RU2131167C1 - Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов - Google Patents
Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2131167C1 RU2131167C1 RU97109716/09A RU97109716A RU2131167C1 RU 2131167 C1 RU2131167 C1 RU 2131167C1 RU 97109716/09 A RU97109716/09 A RU 97109716/09A RU 97109716 A RU97109716 A RU 97109716A RU 2131167 C1 RU2131167 C1 RU 2131167C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- digital
- input
- analog
- output
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Изобретения относятся к области автоматики и могут быть использованы в исследовательской сейсморегистрирующей аппаратуре. Техническим результатом является расширение динамического диапазона и улучшение качества преобразования за счет введения дифференциальной импульсно-кодовой модуляции путем дополнительного усиления разности текущего значения входного аналогового сигнала и сигнала, восстановленного из выходной цифровой последовательности, и суммирования полученного сигнала с входным сигналом. Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из n-разрядного АЦП, n-разрядного цифроаналогового преобразователя, устройства вычитания, генератора частоты, сумматора, фильтра низкой частоты и усилителя. 2 с.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к способу аналого-цифрового преобразования, который реализуется в виде предлагаемого устройства, и предназначается для использования в качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в исследовательской сейсморегистрирующей аппаратуре.
Известен способ аналого-цифрового преобразования - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - и устройства, реализующие данный способ. Каким бы методом не реализовывались ИКМ - метод последовательного приближения, метод с динамической компенсацией или метод интегрирования - в любом случае суть способа заключается в том, что в каждый заданный момент времени происходит преобразование выборки исследуемого аналогового сигнала в n-разрядный двоичный код, прямо пропорциональный амплитуде данной выборки. Из этого следует, что чем шире динамический диапазон входного аналогового сигнала, тем большее число двоичных разрядов должно быть у АЦП, работающего по методу ИКМ. Так при изменении выходного сигнала в динамическом диапазоне более 100 дБ, а именно в таком и более диапазоне могут изменяться сигналы от сейсмических датчиков, для хорошего качества преобразования требуется более 16 двоичных разрядов преобразователя. Но простое наращивание разрядов АЦП ведет к усложнению и удорожанию сейсморегистрирующей аппаратуры, например за счет увеличения объема памяти, необходимой для хранения сейсмической информации, преобразованной в цифровой вид. А учитывая, что, как правило, сейсморегистрирующая аппаратура является автономной, данный недостаток становится просто неприемлемым.
Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования является дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) и устройство, реализующее данный способ. Суть способа заключается в том, что цифровому преобразованию подвергается разность текущего значения входного аналогового сигнала и сигнала, восстановленного из цифровой последовательности (так называемого "предсказанного сигнала"). Ясно, что в большинстве случаев разность между двумя соседними выборками будет меньше абсолютной величины этих выборок, следовательно число требуемых двоичных разрядов преобразования при ДИКМ будет меньше, чем при ИКМ (для достижения одного и того же динамического диапазона преобразования). Однако поскольку при ДИКМ каждый раз вычисляется разность двух соседних выборок, то появление ошибок, например в процессе записи информации в оперативную память или на магнитный носитель, существенно скажется на качестве восстановления исходного сигнала при считывании из памяти данной цифровой информации.
Цель предлагаемого изобретения - расширение динамического диапазона и улучшение качества преобразования - достигается за счет введения в способ ДИКМ дополнительных операций, при которых в цифровую форму преобразуется сумма входного сигнала и усиленная разность входного сигнала и сигнала, восстановленного после цифрового преобразования. При этом в предлагаемом способе при малом значении или отсутствии разности между текущем значением сигнала и сигнала, восстановленного из цифровой последовательности (т.е. между двумя соседними выборками) преобразованию подвергается сигнал, близкий по значению или равный входному сигналу, благодаря чему ошибки при передаче или записи цифровой информации в память не оказывают большого влияния при восстановлении исходного сигнала так же, как и при обычной импульсно-кодовой модуляции. Предлагаемый способ при определенных условиях позволяет с 6 - 8 разрядами цифрового кода получить такое же высокое качество преобразования, как при обычной ИКМ с 14 - 16 разрядами.
На чертеже приведена блок-схема преобразования аналоговых сигналов, реализующая предлагаемый способ. Устройство состоит из сумматора 1, n-разрядного АЦП 2, работающего по методу ИКМ, n-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 3, фильтра низкой частоты (ФНЧ) 4, устройства 5 вычитания, усилителя 6 и генератора 7 тактовой частоты, причем входом устройства является один из входов сумматора 1, соединенный также с одним из входов устройства 5 вычитания, выход сумматора 1 подключен ко входу АЦП 2, выход которого соединен со входом ЦАП 3, причем выход АЦП 2 является выходом устройства, выход ЦАП 3 соединен со входом ФНЧ 4, выход которого подключен ко второму входу устройства 5 вычитания, выход которого соединен со входом усилителя 6, выход усилителя 6 подключен ко второму входу сумматора 1, выход генератора 7 тактовой частоты соединен с тактовым входом АЦП 2.
Для лучшего понимания сути предлагаемого способа рассмотрим работу устройства.
Входной сигнал Uвх поступает на входы сумматора 1 и устройства 5 вычитания. Выходной сигнал сумматора 1 UΣ преобразуется АЦП 2 в цифровую форму Y с тактовой частотой Fт, причем цифровое значение предыдущей выборки сохраняется на выходе АЦП 2 до следующей выборки и изменяется в момент прихода тактового импульса. Цифровой сигнал Y поступает на выход устройства, а также на дополнительный ЦАП 3, где после ФНЧ 4 восстанавливается в исходную аналоговую форму, сравнивается со входным аналоговым сигналом в устройстве 5 вычитания, а полученная разность усиливается в усилителе 6 и поступает на сумматор 1 вместе с входным сигналом. Петля обратной связи, состоящая из ЦАП 3, ФНЧ 4, устройства 5 вычитания, усилителя 6 и сумматора 1, позволяет существенно снизить возникающие в процессе преобразования искажения сигнала и повысить разрешающую способность, т.е. улучшить качество преобразования и расширить динамический диапазон преобразования за счет улучшения преобразования в области минимальных входных сигналов.
На выходе сумматора 1 будет действовать напряжение
UΣ= Uвх+(Uвх-Uф)Kус, (1)
где Uвх - напряжение входного сигнала;
Uф = UЦАП • Aф - напряжение на выходе ФНЧ 4, где UЦАП - напряжение на выходе ЦАП 3, Aф - коэффициент передачи ФНЧ 4;
Kус - коэффициент усиления усилителя 6.
UΣ= Uвх+(Uвх-Uф)Kус, (1)
где Uвх - напряжение входного сигнала;
Uф = UЦАП • Aф - напряжение на выходе ФНЧ 4, где UЦАП - напряжение на выходе ЦАП 3, Aф - коэффициент передачи ФНЧ 4;
Kус - коэффициент усиления усилителя 6.
Тогда напряжение на выходе ФНЧ 4
Uф= (Uвх-UΣ/Kус+Uвх. (2)
Из формулы (2) следует, что напряжение на выходе ФНЧ 4 тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше Kус. Так как выходное напряжение ЦАП 3 может принимать только дискретные значения, т.е. почти никогда точно не совпадает с напряжением входного сигнала, то процесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ 4 совпадают в среднем, причем функции усреднения выполняет ФНЧ 4, на выходе которого появляется восстановленный из цифровых кодов Y исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит от соотношения тактовой частоты Fт и частоты среза Fср ФНЧ 4. При увеличении соотношения Fт/Fср уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления Kус прямо пропорционально увеличить точность преобразования малых изменений сигнала. Кроме того, снижение уровня высокочастотных составляющих приводит к снижению шума квантователя. Таким образом, значение Kус необходимо выбирать максимально большим, но обеспечивающим устойчивую работу преобразователя, причем Kус может быть тем больше, чем больше отношение Fт/Fср.
Uф= (Uвх-UΣ/Kус+Uвх. (2)
Из формулы (2) следует, что напряжение на выходе ФНЧ 4 тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше Kус. Так как выходное напряжение ЦАП 3 может принимать только дискретные значения, т.е. почти никогда точно не совпадает с напряжением входного сигнала, то процесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ 4 совпадают в среднем, причем функции усреднения выполняет ФНЧ 4, на выходе которого появляется восстановленный из цифровых кодов Y исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит от соотношения тактовой частоты Fт и частоты среза Fср ФНЧ 4. При увеличении соотношения Fт/Fср уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления Kус прямо пропорционально увеличить точность преобразования малых изменений сигнала. Кроме того, снижение уровня высокочастотных составляющих приводит к снижению шума квантователя. Таким образом, значение Kус необходимо выбирать максимально большим, но обеспечивающим устойчивую работу преобразователя, причем Kус может быть тем больше, чем больше отношение Fт/Fср.
Учитывая сказанное, можно приблизительно оценить выигрыш, получаемый от использования предлагаемого устройства. Например, если Fт/Fср = 2, то это эквивалентно повышению разрешающей способности преобразования в 2 раза, что соответствует прибавлению одного разряда преобразования ИКМ, т.е. расширению динамического диапазона преобразования на 6 дБ. Соотношение же Fт/Fср = 64 эквивалентно добавлению сразу шести разрядов ИКМ, т.е. расширению динамического диапазона преобразования на 36 дБ.
Поднять отношение Fт/Fср можно двумя способами: либо увеличивая Fт, либо уменьшая Fср. На практике эти рекомендации необходимо использовать с учетом конкретной реализации устройства и целей, для которых данное устройство предназначено.
Было проведено физическое моделирование предлагаемого устройства, выполненного на цифровых микросхемах серии К561, аналоговых микросхемах серии К574, в качестве АЦП 2 использовалась 10-разрядная микросхема 1113 ПВ1, а в качестве ЦАП 3 - 10-разрядная микросхема К572 ПА1. В частности были измерены коэффициенты гармонических искажений Kг для восстановленного из цифровой последовательности Y аналогового сигнала при уровне на выходе 0,5 от максимально возможного и на частотах 1, 10, 50 и 100 Гц. Восстановление аналогового сигнала из цифровых кодов Y осуществляется с помощью последовательно соединенных ЦАП и ФНЧ, идентичных ЦАП 3 и ФНЧ 4 (см. чертеж). Кроме того, в соответствии с формулой
Dc = 20 lg Umax/Umin (3)
вычисляется динамический диапазон преобразования Dс при максимально (Umax) и минимально (Umin) возможных уровнях искаженного сигнала. Число используемых разрядов АЦП 2 и АЦП 3 изменялось от 4 до 10. Преобразование осуществлялось при тактовых частотах 450 и 900 Гц. Результаты измерений Kг и Dс сведены в табл. 1 и 2. Анализируя приведенные в таблице данные, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство уже при 6 - 8 разрядах позволяет получить параметры, близкие к параметрам 12-разрядного преобразователя ДИКМ или 14-разрядного преобразователя обычной ИКМ.
Dc = 20 lg Umax/Umin (3)
вычисляется динамический диапазон преобразования Dс при максимально (Umax) и минимально (Umin) возможных уровнях искаженного сигнала. Число используемых разрядов АЦП 2 и АЦП 3 изменялось от 4 до 10. Преобразование осуществлялось при тактовых частотах 450 и 900 Гц. Результаты измерений Kг и Dс сведены в табл. 1 и 2. Анализируя приведенные в таблице данные, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство уже при 6 - 8 разрядах позволяет получить параметры, близкие к параметрам 12-разрядного преобразователя ДИКМ или 14-разрядного преобразователя обычной ИКМ.
Claims (2)
1. Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, заключающийся в получении разности текущего значения входного аналогового сигнала и сигнала, восстановленного из выходной цифровой последовательности, и цифровом преобразовании, отличающийся тем, что полученную разность текущего значения входного аналогового сигнала и сигнала, восстановленного из цифровой последовательности, усиливают и суммируют с входным аналоговым сигналом, после чего осуществляют упомянутое цифровое преобразование.
2. Устройство преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, содержащее n-разрядный аналого-цифровой преобразователь и n-разрядный цифроаналоговый преобразователь, причем выход n-разрядного аналого-цифрового преобразователя, являясь выходом устройства, соединен с входом n-разрядного цифроаналогового преобразователя, а также устройство вычитания и генератор тактовой частоты, выход которого подключен к тактовому входу n-разрядного аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит сумматор, фильтр низкой частоты и усилитель, причем входом устройства является один из входов сумматора, соединенный также с одним из входов устройства вычитания, выход которого подключен к входу усилителя, выход усилителя соединен с вторым входом сумматора, выход которого подключен к входу n-разрядного аналого-цифрового преобразователя, выход n-разрядного цифроаналогового преобразователя подключен к входу фильтра низкой частоты, выход которого соединен с вторым входом устройства вычитания.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97109716/09A RU2131167C1 (ru) | 1997-06-10 | 1997-06-10 | Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97109716/09A RU2131167C1 (ru) | 1997-06-10 | 1997-06-10 | Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97109716A RU97109716A (ru) | 1999-05-27 |
RU2131167C1 true RU2131167C1 (ru) | 1999-05-27 |
Family
ID=20194023
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97109716/09A RU2131167C1 (ru) | 1997-06-10 | 1997-06-10 | Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2131167C1 (ru) |
-
1997
- 1997-06-10 RU RU97109716/09A patent/RU2131167C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Пилипчук Н.И., Яковлев В.П. Адаптивная импульсно-кодовая модуляция. Статистическая теория связи. Вып. 25. - М.: Радио и связь, 1986, с. 73-76, рис. 2.12.б. Турлов П.Я., Ямпольский А.М., Гольштейн В.Л. Эксплуатация цифровых сейсморазведочных станций "Прогресс. - М.: Недра", 1986, с. 20-26. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. - М.: Мир, 1988, с. 354-357, 362-367. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5745061A (en) | Method of improving the stability of a sigma-delta modulator employing dither | |
KR100787369B1 (ko) | 아날로그-디지털 변환을 위한 캐리어-의존 디더링 | |
JP2573850B2 (ja) | アナログ−デイジタル変換装置 | |
US4812846A (en) | Dither circuit using dither including signal component having frequency half of sampling frequency | |
US6166668A (en) | Method and apparatus for providing DC offset correction and hold capability | |
US6922161B2 (en) | Delta-Sigma modulator for reducing quantization noise and oversampling ratio (OSR) | |
US6489913B1 (en) | Sub-ranging analog-to-digital converter using a sigma delta converter | |
US4994803A (en) | Random number dither circuit for digital-to-analog output signal linearity | |
US4999627A (en) | Analog-to-digital converter using prescribed signal components to improve resolution | |
US6424279B1 (en) | Sigma-delta analog-to-digital converter using mixed-mode integrator | |
KR100497702B1 (ko) | 디지털데이터변환장치 | |
EP0081568B1 (en) | Enhanced delta modulation encoder | |
US4498072A (en) | A/D Converter having a self-bias circuit | |
US6441767B1 (en) | Method and system for adjusting a threshold control in an analog-to-digital converter | |
US4985702A (en) | Analog to digital converter with second order error correction | |
US5812077A (en) | Circuit for A/D conversion of a video RF or IF signal | |
RU2131167C1 (ru) | Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов | |
JP2744006B2 (ja) | 非線形a/d変換回路及び非線形a/d変換方法 | |
JPH0666692B2 (ja) | アナログ−デイジタル変換装置 | |
JPH073953B2 (ja) | コード変換器 | |
JPH0750582A (ja) | 粗密領域アーキテクチャと内挿された残留値符号を有するサンプリング・アナログ・デジタル変換器 | |
JPH1079667A (ja) | 歪み検出装置および歪み補正装置および歪み補正方法 | |
Daponte et al. | Using an interpolation method for noise shaping in A/D converters | |
RU2201032C2 (ru) | Устройство преобразования аналоговых сигналов | |
JPH10322205A (ja) | 非線形歪み補正装置及び非線形歪み補正方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050611 |