Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и устройство для его осуществления

ОЛ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическиеРеспублик(23)Приоритет пв аеаи зобретеннй и открытй,(72) Автор изобретения В. Я, Загурский Институт электроники и вычислительной техники АН Латвийской ССР(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ СИГНАЛ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к способам преобразования аналогового сигнала в цифровой код и может быть использовано в системах преобразования формы информации, измерительной и вычислительной технике,Известен способ преобразования аналогового сигнала в цифровой код, включающий генерирование пилообразного1 О вспомогательного сигнала, суммирование его с преобразуемым неизвестным входным сигналом, квантование суммарного сигнала, вычитание входного сигнала из суммарного сигнала, кванто 15 ванне разностного сигнала, определение цифрового значения квантованной величины суммарного сигнала, затем определение цифрового значения квантованной величины разностного сигнала и вычитание цифровых значений квантованных величин суммарного и разностного сигнала, образующих старшие и младшие разряды выходного кода 11,Недостатками способа являются низ- кая точность преобразования изменяющихся сигналов и сложность.Известен также способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигнала 1,21.Недостатками известного способа являются низкая точность преобразования изменяющихся сигналов и сложность.Точность преобразования снижается из-за накопления погрешностей при последовательном выполнении операций коммутации вспомогательного аналогового сигнала и сравнения скоммутированного вспомогательного и преобразуемого сигналов. Наличие этих операций и последовательный порядок выполнения приводит к появлению динамических погрешностей и погршеностей неоднозначности, снижающих точность преобразования.Сложность способа определяется общим большим числом операций, в том числе сложных операций над аналоговыми сигналами, в частности, таких как коммутация вспомогательного сигнала.Порядок выполнения операций способа принципиально не позволяет повысить точность преобразования при сохранении быстродействия или наоборот, так как обуславливает фиксированный 10 нижний уровень динамических погрешностей.Устройство, реализующее способ, содержит блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к вхо дам блока компараторов старших разрядов, другой вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр и дешифратор старших разрядов, генератор вспомогательного сигнала, , у 0 к выходу которого подключен квантователь вспомогательного сигнала. Задержки в блоках коммутации и сравнения приводят к возникновению динамических погрешностей, а в результате последовательной работы дешифратора, блока коммутации и блока сравнения возникают погрешности неоднозначности. Увеличение точности пре 30 образования в устройстве возможно только за счет уменьшения быстродействия.Устройство в целом имеет сложную структуру и значительнуВ аппаратную избыточность. 35Цель изобретения - повышение точности преобразования и упрощение.Поставленная цель достигается тем, что в способе преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов, модулируют вспомогательным сигналом уровни квантования преобра- ф зуемого сигнала, производят одновременно квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов и одновременно считывают цифровые значения квантованных величин преобразуемого 50 и вспомогательного сигналов, образующие старшие и младшие разряды выходного кода, в моменты пересечения преобразуемым сигналом любого иэ модулированных уровней квантования пре образуемого сигнала, а также тем, что при модуляции генерируют несколько вспомогательных сигналов, априорно известнои формы, период каждого из которых пропорционально меньше периода каждого предшествующего,причем для модуляции используют сигнал с наибольшим периодом, а в устройство для его осуществления, содержащее блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к первому входублока компараторов старших разрядов, второй вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр старших разрядов и дешифратор, . генератор вспомогательного сигнала, к выходу которого подключен квантователь вспомогательного сигнала, введены формирователь строб-сигналов и регистр младших разрядов, причем первый выход генератора вспомогательного сигнала подключен к входу блока задания эталонных уровней квантования, второй выход к управляющему входу дешифратора, выход блока компараторов старших разрядов через формирователь строб-сигналов подключен к входам стробирования регистров старших и младших разрядов, к информационным входам которых подключены соответственно выходы блока компараторов старших разрядов и квантователя вспомогательного сигнала, а к выходу регистра старших разрядов подключен информационный вход дешифратора, причем квантователь вспомогательного сигнала по времени выполнен на О-триггерах, 0-входы которых подключены к выходам элементов задержки, а С-входы подключены к выходу формирователя строб- сигналов.1 На фиг.приведены временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ; на фиг. 2 - функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 3 - логическая схема квантователя в случае квантования вспомогательного сигнала по времени; на фиг. 4 - логическая схема дополнительных квантователей по времени рециркуляционного типа,Устройство содержитфиг. 1) генерируемый вспомогательный сигнал 1, известный по форме и ограниченный по длительности периодом Т, а по величине значением ф, где ф- дискретность квантования преобразуемого сигнала, равная расстоянию между уровнями квантования 2 преобразуемого сигнала 3, квантованную с дискретностью ф вели - чину 4 сигнала 3, дополнительный вспо892704 В результате воздействия сигнала 1 на уровни квантования 2 с известным параметромпроисходит модуляция уровней 2, т.е. они изменяются относительно исходного состояния на максимальную величину сигнала , равнуюМодулированные уровни квантования 7 изменяются во времени по закону изменения сигнала 1 и непрерывно сканируют весь диапазон изменений преобразуемого сигнала 3. При постоянных параметрах уровней 2 (р = сопэ) имеет место частный случай модуляции - простое суммирование значений уровней 2 и сигнала 1. В общем случае уровни квантования могут быть представлены в виде некоторых регулярных . физических процессов, параметры которых изменяются во времени, в соответствии с текущими значениями вспомогательного сигнала. Тогда модуляция выражается в задании функциональной зависимости между параметрами уровней квантования и вспомогательным сигналом.Посредством уровней 2 и 6 соответственно производится квантование преобразуемого сигнала 3, сигналов 1 и 5. Если сигнал 3 равен нулю, то результат преобразования отсутствует, что соответствует всем нулевым кодам 1 О,При квантовании сигнала 3, не равного нулю, он пересекает модулированные уровни квантования 7 в моменты времени Т 1-Т 4. В эти моменты производится считывание цифровых значений 1 О квантованных величин 4, 8 и 9, соот. - ветствующих сигналов 3, 1, 5 и образующих выходной код 10. Разрядность кода 10 определяет максимальную точность преобразования аналогового сигнала 3. Она зависит от конкретного выбора числа дискретностей и, , 1 1. Цифровые значения 10, считанные в моменты Т 1-Т 4 - есть результаты преобразования мгновенных значений сигнала 3 в виде шестиразрядного кода Грея. Они состоят иэ цифровых значений квантованной величины 4 сигнала 3, образующих старшие разряды кода 1 О, цифровых значений квантованной величины 9 сигнала 5, образующих дополнительные младших разряды кода 10. Суммарный код всех разрядов определяет, какое число дискретностей 1, соответствует закодированному в коде Грея цифровому значению сигнала 3оды 10, считанные в моменты Т 1, Т 2,могательный сигнал 5, период Т генерирования сигнала 5, уровни 6 квантования вспомогательных сигналов 1 и 5,момент Тн начала генерирования вспомогательных сигналов 1 и 5, модулированные сигналом 1 уровни 7 квантования 2, квантованную с дискретностьювеличину 8 сигнала 1, 9 - квантованную с дискретностью1 величину 9сигнала 5, коды 10 Грея цифровых значений квантованных величин 4, 8, 9сигналов 3, 1 и 5, моменты Т 1, Т 2,Т 3 и Т 4 считывания кодов Грея 10.Число дискретностей и определяетсявеличиной динамического диапазонасигнала 3 и выбирается равным 2, гдеи - число старших разрядов кода 1 О,а число уровней 2 выбирается равным2 , Для простоты на фиг. 1 показанодва таких уровня, для и = 2. Число 2 Фдискретностей 1 выбирается равным 2Игде в - число младших разрядов кода10, причем 1 = ц/2, а число уровней квантования 5 выбирается равным2 - 1 (для простоты на фиг. 2 показано ффтри таких уровня, для щ = 2).На фиг. 2 показана реализация способа при квантовании треугольных поформе вспомогательных сигналов 1 и 5по уровню.Для треугольной формы сиг- Мналов 1 и 5, в силу линейных соотношений между амплитудной и временнойкоординатами, возможна реализация квантования сигналов 1 и 5 по времени. В этомслучае каждому цифровому значению кван- Итованной величины 8 будет соответствовать пропорциональное ей цифровое значе- гние квантованной по времени величины Т.Дискретности 6 квантования по уровнютогда будет соответствовать дискретность Р квантования по времени, Аналогичное положение и для сигнала 5.На фиг, 3 показана логическая схема квантователя 14, где 20 - О-триг"гера, 21 " элементы задержки.43На фиг. 4 показана логическая схема квантователя рециркуляционногогенераторного) типа, где 22 -О -триггера, 23 - элементы задержки.В качестве элементов задержки вквантователе могут быть использованы логические или другие элементы, на-пример, полосковые линии, в соответ. ствующем включении,В соответствии с фиг. 1 реализацияМспособа происходит следующим образом.До момента ТН результат преобразования отсутствует. С момента ТНпроисходит генерация сигналов 1 и 5.б 92704 ГЗ, Т 4 в соответствии с фиг. 1 будут следующие ( начиная со старших разрядов): 010011, 001111, 000101, 010110, Эти цифровые значения определяют следующее число дискретностей Р 1: для момента Т 1 равное= 42 = 4 х 4 + 1: =(16+2) Й 1 или 4 х 4 О 1 + 2 Р 11811, для Т 2 - 28= 2 х 461+ + 261 или 2 х 461 + 28 1 = 10 Е 1, .для ТЗ - 70 1, для момента Т 4-21 Й 1. 1 Р Из Фиг. 1 легко убедиться в отличии этих значений от действительных мгновенных значений сигнала 3 в моменты Т 1-Т 4 не более, чем на одну дискрет-, ,. е .1Увеличивая число вспомогательных сигналов, при сохранении фиксированного числа уровней квантования для каждого из этих сигналов, можно повышать точность преобразования (например, , 2 Р в 2" раз фиг. 1) при сохранении быст" родействия, либо уменьшать число йеобходимых уровней квантованияпри сохранении заданной точности и быстродействия. 25Одновременность квантования сигналов 3, 1 и 5, а также одновременность считывания цифровых значений 10 позволяют устранить динамические погрешности и погрешности неоднозначности преобразования.Функциональная схема устройства, для реализации предлагаемого способа, показана на фиг. 2, где 11 - вход устройства, 12 - генератор вспомогательного сигнала 1, выход которого подИ ключен к блоку 13 задания эталонных уровней квантования 2 и к квантователю 14 вспомогательного сигнала; 15 - блок компараторов старших разрядов,4 Р выходы которого подключены к регист-ру 16 старших разрядов и к формирователю 17 строб-сигналов, выход которого подключен к входам стробированиярегистра 16 и регистра 18 младших раз-рядов, другой вход которого подключен к. выходу квантователя 14; 19 -дешифратор старших разрядов кода 10фиг. 1, дополнительный вход дешифратора подключен к второму выходу генератора 12.Я В качестве генератора 12 может быть использован любой генератор с выходом сигнала 1 треугольной формы, по первому выходу и сигнала меандра 53 по второму.В частности, такой генератор может. быть реализован на основе счетного 8триггера, Формирующего меандр, и интегратора этого сигнала. В качестве блока 13 могут быть использованы любые задатчики эталонных уровней квантования 2 по току, напряжению, значениям частоты или фазы, при условии использования соответствующих компараторов в блоке 15 и сигнала 1.В случае, когда преобразуемый сигнал 3 фиг. 1 действующий по входу 1 является функцией напряжения, блок 13 может быть реализован в виде резистивного делителя, на основе цепочки последовательно включенных резисторов, на которых задаются в виде значений напряжений, значения уровней квантования 2. Сигнал 1 задается также в виде функции напряжения. Разность между значениями напряжений уровней 2 вы" бирается равной величине ф , а выход генератора 12 подключается к одному .иэ;отводов резистивного делителя, В качестве квантователя 14 может быть использован квантователь любого типа, либо в виде время-импульсного квантователя, либо квантователь по уровню, аналогичный блоку 15.Сущность остальных блоков устройства, формироваеля 17, регистров 16 и 18, дешифратора 19 ясня иэ их обозначений.Устройство по фиг. 2, реализующее способ по фиг. 1, работает следующим образом.Сигналом, 1 от генератора 12 модулируются уровни квантования 2, задаваемые блоком 13. С помощью блоков 14 и 15 производится одновременное квантование соответственно сигналов 3 и 1, в результате чего образуются квантованные величины 4 и 8 сигналов 3 и 1, В моменты Т 1, Т 2, ТЗ, Т 4 пересечений модулированных уровней 7 с преобразуемым сигналом З,происходит переключение компараторов блока 15 и на их выходах появляются сиг" калы изменения логических уровней, Этифсигналы поступают на формирователь 17. Строб-сигналы с выхода формирователя 17 стробируют регистры 16 и 18, в результате чего в регистрах 16 и 18 записываются цифровые значения. В регистре 16 записывается единичный код цифрового значения квантованной величины 4 сигнала 3, и в регистре 18 - цифровое значение квантованной величины 8 сигнала 1, закодированное в коде Грея и образующее младшие разряды кода 1 О. Дешифратор 19 дешифрирует,единичный код регистра 16 в код Грея,образующий старшие разряды кода 10,При производной сигнала 3, не превышающей по абсолютной величине производную сигнала 1, единичный код5.регистра 16 дешифрируется с учетом кода компаратора нулевого уровня квантования 2 на возрастающем участке сигнала 1 и без учета кода этого компаратора на ниспадающем участке сигна- Ола 1. Это обеспечивается при управлении дешифратора 19 по дополнительномувходу сигналом меандра со второго выхода генератора 12.Возможны другие варианты устройств 15для реализации предлагаемого способа,В частности, вводя дополнительные квантователи, аналогичные блокам 14, входы которых подключают к дополнительным выходам блока 12, а выход каждого рОиз которых подключен к соответствующему регистру младших разрядов, аналогичному 18, можно увеличить точностьпреобразования пропорционально числудополнительных младших разрядов,. Возможны также и другие реализации управления дешифратором 19 путем сравнения изменения кодов на выходах регистра 16 и блока 15.При квантовании вспомогательногосигнала по времени при помощи квантователя фиг, 3 работа блока происходитследующим образом. Сигнал меандра суправляющего выхода блока 12 поступаетна вход первого элемента 21 и с35задержками, равными кванту времени,последовательно поступает на Э-входытриггеров 20. При действии сигнала свыхода блока 17 по счетным входам стриггеров 20 происходит запоминаниекода, равного числу дискретностей, взависимости от времени распространения сигнала с выхода блока 12 черезцепочку элементов 21,При параллельном подключении к до 45полнительным выходам блока 2 дополнительных блоков квантования фиг, 4можно обеспечить дальнейшее увеличе-ние тоЧности преобразования. Блокквантования по фиг. 4 отличается отблока по фиг. 3 наличием элемента заЯдержки на вход которого подключен инверсный вход последнего из элементов 23. Этим обеспечивается рециркуляция сигнала в цепи элементов 23 поцепи обратной связи. Дискретность .55квантования по времени, равная задержке элементов 23, в этом случае выбирается у каждого последующего блока квантования меньшей, чем у предыдущего, пропорционально задаваемой точности.Работа блока по фиг. 4 происходит следующим образом.Сигнал меандра с выхода блока 12 поступает на вход первого элемента 23 и с задержками, кратными кванту времени предшествующего квантователя, поступает на П-входы триггеров 22.После прохождения сигналом цепочки элементов 23 на вход первого из них поступает инвертированный сигнал и начинается его прохождение через цепочку элементов 23. При действии сиг-, нала с выхода блока 17 по счетным входам с триггеров 22 происходит запоминание кода, равного числу дискретностей квантования.Рециркуляционный ( генераторный ) режим квантователя такого типа позволяет использовать для стабилизации дискретности квантования по времени известные системы фазовой автоподстройки частоты путем фазового сравнения длительности цикла работы квантователя с периодом частоты эталонного генератора. Это позволяет, в свою очередь, повысить точность преобразования,Реализация квантователей по фиг. 3 и фиг. 4 позволяет резко упростить устройство в целом.Формула изобретения1. Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, включающий генерирование известного вспомогательного сигнала, квантование преобразуемого и вспомогательного сигнала, о т л и ч а ю щ и Й с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения модулируют вспомогательным сигналом уровни квантования преобразуемого сигнала, производят одновременно квантование преобразуемого и вспомогательного сигналов и одновременно считывают цифровые значения квантованных величин преобразуемого и вспомогательных сигналов, образующие старшие и младшие разряды выходного кода, в моменты пересечения преобразуемым сигналом любого из модулированных уровней квантования преобразуемого сигнала.2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что при модуляции генерируют несколько вспомогательныхсигналов, априорно известной формы, период каждого из которых пропорционально меньше периода Каждого предшествующего, причем для модуляции используют сигнал с наибольшим периодом. 53. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее блок задания эталонных уровней квантования, подключенный к первому входу блока компараторов старших разрядов, второй 1 в вход которого подключен к источнику преобразуемого сигнала, регистр старших разрядов, дешифратор, генератор вспомогательного сигнала, к выходу которого подключен квантователь вспомо ф гательного сигнала, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что в него введены формирователь строб-сигналов и регистр младших разрядов, причем первый выход генератора вспомогательного сигнала 20 подключен к входу блока задания эталонных уровней квантования, второй выход к управляющему входу дешифратора, .выход блока компараторов старших разрядов через формирователь строб-сиг налов подключен к входам стробирования регистров старших и младших разрядов, к информационным входам которых подключены соответственно выходы блока компараторов старшим разрядов и квантователя вспомогательного сигнала, а к выходу регистра старших разрядов подключен информационный вход дешифратора.4. Устройство по п. 3, о т л и ч аю щ е е с я тем, что.квантователь вспомогательного сигнала по времени выполнен на ф-триггерах, Э -взводы которых подключены к выходам элементов задержки, а С-входы подключены к выходу формирователя строб-сигналов. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США В 3623071,кл, 340-347, 1975.2. Полупроводниковые кодирующие идекодирующие преобразователи напряжений. Под ред. Смолова В.Б. Л., "Энергия", с. 151 (прототип)./Филиал ППППатент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель Н. Козлов Редактор Г. Волкова Текоед А.Ач Корректор Н, Стец Заказ 11283/85 Тираж 991 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035 Москва БРаушская наб. д, 4 5