SU723585A1 - Аналого-цифровой фильтр - Google Patents

Description

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

Изобретение относитс  к вычислительной технике и может быть использовано , в частности, в цифровых фильтрующих и сглаживающих системах .

Известен цифровой фильтр, соДержащий преобразователь аналогкод , динамический регистр на 256 чисел, две группы схем сравнени  на 256 чисел кажда , 256 реверсивных счетчиков, посто нную пам ть, сумматов параллельного типа, устройство управлени , два датчика равномерно распределенных случайных чисел и р д вспомогательных элементов

1.

Недостатки этого фильтра - сложность , низкое быстродействие, св занное с последовательным выполнением операций аналого-цифрового преобразовани  и собственно фильтрацией , и низка  динамическа  точность , св занна  с тем, что при обработке информации производитс  преобразование кодов чисел в эквивалентную веро тность.

Известно устройство, которое содержит блок упрагзлени , два веро тностных матричных умЕЮЖител , два

сумматора, п ть блоков элементов И, многоразр дный регистр сдвига, один статический регистр, причем к первому входу каждого веро тностного умножител  подключены последовательно соединенные блок веро тностного округлени , блок разр дных двухвходовых элементов И, регистр и посто нные пам ти, а ко второму входу каж0 дого веро тностного матричного умножител  подключены последовательно соединенные блок веро тностного округлени , блок разр дных элементов И и регистры 2.

5

Это устройство сложно по конструктивному выполнению, а также имеет низкие быстродействие и данимическую точность.

Наиболее близким по технической

0 сущности к изобретению  вл етс  аналого-цифровой преобразователь, который состоит из датчика двоичных случайных чисел, преобразовател  код-напр жение, аналоговой схемы

5

сравнени , двух двоичных накопительных счетчиков, элементов И, элемента задержки и предназначен дл  преобразовани  входного напр жени  на 0 интервале Т в цифровой двоичный код.

Веро тностный преобразователь выполн ет функцию фильтра нижних частот 3.

Недостаток преобразовател  заключаетс  в том, что усреднение (фильтраци ) производитс  на интервале времени Т. После истечени  интервала Т необходимо заново накапливать сумму отсчетом на следующем интервале Т, Таким образом, одним из недостатков  вл етс  низка  динамическа  точность при преобразовании и фильтрации измен ющихс  во времени аналоговых сигналов, обусловленна  большим интервалом дискретизации при выдаче преобразованного и отфильтрованного сигнала. Другим недостатком преобразовател   вл -. ютс  узкие функциональные возможности , что приводит к низкой точности преобразова{1и  и фильтрации, св занные с тем, что предназначены дл  прес бразовани  и фильтрации толко однопол рных сигналов.

Цель изобретени  - повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет обеспечени  преобразовани  и интегрировани  разнопол  рных сигналов и получени  первой производной исследуемого сигнала .

Поставленна  цель достигаетс  те что в аналого-цифровой фильтр, соде ржащиЙ1 элемент И, блок считывани  элемент задержки, блок управлени , датчик случайных величин и схему сравнени , первый вход которой подключен к входу фильтра, второй вход к выходу датчика случайных величин, вход которого подключен к первому.входу блока управлени , второй выход которого подключен к входу элемента задержки, введены реверсивный счетчик, блок коррекции, элемент ИЛИ, втора  схема сравнени , элемен НЕ и блок определени  знака, вход, которого и вход элемента НЕ соединены со входом фильтра, выход элемента НЕ подключен к первому входу второй схемы сравнени , второй вход которой подключен к выходу датчика случайных величин, выходы первой и второй схем с)авнени  соединены сюответственно со входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход элемента И подключен к первым входам реверсивного счетчика и блока коррекции, первый выход которого подключен к второму входу реверсивного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока считывани , второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блока управ .Лени  соединен со вторым входом блока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счечика подктао; ены к выходу блока определени  знака,.третий выход блока управлени  соединен со вторым входом элемента И, выход блока считывани , первый и второй выходы блока коррекции  вл ютс  выходами фильтра. Кроме того, блок коррекции содержит элемент задержки и поледовательно соединенные реверсивн счетчик, первое устройство считывани , оперативные, запоминающее усройство и второе устройство считывани , выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому ду реверсивного счетчика, управл ющий вход которого и управл ющий вход .второго устройства считывани  соединены с выходом элемента задержки, вход которого и управл ющий вход первого устройства.считывани  соединены со вторым входом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход первого устройсва считывани  соединен со вторым выходом блока.

На фиг. 1 приведена блок-схема аналого-цифрового фильтра; на фиг. 2 - пример реализации блока коррекции.

Аналого-цифровой фильтр содержит блок 1 определени  знака, элемент НЕ 2, схемы сравнени  3 и 4, элемент ИЛИ 5, датчик 6 случайных величин, элемент И 7, блок 8 управлени , реверсивный счетчик 9, блок 10 коррекции, блок 11 считывани , элемент 12 задержки, реверсивный счетчик 13, устройство 14 считывани , оперативное 5апо 1инающее устройство 15, устройство 16 считывани , элемент 17 задержки.

Блок 1 определени  знака предназначен дл  определени  пол рности аналогового сигнала и выработки управл ющих сигналов дл  управлени  процессом суммировани , если аналоговый сигнал положительной пол рности, или вычитани  (в протином случае) импульсов в реверсивны счетчиках 9 и в блоке коррекции

Датчик 6 предназначен дл  выработки случайных аналоговых величин со случайным, например равномерным распределением мгновенныхзначений амплитуд, не выход щих за пределы динамического диапазона изменени  входного сигнала.

Реверсивный счетчик 9 предназначен дл  накоплени  импульсов с выхода элемента И. При этом, дл  реализации скольз щего режима суммировани  по истечении каждого интервала времени (до выдачи кода из счетчика 9 через блок 11 считывани ) из кода счетчика 9 вычитаетс  код, поступающий из блока 10 коррекции.

Блок 11 считывани  может предстл ть , например, группу элементов И, число которых равно разр дности считываемого кода и управл ющие входы которых объединены и подсоединены к выходу элемента 12 задержки.

Блок 8 управлени  обеспечивает работоспособность всего фильтра в целом путем синхронизации работы всех его узлов и блоков. С выхода блока 8 управлени  на вход датчика 6 поступают импульсы с максимальной частотой дл  обеспечени  необходимости точности преобразовани  аналог-код, котора  зависит от числа испытаний Л. На вход элемента И с выхода блока 8 управлени  поступают импульсы той же частты , но несколько задержанные (на врем  переходных процессов), С выхода блока 8 управлени  на вход блока 10 коррекции и на элемент 1 задержки поступают импульсы с интервалом ut .

Реверсивный счетчик 13 так же , как и счетчик 9, предназначен дл  подсчета импульсов с выхода элемента И 7, но только за врем  (поэтому имеет меньшую разр дность). Оперативное запоминающее устройство 15 предназначено дл  хранени  кодов, пропорциональных интегралам от входного сигнала на интервалахл1 за интервал времени t,l -Т-at. ; В функции блока 10 входит корректировка результата преобразовани и интегрировани  в счетчике 9 перед передачей этого результата на выход через блок 11 считывани  с .целью получени  выходной величины, пропорциональной точному значению интеграла от входного сигнала на интервале времени l,t-T, вычисл емого с дискретностью it .

Возможны и другие конструктивные решени  блока коррекции. Например, можно заменить реверсивный счетчик 13 на последовательно соединенные интегратор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход интегратор в этом случае подключаетс  к входу фильтра. Можно вместо счетчика 13 поставить только АЦП, производ щий аналого-цифровое преобразование входного сигнала один раз в середине каждого интервала. Эти величины можно с некоторой точностью считать эквивалентами интегралу на интервале ut .

Аналого-цифровой фильтр работает следующим образом.

На вход фильтра подаетс  фильтруе1 ый входной сигнал. Дл  определенности будем считать, что это медленно измен ющеес  напр жение посто нного тока с аддитивной случайной помехой. Датчик 6 случайных величин вырабатывает напр жение посто нного тока, амплитуда которого измен етс  в пределах от О до максимального (ожидаемого) значени  входного сигнала по случайному закону с равномерным распределением . Датчик 6 может содержать последовательно соединенные датчик двоичных случайных чисел и цифроаналоговый преобразователь. Если аналоговый сигнал имеет положительную пол рность, то на вход

0 схемы 4 сравнени  он поступает с отрицательной пол рностью, а на выходе блока 1 определени  знака вырабатываетс  такой сигнал, что реверсивные счетчики 9 и 13

5 производ т суммирование импульсов с выхода элемента И, которые образуютс  следующим образом.

Если входной сигнал превышает по, амплитуде сигнал с выхода датчика 6, то на выходе схемы 3 формирует0 с  импульс, поступающий через элементы 5 и 7 на счетный вход счетчика 9 и одновременно на счетный вход счетчи-ка 13. После прохождени м тактовых импульсов в счетчике 13

5 накапливаетс  число ,пропорционаипьнов интегралу входного сигнала наинтервале времени д1 . Это -число передаетс  в ОЗУ 15, а счетчик 13 обнул етс . В счетчике 9 продолжаетс  накоп0 ление импульсов. После прохождени  времени T-K-ut в ОЗУ 15 будут заполнены К чисел, пропорциональных интегралу входного сигнала на каждом интервале.

5

В счетчике 9 к этому моменту будет число, пропорциональное интегралу от входного сигнала на интервале Т. После формировани  (К + 1)-го числа в счетчике 13

0 оно перелаетс  в ОЗУ 15, а из последнего в счетчик 9 передаетс  число, сформированное на интервале utj , дл  вычитани . Информаци  в ОЗУ 15 при этом сдвигаетс  таким образом, что в первой  чейке записываетс 

5 число,бывшее во 2-ой  чейке,и т. д., а в К-ю  чейку заноситс  (К+1)-ое число. В счетчике 9 же при этом оп ть оказываетс  число, пропорциолальное интегралу от входного сигнала на

0 интервале Т. В этот же момент (после окончани  процесса вычитани ) информаци  из счетчика 9 передаетс  через блок 11 считывани  на выход. Таким образом, после окончани  пе5 реходного процесса информаци  на выходе цифрового фильтра по вл етс  с дискретностью по времени (Л. .

Если аналоговый сигнал имеет отрицательную пол рность, то на вход

Claims (3)

1. 0 схемы 4 он поступает с положительной пол рностью и импульсы, поступающие через элементы 5 и 7, формируютс  на выходе cxeNttj 4. Работа фильтра протекает так же, как опи5 сано выше, за исключением того, что jjesepcHBHue счетчики 9 и 13 вычитают поступающие на их вход импуль сы.. В динамике одна или несколько перемен знака сигнала может произо ти не только за врем  Т, но даже за врем  ut . В соответствии с пере меной знака реверсивные счетчики переключаютс  то на суммирование, то на вычитание и в результате получаетс  точное значение интервала от входного сигнала на интервалел1 в счетчике 13 и на интервале.Т и Т+ At в счетчике 9. Таким образом, расширены функциональные возможности и повышена точность работы фильтра, про вившиес  в том, что стало возможным преобразовывать и интегрировать (фильтровать) разнопол рные сигналы , в том числе иглеющие большое количество перемен знака на интервалах времени Т и at. Применение же известного устройства дл  преобразовани  и- фильтрации такого рода сигналов приводило бы к существенным погрешност м, так как отрицательные полуволны сигналов как бы срезались. Кроме того, при сохранении той же пам ти .фильтра Т (посто нной интегрировани ), что и «в известном устройстве, достигнута возможность существенного уменьшени  периода дискретности выдачи информации (до величины At- Т/К), что приводит к уменьшению динамической .ошибки при непрерывной фильтрации. Имеетс  три выхода фильтра, с которых снимаютс  три преобразован и отфильтрованных значени  сигнала . Коды со второго и третьего выходов фильтра соответствую значени м (отфильтрованным) сигнала в начале и в конце интервала Т, а это делает возможным получить первую производную исследуемого сигн ла, чего невозможно бьшо сделать при использовании известного устрЬйства . Изобретение может быть использо вано дл  спектрального анализа, т как блок коррекции хранит информацию о всех элементарных интегр лах в интервале времени Ct,t-T-ai Причем применение рассмотренного ф тра дл  спектрального анализа приврдит к повышению точности спе трал|ного анализа, так как при ра чете спектральных коэффициентов и пользуютс  элементарные интегра а не просто квантованные значени  исходного сигнала дл  конкретного мента времени в интервале. Формула изобретени  1. Аналого-цифровой фильтр, со держащий элемент И, блок считыван элемент задержки, блок управлени , датчик случайных величин и схему сравнени , первый вход которой подключен к входу фильтра, второй входк выходу датчика случайных величин, вход которого подключен к первому выходу блока управлени , второй выход которого подключен к входу элемента задержки, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  функциональных возможностей за счет обеспечени  преобразовани  и интегрировани  разнопол рных сигналов и по.лучени  первой производной исследуемого сигнала, в него введены реверсивный счетчик, блок коррекции , элемент ИЛИ, втора  схема сравнени , элемент НЕ. и блок определени  знака, вход которого и вход элемента НЕ соединены со входом фильтра, выход элемента НЕ подключен к первому входу второй схемы сравнени , второй вход которой подключен к выходу датчика случайных величин, выходы первой и второй схем сравнени  соединены соответственно со входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход элемента И подключен к первым входам реверсивного счетчика и блока коррекции, первый выход которого подключен к второму входу реверсивного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока считывани , второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блока управлени  соединен со вторым входом блока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счетчика подключены к выходу блока определени  знака, третий выход блока управлени  соединен йо вторым входом элемента И, выход блока считывани , первый и второй выходы блока коррекции  вл ютс  выходами фильтра. 2. Фильтр по п. 1, отлича ющ и и с   тем, что блок коррекции содержит элемент задержки и последовательно соединенные реверсивный счетчик, первое устройство считывани , оперативн е запоминающее устройство и второе устройство считывани , выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому входу реверсивного счетчика, управл ющий вход которого и управл ющий вход второго устройства считывани  соединены с выходом элемента задержки, вход ко торого и управл ющий вход первого устройства считывани  соединены. со вторым входом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход первого устройства считывани  соединен со вторым выходом блока.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1, Гладкий В.с. Веро тностные вычислительные модели. М., Наука 1973, с. 149, рис. 4.35.

   Фuг.f
2. 2.Авторское свидетельство СССР 480081, кл. G06 F 15/36, 1973.
3. 3.Гладкий B.C. Веро тностные вычислительные модели. М., Наука, 1973, с. 113, рис. 4. 12 (прототип).