Вероятностный интегрирующий преобразователь аналог-код

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 111) 03 М/О ОМИТЕТ СССР НИЙ И ОТКРЫТИ СУДАРСТБЕННЫИ О ДЕЛАМ ИЗОБРЕ ТЕНИ ЕЛЬСТВУ,(57) Изо ,тике и вь жет быть втома и моислительнои техник спользовано в изме тел Авторское свидетельство СССР9 1229950кп, Н 03 М 1/04, 98 ЯТНОСТНВ 1 Й ИНТЕГРИРУЮЩИИ ВАТЕЛЬ АНАЛОГ - КОД ретение относится к аных системах, измерительно-вычисли тельных комплексах. Изобретение п валяет повысить точность преобразования за счет того, что в устройство,содержащее генератор случайных чисел,цифроаналоговый преобразователь, компаратор, элемент И, счетчик импульсови блок синхронизации, введены регистр,два цифроаналоговых преобразователя,аналоговый вычитатепь, блок масштабирования, блок ремасштабирования, двакомпаратора, два элемента И 4, реверсивн)й счетчик и сумматор. Поставленная цель достигается эа счет разделения математического ожидания процесса и центрированной величины ординаты с дальнейшим масштабированием;более полным диапазоном динамическо- Зго представления, ремасштабированиеми точным сложением с величиной математического ожидания. 3 з.п. ф-лы,4 ил., ИЛИ 57, сче 1 чик-делитель 58, элементИЛИ 59, элемент И 60, генератор 61 Вьосоды дешифратора 47 ыходные разря счетчика 46 ИФп/и 1 23 0 0 0О О 0 1 0 0 0 0 0 О0 Х Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и можетбыть использовано н измерительныхсистемах, измерительно-вычислительных комплексах.Цель изобретения - повышение точности преобразования.На фиг.1 изображена блок-схемапредлагаемого преобразователя; на 10фиг.2 - функциональная схема блокамасштабирования; на фиг.3 - функциональная схема блока синхронизации;на фиг.4 - функциональная схемаблока ремасштабирования. 15Преобразователь содержит блок 1масштабирования, компараторы 2 и 3,.элементы И 4 и 5, реверсивный счетчик 6, блок 7 ремасштабирования, аналоговый вычитатель 8, цифроаналоговый 20преобразователь (ЦАП) 9, регистр 10,компаратор 11, элейент И 12, счетчик13 импульсов, ЦАП 14 и 15, генератор16 случайных чисел, сумматор 17, блок18 синхронизации, входную 19 и выходную 20 шины, входные 2 - 25 и выходные 26 и 27 шины блока 1 масштабирования, входную 28 и выходные 2933 шины блока 18 синхронизации, входные 34-36 и выходную 37 шины блока ЗО7 ремасштабирования,Блок 1 масштабирования содержитрегистр 38, аналоговые ключи 39.139.К, усилители 40 и 41, компаратор42, триггер 43, элемент 44 равнозначности, элемент И 45, счетчик 46 импульсов, дешифратор 47, резисторы48-50 и резисторы 51.1-51.К. тактовых импульсов, элемент И 62 и триггер 63.Блок 7 ремасштабирования содержит регистр 64, 1 - 2 элементов И 65.1 65.(1 - 2), (66.1-66.К) групп элементов И-НЕ, объединенных по п элементов, причем первые входы элементов И-НЕ каждой группы объединены и являются управляющим входом группы, а вторые входы элементов И-НЕ каждой группы являются информационными входами каждой группы элементов И-НЕ.Преобразователь работает следующим образом.Работа преобразователя начинается с режима начальной установки. Сигнал начальной установки поступает в блок 18 синхронизации по шине 28 извне и предшествует началу преобразования.По сигналу начальной установки в блоке 18 синхронизации заблокируется выход генератора 61 на элементе И 62 по инверсному входу. Одновременно через элемент ИЛИ 59 сбрасывается счетчик-делитель 58, через элемент ИЛИ 55 сформируется сигнал по шине 31 на сброс счетчиков 13 и 46 в блоке 1 масштабирования и через времязадержки, определяемое параметрами элемента 54 задержки, пройдя через элемент ИЛИ 57, сформируется сигнал по шине 32 на запись содержимого в регистры 10 и 38 (в блоке 1 масштабирования). Непосредственно по сигналу начальной установки будет обнулен реверсивный счетчик 6 и установлен в исходное состояние генератор 16 случайных чисел (связи не показаны), в результате чего в регистре 10 окажется записанным нуль из обнуленного счетчика 13.В соответствии с таблицей в регистр 38 записывается код. 2 3КК-КГ1.1441476 Продолжение таблицы Выходы дешифратора 47 Выходные разряды счетчика 46"0" - уровень логического нуля "1" - уровень логической единицы, Х - безразличное состояние. После снятия потенциала начальной установки разблокируется прохождение 20 сигналов генератора 61 тактовых импульсов через элемент И 62 на триг" гер 63. Тактовая частота делителя на триггере 63 и с прямого выхода поступает на счетный вход счетчика-делителя 58 и по шине 29 поступает на изменение состояния генератора 16 и на входную шину 23 блока 1 масштабирования. Импульсы с инверсного выхода триггера 63 по шине 30 подаются ЗО на вторые входы элементов И 4,5 и 12. В дальнейшем (до переполнения счетчика-делителя 58 блока 18 синхронизации) будут выдаваться только эти тактовые импульсы по шинам 29 и 30. Входное преобразуемое напряжение Х(С) с входной шины 19 поступает на первый вход компаратора 11 и на вход "Уменьшаемое" аналогового вычитателя 8, На второй вход компаратора 11 подается случайное напряжение с. цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 14, Компаратор 11 формирует на выходе импульс, если случайное 45 напряжение окажется ниже входного. Этот импульс поступает на элемент И 12, стробируется тактом и выдает с выхода элемента И 12 на вход счетчика 13 импульс, который суммируется данным счетчиком.На второй вход аналогового вычитателя 8 - вход "Вычитаемое" - подается напряжение, пропорциональное содержимому регистра 1 О, Посколь ку после начальной установки содержимое регистра 10, преобразованное в цифроаналоговом преобразователе 9, равно нулю, то с выхода Разность1 2 3ККК вычитателя 8 на входную шину 21 блока 1 масштабирования поступает нецентрированная величина процесса,равная Х( ) .В блоке 1 масштабирования регистр 38 начальной установки приведен в состояние, соответствующее работе масштабирукщего усилителя 40 с максимальным коэффициентом усиления, равным 2 (аналоговый ключ 39.К и резистор 51.К передают напряжение обратной связи). Поэтому сигнал по шине 26 блока 1 масштабирования передается на суммирующий и вычитающий входы компараторов 2 и 3. Случайное напряжение ц с выхода ЦАП подается на вычитающий вход компаратора 2 и с выхода ЦАП 15 подается на суммирующий вход компаратора 3Таким образом, на входах компараторов 2 и 3 случайное напряжение изме" няется соответственно в пределах (О,Б ) и ( - Б,О). Напряжение преобразуемого сигнала может находиться в диапазоне ( - 11 О 1 Б ). Приэтом следует помнить, чтоБ11 оКомпаратор 2 с элементом И 4 служит для преобразования "положительной полуволны" входного напряжения. Когда Х(й) ) О, то на выходах элемента И 4 могут появляться импульсыХ+(й.)с вероятностью Р =- где 11+ 11оопХ(й),. В это время на входе элемента И 5 - логический ноль, таккак як ( Х(С).Компаратор 3 с элементом И 5 служит для преобразования "отрицательной полуволны" входного напряжения.Когда Х(С) ( О, то на выходах элемента И 5 могут появляться импульсы сХ (1)вероятностью Р =- так какР11 оп 5 при равномерном распределении значений -11 с данной вероятностью будет выполняться неравенство Х (1)с -Ояя ) при этом на входе элемента И 4 - логи. ческий нуль, так как Хс 11,х, 1 О 1Таким образом, при значениях Х(й)О импульсы будут поступать только на суммирующий вход реверсивного счетчика 6, а при значениях Х с 0 - только на вычитающий вход счетчика б. При этом частота (вероятность) появления импульсов пропорциональна модулюХ(г.) входного напряжения.В течение цикла (до переполнения счетчика-делителя 58) в счетчике 13 накапливается некоторое количество импульсов, пропорциональное величине математического ожидания:25М(Х(С)=Р, Х(1) . РВ 1 х 1-ом цикле, равном 2, где р разрядность счетчика-делителя 58, на выходе счетчика-делителя появляется сигнал переполнения, который по шине 33 организует перезапись содержимого регистра 38 масштаба в регистр 64 коэффициента ремасштабирования,35 а через время , определяемое параметром элемента 56 задержки, через элемент ИЛИ 57 по шине 32 сформируется сигнал записи содержимого счетчика 13 в регистр 10 и содержимого 40 счетчика 46, преобразованного через дешифратор 47, - в регистр 38. Сигналы по шинам 33 и 32 привязаны к импульсам с прямого выхода триггера 63, сигнал переполнения регистра, выдаваемый по шине 31, будет привязан к импульсу с инверсного выхода триггера 63 и задержан относительно него на время 2, определяемое параметром элемента 53 задержки. Эта привязка с задержкой на время, равноеосуществляется на элементе И 60. С выхода элемента И 60 через элемент ИЛИ 55 будет сформирован сигнал по шине 31, который сбросит в ноль со" держимое счетчиков 13 и 46.Сигнал по шине 33 позволяет произвести на сумматоре 17 восстановление полной величины преобразуемого напряжения посредством суммирования (команда на суммирование выдана с шины 33 на вход сумматора 17) математического ожидания напряжения Х(Т) с предыдущего цикла преобразования М(")(Х(г., записанного в регистре 1 О (в первом после начальной установки цикле регистр 10 обнулен) по входу второго слагаемого и масштабированной величины математического ожидания центрированного напряжения:а ( )х = х - м (х(;мх - х х - м хгде 1,х - коэ Ффициент масштабиро в ания 1 са(1,22" ) у1 - предыдущий цикл преобразования.В реверсивном счетчике 6 образуетося величина ЕХ , которая перед поступлением в сумматор ремасштабируется, т.е. домножается на коэффициент11 с1 мС выхода блока 7 ремасштабироваония величина Х поступает на вход первого слагаемого сумматора 17. С выхода сумматора величинао 11, 1= х + м (х(епоступает на выход по выходным шинам 20.Коэффициент 1 масштабированияопределяется автоматически в блоке 1масштабирования на основании анализа величины дисперсии П преобразуемого напряжения, вычисляемой в блоке 1,Блок 1 масштабирования работаетследующим образом, Напряжение исследуемого слУчайного сигнала 6 х с помощьюусилителя 41, который служит длясмещения знакопеременного входногосигнала на величину, равную П, /2,где П- опорное (максимально допустимое) напряжение на входе преобразователя, приводится к диапазону(О, П ) с центром в точке, равной11/2. При нулевом напряжении на входе блока масштабирования напряжениена выходе усилителя 41 будет равноП и При Пах Ф О напряжение на вы-ходе усилителя будет больше или меньше П /2 в зависимости от знака(при Пьх О Пью,По/2, иначе Веых сБ /2). С помощью компаратора 42, на вычитающий вход которого подается случайное напряжение 1 с выхода ЦАП 14, равномерно расйределенное в диапазоне (О,Б,), напряжение 08 щ преобразуется в поспедовательность бинарных символов 1 с вероятностью появления единицы: ОоВвнх Воо /2+ 13 ехоР(1 ) = - = ---- = 0 5+ Хк)в квопогде Х- нормированное (приведенноек единичному диапазону 15- 0,5; 0,5 )значение входного случайного сигнала.Последовательность случайных символов 1 непосредственно, а также через триггер 43 поступает на вхо ды элемента 44 равнозначности, выполняющего возведение в квадрат текущих значений исследуемого сигнала Х, При этом в условиях независимости случайных символов 1 и 1 на входах 25 данного элемента, обеспечиваемых триггером 43., вероятность появления единичного символа на его выходе рав- на Р(2 к) Р(1 к 1 к х 1 к 1 к) Р (1)Р (1) = (0,5 Х) + о ог+(Ох 5 - Хн) = 0,5+ 2 Хк. С выхода элемента 44 равнозначности бинарные символы 2 к через элемент И 45 поступают на вход счетчика 46,+ 1 где. по окончанию периода Н = 2 усреднения тактов (в - разрядность счетчика) Формируется результат 2, содержащий в себе оценку дисперсии исследуемого сигнала. От результата счета зависит выбор одного из возможных коэффициентов 1 с 6 (12.2 ) усиления масщтабирующего усилителя 40. Математическое ожидание результата равно2 нМ(2) = -М(2 ) = 0,5+ -Хк = 50 к= км Так как в счетчике 46 не ш 1,. аш разрядов, то единица (ш + 1)"го раэряда выходит за пределы разряднойсетки и в счетчике непосредственнополучается сценка дисперсии сигнала 4 В" (Х) (при расположении запятой перед ш-ым старшим разрядом счетчика 46),Если случайный сигнал на входе блока масштабирования, изменяющийся1 оо Ц оов диапазоне ( ---- -) имеет22нормальное распределение со средне- квадратическим отклонением, равнымБооЯ =то дисперсия нормирован" ьх 6 фного сигнала равна В= , при1этом величина 4 В = - . Можно счих 9 фтать, что входной случайный сигнал не требует усиления, если оценка дислперсии сигнала равна 4 В (Х.16 Если же оценка дисперсии преобразуемого сигнала находится в пределахА 1 1 л 1 64- с 4 В (Х)с - ; сЬ В (Х)с16256- 64 ит д 1 то входной случайный сигнадолжен быть усилен соответственнов 2, 4 и т.д. раз, что и выполняетсяусилителем 40,Вычисление оценки дисперсии исследуемого сигнала производится послекаждых Б тактов работы преобразователя. При этом двоичный код, определяниций один из К поддиапазонов нахождения указанной оценки по сигналу,заносится в регистр 38, после чегосчетчик 46 возвращается в исходноесостояние и процесс вычисления оценАки В (Х) повторяется вновь.Математическое ожидание результата, накаппиваемого в реверсивномсчетчике 6 за время интегрированияМ тактов, может быть определено поформулео1 о 1 "Ух (Й)МР) = - х х"-( - = - : - -"(- -Я, Ц)1 ы Поо+1 1100гдето+ Ю =Н.Из (1) видно, что М(Хьх) представляет собой несмещенную оценку Х(С) =Осреднего значения входногосигнапа.Дисперсия этой оценки вычисляетсяпо формулегде 11 к и Ы )х - случайные импульсы на суммирующем и вычитающем входах реверсивного счетчика б;М(Х ) и М(Х)- математическое 1 О ожидание абсолютных значений положительных и отрицательных полуволн сигнала ХПри симметричном распределении значений Х эи Х (г.) имеем 15 Формула из обрет ения2 О1. Вероятностный интегрирующий преобразователь аналог - код, содержащий генератор случайных чисел, первый цифроаналоговый преобразователь, первый компаратор, первый эле мент И, 1-разрядный счетчик импульсов и блок синхронизации, первый выход которого соединен с тактовым входом генератора случайных чисел, выхо" ды которого соответственно подключе- ЗО ны к информационным входам первого цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого является первой входной шиной уровня опорного напряжения, а выход подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого является входной шиной, а выход подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом 1-разрядного счетчика им 1( х) пульсов, вход установки в О которого подключен к второму выходу блока синхронизации, вход которого является шиной начальной установки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования в него введены регистр, второй и третий цифроаналоговые преобразователи, аналоговый вычитатель, блок масштабирования, второй и третий компараторы, второй и третий элементы И, и-разрядный реверсивный счетчик, блок ремасштабирования и сумматор, выход которого является выход 55 ной шиной устройства, вход которого объединен с входом блока ремасштабиро. вания и соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к первому входу блока масштабирования и тактовому входу регистра, входы которого соответственно соединены с выходами 1- разрядного счетчика импульсов, а выходы соответственно подключены к первой группе входов сумматора и соответствующим входам второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу "Вычитаемое" аналогового вычитателя, вход"Уменьшаемое" которого соединен с входной шиной, а выход подключен к второму входу блока масштабирования, третий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, четвертый вход объединен с первым входом второго компаратора и подключен к выходу первого цифроаналоговогопреобразователя, пятый вход соединен с вторым выходом блока синхронизации, пятый выход которого подключен квторому входу первого элемента И и первым входам второго и третьего элементов И, выходы которых соответственно подключены к входам суммированияи вычитания и-разрядного реверсивного счетчика выходы которого соответственно подключены к первой группе входов блока ремасштабирования, выходы которого соответственно подключены к второй группе входов сумматора, группа выходов блока масштабирования соответственно подключенак второй группе входов блока ремасштабирования, выходы генератора случайных чисел соответственно подключены к входам третьего цифроаналогового преобразователя, вход опорногоннапряжения которого является второивходной шиной уровня опорного напряжения, а выход саединеп с первым входом третьего компаратора, второй вход которого объединен с вторым входом второго компаратора и соединен с выходом блока масштабирования, а выходы второго и третьего компараторов соответственно подключены к вторым входам второго и третьего элементов И,2, Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок масштабирования выполнен на регистре, (К + 3)-х регистрах, где К определяет диапазон масштабирования, равного 2 , двух усилителях, компаратокре К-ключевых элементах, триггере,7счетчике импульсов, дешифраторе,элементе равнозначности и элементе И,выход которого подключен к тактовомувходу счетчика импульсов, вход уста 11 1фновки в О является пятым входомблока, а выходы соответственно подключены к входам дешифратора, выходыкоторого соответственно подключенык информационным входам регистра, Отактовый вход которого является первым входом блока, а выходы соответственно подключены к управляющим входам ключевых элементов и являются группой выходов блока, первый вход 5 элемента И объединен с тактовым входом триггера и является третьим входом блока, второй вход элемента И соединен с выходом элемента равнозначности, первый вход которого соединен 20 с выходом триггера, информационный вход которого объединен с вторым входом элемента равнозначности и соединен с выходом компаратора, первый вход которого является четвер тым входом блока, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя и через первый резистор подключен к первому входу первого усилителя, второй вход которого является 30 входной шиной уровня опорного напряжения, первые выводы второго и третьего резисторов объединены и являются вторым входом блока, второй вывод второго резистора соединен с первым входом первого усилителя, первые выводы с четвертого по (К + 3)-й резисторов объединены с вторым выводом третьего резистора и подключены к первому входу второго усилителя, 40 второй вход которого является шиной нулевого потенциала, а выход подключен к аналоговым входам ключевых элементов и является выходом блока, выходы ключевых элементов с перво го по К-й подключены к вторым выводам резисторов с четвертого по (К+3)-й.3, Преобр азов атель по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок синхронизации выполнен на четырех элементах задержки, триггере; делителе, двух элементах И, трех элементах ИЛИ и генераторе тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, выход которого подключен к счетному входу триггера, прямой выход которого является первым выходом блока, а инверсный выход является пятым выходом блока и через первый элемент задержки подключен к первому входу второго элемента И, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ и через второй элемент задержки подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу делителя, второй вход которого подключен к прямому выходу триггера, а выход подключен к второму входу второго элемента И и является третьим выходом блока, второй вход первого элемента И объединен с вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, входом третьего элемента задержки и является входом блока, первый и второй входы третьего элемента ИЛИ соединены с выходами третьего и четвертого элементов задержки соответственно, выход последнего из которых подключен к выходу делителя, выход третьего элемента ИЛИ является четвертым выходом блока, вторым выходом которого является выход первого элемента ИЛИ,4. Преобразователь по п.1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что блок ремасштабирования выполнен на 1 - 2 элементах И, К-группах по а элемен-тов И-НЕ каждая и регистре, тактовый вход которого является входом блока, информационные входы являются второй группой входов блока, а выходы соответственно подключены к управляющим входам групп элементов И-НЕ, информационные входы которых соответственно объединены и являются первой группой входов блока, первый выход первой группы элементов И-НЕ является первым выходом группы выходов блока,-й выход 1-й группы элементов И-НЕ подключен к ь-му входу ( +2- 1)-го элемента И, где(1,п), ь.(1,К), выходы элементов И являются группой выходов блока, начиная с второгО,к-аа (п -2 +1)-й выход К-й группы элементов И-НЕ является 1-м выходом группы выходов блока.Редактор А,Ре Подписиета СССР Заказ 6295/56 крытиинаб., д, ч Составитель В, ГейнриТехред М.Дрык Тираж 929 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и о 13035, Москва, Ж, Раушская