определяется в соответствии с алго- ритмом 1, если 1 х(С)1 )о, п = (1)О, еслих(е, ) )с 1,а знак зцп (и) - следующим образом;з 1 р (и)=-1, если переключил-"ся компаратор 2;з 1 рп (и) = 1, если переключился компаратор 3или не переключился ни один изкомпараторов,т.е. если п=О.Результат квантования из шифратора 8 заносится затем в регистр 9 с целью последующего ввода в арифметико-логический блок 6 через элемент И 1 О. По второму входу указанный элемент управляется сигналом разрешения ввода, вырабатываемым логическим блоком 11, что при взаимодействии его с делителем 12 частоты и управляемым делителем 13 частоты обеспечивает получение надежного результата преобразования.Прежде чем рассмотреть процедуры ввода и обработки в блок 6 результата квантования, следует рассмотреть ггричины, которые могут привести к появлению ошибок.Вследствие того, что сигнал на первом выходе блока 6 является псевдослучайным шумом, его воздействие на вход генератора ГТИ 4 приводит к тому, что интервалы между моментами появления импульсов на выходе генератора становятся случайными величинами, Таким образом, компараторы2 и 3 тактируются случайной импульсной последовательностью, блок 6 - периодической, поступающей на первыйвход микропроцессора от генератораГХИ 14. В результате моменты времени,в которые тактируютсякомпараторы, мо-гут с равной вероятностью попастьна любой этап программы, выполняемой 1 О в блоке 6. Это может привести к ошибке; для пояснения которой рассмотримлпроцедуру образования оценки хотсчета сигнала при стохастическом .квантовании второго рода.х= йз.дп (и,) (1 п 1+ -0,5)г 1 (2)где 1 п - определяется в соответствии с (1) и в 1 рп (и ) - всоответствии с описанной 20 процедурой.Из (2) следует, что в х, входитименно то псевдослучайное числокоторое было использовано в видеаналогового эквивалента в моментЧ 25 Спри определении и, т, е. при тактировании компараторов. Если для получения 1 вместобудет использовано число , или или чис)1+гло с каким-либо другим порядковым З 0 номером, то это приведет к неправильному образованию оценки и в итоге кневерному и, по-крайней мере, к ненадежному результату преобразования.Возможность подобной ситуации иллюстрируется структурной схемой алз 5горитма работы микропроцессорногоизмерительного преобразователя (фиг.З),Из структурной схемы следует, чторабота преобразователя организованакак последовательность программныхциклов. Проверкой условия 1 И, гдеИ - заданный объем выборки отсчетовсигнала, заканчивается программныйцикл определения и обработки 1-го от счета сигнала, после чего программавозвращается в начало с целью определения и обработки следующего отсчета. Из фиг.З следует, что в течение 50 одного программного цикла в памятимикропроцессора хранятся одновременно три значения псевдослучайного числа, . Обновление значения аналоговой величины на первом 55 информационном выходе блока б, исполь.зуемой в качестве опорного уровнякомпараторов 2 и 3, производится наэтапе "Вывода". От начала цикла1267615 3до этого этапа на первом выходе сохраняется значение, а, т.е. значение, установленное на предыдущем программном цикле. омент тактирования компараторов при стохастической дискретизации может совпасть с любым этапом программного цикла, т.е. может соответствовать опорному уровнюЧ или1. Ввод результата квантования осуществляется только на О этапе "Ввод и", затем и обрабатывается по программе с,вполне конкрет ным числом. Если компаратор такти-, руется на этапе "Выводц", то обработка должна осуществляться с чис лом, если компараторы тактируютсякдо этого этапа - то с числом При появлении момента тактирования после этапа "Ввод п фактический ввод результата квантования произой О дет на следующем программном цикле, что требует его обработки также с числом , . Для исключения неопределенности при обработке необходимос помощью внешних по отношению к блоку 6 средств осуществить операциипо управлению вводом в блок б резуль"тата квантования. Эти операции выполняются логическим блоком 11 совместно с делителем 12, управляемым ЗОделителем 13 и элементом И 10. Программная реализация алгоритма, приведенного на фиг,3, показывает, что отрезки программного пик ла требующие использования числадлиннее, чем отрезки, требующие. Поэтому для обработки результата квантования и выбрано программное число , , а с помощью логичес кого блока 11 из ввоца в блок 6 исключаются результаты квантования, полученные на отрезке "Вывод , ц, Для этой цели на входы логического блока 1 поступают импульсы от ГТИ 4 и 14 45 и импульс от управляемого делителя 13, вырабатывающего команду возврата программы блока 6 в начало. Логический блок 11 вырабатывает сигнал ввода, поступающий на один из входов 50 элемента И 10 и разрешающий прохождение результата квантования из регистра 9 в блок 6, Одновременно с разрешающим сигналом логический блок 11 вырабатывает импульс счета "ис- у пользованныхрезультатов Квантования, который с первого выхода поступает на вход делителя 12,бТаким образом, каждый вводимый в блок 6 результат квантования обрабатывается совместно с псевдослучайным числомс операции запоминания которого в соответствии с фиг.3,начинается очередной программный цикл . После операции "Ввод иопределяетлся оценка отсчета х обрабатываемого сигнала по формуле (2). Далее производится статистическая обработка, т.е. накопление данных об искомом параметре сигнала. Эта операция в алгоритме названа Определение А, где А вычисляется по формулеА:=, ч (х ) /И, (3)кс(где М(х) - некоторое функциональноепреобразование, соответствующее искомому пара-,метру сигнала, например(х ) - хгНа фиг,3 показано вычисление одного А, хотя в микропроцессоре может быть вычислено несколько различных функциональных преобразованийУ,(х) К (х), соответствующихнескольким измеряемым параметрамсигнала.Проверка условияИ осуществляется управляемым делителем 13 совместно с делителем 12, управляемыйделитель 13 при наличии разрешающегопотенциала на пер:аом входе считаетпоступающие на второй вход импульсыот ГТИ 4, Осуществляется счет помодулю М, значение которого определяется номером ш команды блока 6,при котором в соответствии с конкретной программой должен осуществляться возврат в начало, Для определениязначения модуля н окно воспользоваться выражением М=4 ш, так как для выполнения одной команды в блоке б необходимо 4 тактовых импульса,Делитель 12 ведет счет результатов квантования вводимых в блок 6,Это означает, что на вход делителя12 с первого выхода логического блокаимпульс поступает в том случаеесли на втором выходе логическогоблока 11 появляется потенциал, разрешающий прохождение через элементИ 10 результата квантования из регистра 9 на. третий вход блока 6. Де"литель 12 ведет счет по модулю М дотех пор, пока число введенных результатов квантования 1 И имеет на выхо 7; 12676 де потенциал, разрешающий управляемому делителю 13 возврат в начало программы. После того, как выпЬлнено равенство 1=И, на выходе делителя 12 появляется запрещающий потенциал и управляемый делитель 13 прекращает формирование импульсов возврата. Это означает, что закончена обработка отсчетов сигнала и получены значения ОА= --% (х ), (4)кПосле этого ( в соответствии с фиг.З) в программе осуществляется переход к обработке величины А с 5 целью ее функционального преобразования и получения значений измеряемых параметров сигнала. Виды функциональных преобразований определяются, в первую очередь, видом преобразования 20 %(х) . Если, например, %(х)=х то А= Р(х) - оценки дисперсии сигнала или его средней мощности. Тогда могут быть выполнены такие преобразования, как 1 А , с целью получения оценки эффективного значения сигнала и/или 1 ор А с целью последующего получения значений мощности в децибелах.После завершения обработки по ЭО программе следует вывод результатов преобразования на второй информационный выход блока 6.Формирование сигналов логическим блоком 11 производится в соответствии с его структурной схемой (фиг.2),С началом каждого программного . цикла сигнал, поступающий на первый. вход логического блока 11 с выхода управляемого делителя 13, устацав ливает на выходе счетчика 15 и инверсном выходе триггера 17 потенциал логического нуля, а на выходе триггера 16 - логической единицы, Счетчик 15 по входу С начинает счет 45 импульсов генератора ГТИ 14, тактирующих блок 6. Объем счетчика 15 определяется равным числу тактовых импульсов, необходимых для выполнения по фиг.З первых двух операций - за поминания 5 ,и генерирования С учетом того, что для выполнения одной команды микропроцессора необходимы 4 тактовых импульса, можно считать, что счетчик 15 является 55 счетчиком по модулю 41, где 1 - чис-. ло команд, необходимых для выполнения двух 1 названных операций. 15 1 8В течение этого этапа на один из входов элемента ИЛИ 20 подается с выхода триггера 16 логическая едини ца, следовательно, единица будет и на Р-входе триггера 21. Если на этом этапе появится от ГТИ 4 импульс тактирования компараторов 2 и 3 (фиг. то при его воздействии на С-входе триггера 21 на выходе его установится единица, Значит разрешающий сигнал будет подан на элемент И О, в результате чего на соответствующем этапе программы результат квантования п не будет введен в блок 6 иэ регистра 9, Одндвременно разрешающий потенциал устанавливается ца вхо де элемента И 19, и при появлении в дальнейшем (после ввода и к) импульса на вьходе формирователя 8 импульсов через элемент 22 задержки будет подан импульс счета ца вход делителя 12. Величина задержки определяется числом команд или временем, затрачиваемым на ввод в блок 6 результата квантования, Кроме того, импульс с выхода элемента 22 задержки подается ца устацовочцый вход триггера 21 для установки его в нуль после завершения ввода.Во время выполнения первых двух операций алгоритма ( фцг.З) счетчик 15 ведет счет импульсов от ГТИ 14, После выполнения блоком б команд на выходе счетчика 15 появляется отрицательный перепад, который переключает триггер 16, и результате чего на его выходе устанавливается потенциал логического нуля. Триггер 17 при. этом состояния не меняет, так как переключается при воздействии на его тактовый вход положительного фронта, т.е. переход из нуля в еди - цицу. После переключения триггера 16 на обоих входах элемента ИЛИ 20 устанавливаются логические нули и на Р-входе триггера 2 - также логический нуль. Поэтому, если на следующем этапе работы блока 6 (" Выводц") появится от ГТИ 4 импульс, тактирующий компараторы, то при его воздействии на тактовый вход триггера 21 на выходе. триггера установится потенциал логического нуля. Это означает, что на вход с элементом И 1 О (фиг.1) будет подан запрещающий сигнал и результат квантования из регистра 9 в блок б це будет введен, В результате того, что данный ре 9 12676 эультат квантования в процессе измерения не использован, нулевой потенциал с выхода триггера 21 запрещает в данном программном цикле прохождение через элемент И 19 сигнала счета на делитель 2,При реализации в программе алгоритма, приведенного на фиг.З число команд, необходимых для выполнения операции "Вывод г", нужно также 1 О сделать равным величине Г. Тогда после завершения этой операции на выходе счетчика 15 вновь появится импульс, который, переключив триггер 16, установит на его выходе потенци ал логической единицы. Теперь на инверсном выходе триггера 7 установится единица, так как на 0-входе нулевой потенциал, На оба входа элемента ИЛИ 20 и, следовательно, на 20 П-вход триггера 21 будет подан потенциал логической единицы, При этом вновь создаются условия для установки триггера 21 импульсом от ГТИ 4 в единицу и выработки разрешающего У 5 сигнала для элементов И 10 и 19. Триггер 17 сохранит единичный потенциал на выходе до конца программного цикла и, следовательно, до конца цикла сохраняется возможность установки ЗО триггера 21 в единицу импульсом от ГТИ 4. Если это произойдет, то н соответствии с алгоритмом ввод результата квантования н блок 6 осуществится на следующем программном цикле.Таким образом, под управлением логического блока 11 из ввода н блок 6 и из учета делителем 12 исключаются результаты квантования, полученные наи нна этапе Выводг 1, чем обеспечив а Оется надежность результата преобразования. 15 0информационные выходы являются выходной шиной, иннертор, выход которого соединен с третьим входом первого компаратора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения путем увеличения частотного диапазона измеряемого сигнала при одновременном обеспечении надежности резупьтата преобразования, в него введены шифратор, регистр, логический блок, делитель частоты, управляемый делитель частоты, второй генератор тактовых импульсов, вход инвертора объединен с входом первогогенератора тактовых импульсов, третьим входом второго компаратора и подключен к второму информационному выходу арифметико-логического блока,вход которого объединен с первым входом логического блока и подключен к выходу управляемого делителя частоты, а вход синхронизации объединен с входом управляемого делителя частоты, вторым входом логического блока и подключен к выходу второго генератора тактовых импульсов, третий вход логического блока соединен с выходомпервого генератора тактовых импульсон, первый выход через делитель частоты соединен с первым входом управляемого делителя частоты, а второй выход - с первым входом элемента И, второй нхоц которого соединен через регистр с выходом шифратора, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами элемента НЕ и второго компаратора. 2. Преобразователь по и. 1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что логический блок выполнен на счетчике импульсон, трех триггерах, формирова Формула изобретения45 1. Стохастический аналого-цифровой преобразователь, содержащий входной усилитель, вход которого является входной шиной, а выход соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы которых объединены и подключены к выходу первого генератора тактовых импульсов, элемент НЕ, нход которого соединен с выходом первого компаратора, арифметико-логический блок, информационный вход которого соединен с выходом элемента И, а первые теле импульсов, элементах И, ИЛИ, задержки, выход последнего из которыхявляется вторым выходом блока, а входчерез элемент И соединен с выходом Формирователя импульсов, вход которого объединен с первым входом элемента ИЛИ и.подключен к инверсному выходу пер:ного триггера, установочный вход которого объединен с установочными входами второго триггера, счетчика импульсов и является первым входом блока, вторым входом которого является счетный вход счетчика импульсов, выход которого соединен со счетным входом второго триггера, выход которого соединен с вторым входомСоставитель И.РомановаТехред И, Попович Корректор Е,Сирохман Редактор Е.Копча Заказ 5833/57 Тираж 816 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г,ужгород, ул.Проектная, 4 11 1267615 12элемента ИЛИИ счетным входом первоговочный вход соединен с выходом элетриггера информационный вход которого мента задержки, счетный вход являет- подключен к нулевому потенциалу, инор- ся третьим входом блока, а выход соемационный вход третьего триггера соеди" динен с вторым входом элемента И и нен с выходом элемента ИЛИ, устано является первым выходом блока,