SU932612A1 - Способ аналого-цифрового преобразовани широкополосных сигналов и устройство дл его реализации - Google Patents

Description

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в информационно-вычислительных и контрольно-измерительных системах различного назначения.

Известен способ аналого-цифрового преобразования ( способ считывания) в котором кодируемый сигнал подают на сигнальные входы группы пороговых элементов, количество которых равно числууровней квантования сигнала, а расстановка опорных уровней пороговых элементов соответствует закону квантования, результатом сравнения сигнала с опорными уровнями является срабатывание части пороговых элементов, а унитарный код, получаемый на выходе группы пороговых элементов, может быть преобразован в двоичный. Минимальный период дискретизации сигнала в аналогоцифровой преобразователь (АЦП) параллельного типа определяется временем рабочего цикла одного порогового эле2 мента. Частота дискретизации достигает 50.. .100 МГц [1].

Недостатком является громоздкост* из-за использования большого количества пороговых элементов.

⁵ Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ аналого-цифрового преобразования широкополосных сигналов, включающий операции интегрирования входного сигнала в пределах интервала выборки и формирования выходного кода.

Устройство для реализации известного способа содержит пороговые элементы, сигнальные входы которых через коммутатор подключены к шине входного сигнала,а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, вход которого соединен с шиной сигнала дискретиза;ции£2).

Недостатками известных способа и устройства являются ограниченные быст родействие и точность преобразования ограниченная полоса частот кодируемого сигнала. Причина этих недостатков заключается в необходимости проведения операции дискретизации в аналоговой форме с помощью аналогового устройства выборки и запоминания. Чем больше величина постоянной времени этого устройства, тем уже полоса частот кодируемого сигнала. Однако в момент хранения постоянная времени должна быть как можно больше, чтобы обеспечить достаточное время запоминания, необходимое для квантования сигнала.

Цель изобретения - увеличение быстродействия и точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе аналого-цифрового преоб-^о разования широкоплосных сигналов, включающем операции интегрирования входного сигнала в предела'х интервала выборки и формировании выходного кода, перед операцией интегрирования ; выделяют части входного сигнала, ограниченные во времени интервалом выборки и нижним и верхним пределами οι— раничения амплитуды, устанавливаемыми в соответствии с уровнями квантова-₃₀ ния, а после интегрирования этих частей входного сигнала осуществляют сравнение результатов интегрирования с эталонным сигналом.

В устройстве для осуществления способа, содержащем пороговые элементы, сигнальные входы которых через коммутатор, подключены к шине входного сигнала, а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, вход которого соединен с шиной сигнала дискретизации, второй выход блока управления соединен с управляющими входами пороговых элементов, выполненных на последовательно соединенных между собой двустороннем амплитудном ограничителе входного сигнала, интеграторе и компараторе, а также коммутаторе интегратора, управляющий вход которого соединен с управляющим входом порогового элемента, а выход - с управляющим входом интегратора.

На фиг. 1 приведены эпюры сигналов, поясняющих способ аналого-цифрового преобразования; на фиг..2 рабочая область одного из пороговых элементов; на Фиг . 3 ” взаимное расположение рабочих’ областей трех to пороговых элементов; на фиг.4 - устройство для осуществления способа аналого-цифрового преобразования.

Способ предусматривает формирование интервала выборки из импульсов сигнала 1 дискретизации, причем начало интервала выборки формируют передним фронтом импульса, разрешающего интегрирование сигнала 2, а конец интервала выборки формируют выключением сигнала на входе всех пороговых элементов импульсов 3 до окончания импульса, разрешающего интегрирование, там же изображен сигнал S Ct) и сигнал $к₀ДЛ) , действующий на входах пороговых элементов. Выделена рабочая область одного из пороговых элементов, образуемая интервалом выборки Δ t θ и участком на оси амплитуд 2h, связанным с опорным уровнем этого элемента Son· Результат интегрирования сигнала в пределах рабочей области 5 сравнивают с эталонным уровнем S_3T, причем на выходе этого порогового элемента вырабатывается логическая 1, когда результат интегрирования оказывается выше эталонного уровня.

В интеграторе порогового элемента осуществляется интегрирование части 'сигнала S_n(t) =S(t)-(S_On -h) ,ограниченной пределами интервала выборки.

+Т. Линейно изменяющийся сигнал, проходящий через точку t^S^m(m<h), может быть выражен в следующем виде: S_n(t)=%_n-m+S’(^)(t-t₀)-CS_on-h)=h-m+S' Ct₀J (€--¾). Результат интегрирования сигнала для време-ни , tу, t₀+ Т равен Q(t t t<j +Т) = “J (h-tn+S4t₀) + 2S’ (to)t_oT - 2S* (t₀)t₀T = 2 (h-m)T. Результат не зависит от скорости и направления изменения сигнала, 1т.е. от величины и знака производной S'(€₀) .

Если линия изменения сигнала проходит через центр рабочей области, то ш=0, S_n(t)=h+S’(t₀) (t-t_Q) ^и Q(f* #T)=21h.

При IS*(t₀)T]< h сигнал пересекает вертикальные линии t_Q-T и t₀+T. Если скорость изменения сигнала S¹ (t₀)значительна, [S' (t₀)TJ>h , сигнал пересекает горизонтальные ли50 нии ί^η th в моменты времени t₀± Е.

В этом случае при нарастающем сигнале

Sn(t)=0 h + S' (tg) (t-t ) 2h t < t₀- В t₀-t < t <t₀ + E t 7,t 0 + E _z

При спадающем сигнале

S_n(t)=2h- |Ut₀+P h + S’ (t₀) (t-^) t₀ - £<t+t₀+ I '0 |t 7_Z t₀ + E

Результат интегрирования равен M Μ

Qim₀+T)-.J s_nU)dt+J [hW₀xt-t_o)]x

V^T t₀-e tp+T _5ri^_{)dt = (lni} ' t₀+g и не зависит от скорости и направле15 ния изменения сигнала.

Поэтому, если условие срабатыва- 20 ния порогового элемента соответствует результату интегрирования, равному или превышающему 2Th, ошибка срабатывания такого порогового элемента при датировке выборочного 25 значения времени ΐθ при любой скорости изменения сигнала полностью отсутствует. Это обстоятельство определяет принципиальную возможность кодирования широкополосного 30 сигнала с высокой точностью. Процесс интегрирования в пределах рабочей области каждого порогового элемента не приводит к завалу общей ампли-.

(тудно-частотной характеристики АЦП ₃₅ в области высоких частот. Ширина характеристики определяется только длительностью интервала выборки, которая может быть сделана предельно малой, что имеет место в стробоскопическом осциллографировании.

Поскольку рабочие области различных пороговых элементов некоррелированы, шаг квантования· не зависит от ширины зоны ограничения каждого, из пороговых элементов по оси амплитуд. Каждый из пороговых элементов срабатывает, если результат интегрированой унитарный код пропорциональны входному сигналу. Такая группа пороговых элементов осуществляет преобт ? разование текущего значения„амплитуды входного сигнала в унитарный код и является поэтому АЦП параллельного типа. Унитарный код на выходе АЦП может быть преобразован в любой другой вид кода, в том числе двоичный с помощью шифратора.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить быстродействие и точность аналого-цифрового преобразования за счет исключения операции дискретизации сигнала в аналоговой форме. Кроме того, интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе используется как принципиально необходимый процесс и не являетей вредным явлением, ограничивающим быстродействие и точность известных компараторов, что непосредственно связано с увеличением быстродействия и точности аналого-цифрового преобразования в параллельных и параллельно-последовательных АЦП.

Возможность получения коротких интервалов выборки при невысоких требованиях к стабильности интервала позволяет существенно увеличить полосу частот кодируемого сигнала до пределов, свойственных устройствам стробоскопического осциллографирования. При этом статическая точность аналого-цифрового преобразования зависит только от стабильности схемы формирования опорных уровней и может быть достаточно высокой.

Устройство (фиг.4) для осуществления предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования, состоит из блока 1 управления, управляющего работой коммутатора 2, и коммутаторов 3 интеграторов пороговых элементов, каждый из пороговых элементов состоит из двухстороннего амплитудного ограничителя 4 входного сигнала, имеющего уровни ограничения, ния превышает величину эталонного уровня S_3T = 2Th. Это значит, что входной сигнал превышает опорный уровень порогового элемента в момент времени, соответствующий середине интервала выборки. Если опорные уровни связаны с номерами группы элементов, а их расстановка упорядочена’ связанные с опорным уровнем порого₅₀ вого элемента S_on, интегратора 5 на выходе ограничителя, компаратора 6, осуществляющего сравнение амплитуды сигнала на выходе интегратора с эталонным уровнем S^. Компаратор 6 ₅₅ является частью порогового элемента., Устройство работает следующим оби отражает закон квантования сигнала, количество сработавших пороговых элементов, и, следовательно, выходразом.

В блоке 1 управления из сигнала дискретизации вырабатываются две по следовательности импульсов, сдвинутые на время равное интервалу выборки. Задержанная последовательность 3 (фиг.З) управляет работой коммутатора 2, опережающая последовательность |2, (фиг.З) поступает на коммутаторы 3 интеграторов всех пороговых элементов одновременно.

Работа коммутатора 2 и амплитудного ограничителя 4 порогового элемента отражена на фиг.4. Тонкой линией обозначен входной сигнал S(t), толстой - сигнал на выходе компаратора сигнала. Горизонтальные уровни S_on+ h и S_on- h обозначают is уровни ограничения одного из пороговых элементов. Ограничение сигнала на входе порогового элемента приводится ’с целью исключения зависимости ошибки срабатывания от скорости 20 измерения сигнала.

Импульс опережающей последовательности, разрешает интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе. Амплитудный ограничитель 4 поро- 25 гового элемента вырезает из сигнала узкую полоску S_on± h. Каждый из импульсов опережающей последовательности включает коммутаторы 3 всех пороговых элементов одновременно, 3θ разрешая интегрирование сигнала в интеграторах 5· Результат интегрирования сравнивается с эталонным уровнем компаратора 6. Если результат интегрирования превышает эталонный ₃₅ уровень, на выходе компаратора появляется логическая 1, которая поступает на выход порогового элемента. На выходе АЦП появляется унитарный код. ₄₀

Claims (2)

1. 39 содействие и точность преобразовани  ограниченна  полоса частот кодируемого сигнала. Причина этих недостатков заключаетс  в необходимости проведени  операции дискретизации в ана логовой форме с помощью аналогового устройства выборки и запоминани . Чем больше величина посто нной времени этого устройства, тем уже полоса частот кодируемого сигнала. Однако в момент хранени  посто нна  времени должна быть как можно больше , чтобы обеспечить достаточное врем  запоминани , необходимое дл  квантовани  сигнала. Цель изобретени  - увеличение быстродействи  и точности преобразовани . Поставленна  цель достигаетс  тем что в способе аналого-цифрового прео разовани  широкоплосных сигналов, включающем операции интегрировани  входного сигнала в пределах интервала выборки и формировании выходного кода, перед операцией интегрировани  выдел ют части входного сигнала, огр ниченные во времени интервалом выбор ки и нижним и верхним пределами ограничени  амплитуды, устанавливаемыми в соответствии с уровн ми квантов ни , а после интегрировани  этих частей входного сигнала осуществл ют сравнение результатов интегрировани  с эталонным сигналом. 8 устройстве дл  осуществлени  способа, содержащем пороговые элемен ты, сигнальные входы которых через коммутатор, подключены к шине входного сигнала, а управл ющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управлени , вход которого соединен с шиной сигнала дискре тизации, второй выход блока управлени  соединен с управл ющими входами пороговых элементов, выполненных на последовательно соединенных между со бой двустороннем амплитудном огранич теле входного сигнала, интеграторе и компараторе, а также коммутаторе интегратора, управл ющий вход которого соединен с управл ющим входом порогового элемента, а выход - с управл ющим входом интегратора. На фиг. 1 приведены эпюры сигналов , по сн ющих способ аналого-цифро вого преобразовани ; на фиг..2 рабоча  область одного из пороговых элементов; на фиг . 3 взаимное расположение рабочих областей трех 4 пороговых элементов; на фиг.4 - устройство дл  осуществлени  способа аналого-цифрового преобразовани . Способ предусматривает формирование интервала выборки из импульсов сигнала 1 дискретизации, причем начало интервала выборки формируют передним фронтом импульса, разрешающего интегрирование сигнала 2, а конец интервала выборки формируют выключением сигнала на входе всех пороговых элементов импульсов 3 до окончани  импульса, разрешающего интегрирование, там же изображен сигнал S(t) и сигнал S..Qjt) , действующий на входах пороговых элементов . Выделена рабоча  область одного из пороговых элементов, образуема  интервалом выборки Д t g и участком на оси амплитуд 2h, св занным с опорным уровнем этого элемен ,та Spn Результат интегрировани  сигнала в пределах рабочей области 5 сравнивают с эталонным уровнем 5 , причем на выходе этого порогового элемента вырабатываетс  логическа  1, когда результат интегрировани  оказываетс  выше эталонного уровн . В интеграторе порогового элемента осуществл етс  интегрирование части сигнала Sn(t) S(t)-(Son -Ь),ограниченной пределами интервала выборки. tQ-TJ t +Т. Линейно измен ющийс  сигнал , проход щий через точку tQ,SQf,m (), может быть выражен в следующем виде: S(t)S -m+S(1b) (t-to)- (Soпh)h-m -SЧto) (t-t)- Результат интегрировани  сигнала дл  време-ни ,t7/ to+ Т равен Gl(t 7/ to +Т) уг J b-m+SU) C-t-tp)((-m)T+ + 2S Cto)toT - 2S(to)V 2 (li-ni)T. Результат не зависит от скорости и направлени  изменени  сигнала, т.е. от величины и знака производной S Ctig) . Если лини  изменени  сигнала проходит- через центр рабочей области , то , Sn(t)h+S4to) (t-tg) и fi(t y-T)2Tli. При tS(tg)T h сигнал пересекает вертикальные линии и tg+T. Если скорость изменени  сигнала S(tg)значительна, S(±о) , сигнал пересекает горизонтальные ли5 НИИ f, ib в моменты времени tpt. В этом случае при нарастающем сигна Sn(t)0 t to- Б h н- S4to)(t-t) tfl-E t to + t7/to+ H При спадаюшем сигнале Sn(t) + В S4to) (t-to) to- t-«-to-b 1 0It to + e Результат интегрировани  равен aUUo4T)J )di4j ti + SUoXt-y ib-Tto-E STit) и не зависит от скорости и направле ни  изменени  сигнала. Поэтому, если условие срабатываНИИ порогового элемента соответствует результату интегрировани , равному или превышающему 2Th, ошибка срабатывани  такого порогового элемента при датировке выборочного значени  времени tg при любой скорости изменени  сигнала полностью отсутствует. Это обсто тельство определ ет принципиальную возможность кодировани  широкополосного сигнала с высокой точностью. Процес интегрировани  в пределах рабочей области каждого порогового элемента не приводит к завалу общей ампли ( тудно-частотной характеристики АЦП в области высоких частот. Ширина характеристики определ етс  только длительностью интервала выборки, ко тора  может быть сделана предельно малой, что имеет место в стробоскопическом осциллографировании. Поскольку рабочие области различ ных пороговых элементов некоррелиро ваны, шаг квантовани - не зависит от ширины зоны ограничени  каждого.из пороговых элементов по оси амплитуд Каждый из пороговых элементов срабатывает , если результат интегриров ни  превышает величину эталонного уровн  . . Это значит, что входной сигнал превышает опорный уровень порогового элемента в момент времени, соответствующий середине интервала выборки. Если опорны уровни св заны с номерами группы эл ментов, а их расстановка упор дочен и отражает закон квантовани  сигнала , количество сработавших пороговы элементов, и, следовательно, выходной унитарный код пропорциональны входному сигналу. Така  группа пороговых элементов осуществл ет преобг разование текущего значени „амплитуды входного сигнала в унитарный код и  вл етс  поэтому АЦП параллельйоге типа. Унитарный код на выходе АЦП может быть преобразован в любой другой вид кода, в том числе двоичный с помощью шифратора. Использование предлагаемого спо- . соба позвол ет повысить быстродейст вие и точность аналого-цифрового преобразовани  за счет исключени  операции дискретизации сигнала в аналоговой форме. Кроме того, интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе используетс  как прй1Тципиально необходимый процесс и не  вл етс  вредным  влением, ограничивающим быстродействие и точность известных компараторов, что непосредственно св зано с увеличением быстродействи  и точности аналого-цифрового преобразовани  в параллельных и параллельно-последовательных АЦП. Возможность получени  коротких интервалов выборки при невысоких требовани х к стабильности интервала позвол ет существенно увеличить полосу частот кодируемого сигнала до пределов, свойственных устройствам стробоскопического осциллографировани . При этом статическа  точность аналого-цифрового преобразовани  зависит только от стабильнос ,ти схемы формировани  опорных уровней и может быть достаточно высокой. Устройство (фиг.) дл  осуществлени  предлагаемого способа аналого-цифрового преобразовани , состоит из блока 1 управлени , управл ющего работой коммутатора 2, и коммутаторов 3 интеграторов пороговых элементов, каждый из пороговых элементов состоит из двухстороннего амплитудного ограничител  k входного сигнала, имеющего уровни ограничени , св занные с опорным уровнем порогового элемента S, интегратора 5 на выходе ограничител , компаратора 6, осуществл ющего сравнение амплитуды сигнала на выходе интегратора с эталонным уровнем S. Компаратор 6  вл етс  частью порогового элемента. Устройство работает следующим образом . В блоке 1 управлени  из сигнала дискретизации вырабатываютс  две последовательности импульсов.сдвинут на врем  равное интервалу выборки. .Задержанна  последовательность 3 (фиг.З) управл ет работой коммутато ра 2, опережающа  посгюдовательност 12, {фиг.З) поступает на коммутаторы 3 интеграторов всех пороговых элементов одновременно. Работа коммутатора 2 и амплитудн го ограничител  k порогового элемен та отражена на фиг.. Тонкой линией обозначен входной сигнал S(t) толстой - сигнал на выходе компаратора сигнала. Горизонтальные уровни h и Spfl- h обозначают уровни ограничени  одного из порого вых элементов. Ограничение сигнала на входе порогового элемента приводитс  с целью исключени  зависимости ошибки срабатывани  от скорости измерени  сигнала. Импульс опережающей последовател ности, разрешает интегрирование сигнала в каждом пороговом элементе . Амплитудный ограничитель Ц поро гового элемента вырезает из сигнала узкую полоску h. Каждый из им пульсов опережающей последовательности включает комму т а то рь1 3 всех пороговых элементов одновременно, разреша  интегрирование сигнала в интеграторах 5- Результат.интегрировани  сравниваетс  с эталонным ур нем компаратора 6. Если результат интегрировани  превышает эталонный уровень, на выходе компаратора по вл етс  логическа  1, котора  поступает на выход порогового элемента . На выходе АЦП по вл етс  уни тарный код. Формула изобретени  1. Способ аналого-цифрового прео разовани  широкополосных сигналов. 28 включающий операции интегрировани  входного сигнала в пределах интервала выборки и формировани  выходного кода, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  быстродействи  и точности преобразовани , перед операцией интегрировани  выдел ют части входного сигнала, ограниченные во времени интервалом выборки и нижним и верхним пределами ограничени  амплитуды, устанавливаемыми в соответствии с уровн ми квантовани , а после интегрировани  этих частей входного сигнала, осуществл ют сравнение результатов интегрировани  с эталонным сигналом. 2. Устройство дл  осуществлени  способа по n.t, содержащее пороговые элементы, сигнальные входы которых через коммутатор подключены к шине входного сигнала, а управл ющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управлени , вход которого соединен с шиной сигнала дисретизации , отличающее,с   тем, что, второй выход блока управлени  соединен с управл ющими входами пороговых элементов, выполненных на последовательно соединенных между собой двустороннем амплитудном ограничителе входного сигнала, интеграторе и компараторе, а также коммутаторе интегратора, управл ющий вход которого соединен с управл ющим входом порогового элемента, а выход с управл ющим входом.интегратора. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Монолитный АЦП с рабочей частотой 30 МГц. - Электроника, 1978, № 9.
2. 2.Бахтиаров Т.Д. Аналого-цифровые преобразователи. - Зарубежна  радиоэлектроника, 1975. № 1. прототип).

   А

    -И

   ioT

   onn-i

   -t

   fa

   4 7фигЗ

   фиг.Ч: