Способ аналого-цифрового преобразования

 

Изобретение отнорится к цифровой вычислительной технике и предназначено для уменьшения избыточности измерительной информации при повышении точности ана; лого-цифрового преобразования. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Щ4

УВЯЛ (21) 4801697/24 (22) 14.03.90 (46) 15.04.93. Бюл. N 14 (71) Азербайджанский институт нефти и химии им. M.Àçèçáåêîâà (72) И,М.Абдуллаев и А.Д.Оруджев (56) Авторское свидетельство СССР

N 1422168, кл. G 01 R 19/25, 1988, Авторское свидетельство СССР

Мт 1651220, кл, 6 01 R 19/25, 1989, Изобретение относится к цифровой измерительной технике и предназначено для уменьшения избыточности измерительной информации при повышении точности аналого-цифрового преобразования, Цель изобретения — уменьшение избыточности скорректированной измерительной информации при повышении точности аналого-цифрового преобразования, Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу, включающему операции осуществления (m+1)-у выборку мгновенных значений преобразуемой величины, формирования по полученным выборкам (m+1)-у аналоговую величину, формирование кодов, каждый из которых пропорционален соответствующей сформированной аналоговой величине, с последующим их запоминанием, вычисления конечной разности m-го порядка запомненной последовательности кодов, дополнительно осуществляют формирование i-ой аналоговой величины в вспомогательных тактах, где i (1,m), следующим образом: перед каждой i-ой выборкой производят запоминание значений предыдущих выборок, а одновременно с каждой i-ой выборкой вы- . полняют масштабирование каждой из предыдущих запомненных выборок путем ее

„„5U „„1809529 А1 (я)5 Н 03 М 1/06, G 01 R 19/25 (54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ (57) Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и предназначено для уменьшения избыточности измерительной информации при повышении точности аналого-цифрового преобразования. 1 ил, уМНОжЕНИя На КОЭффИцИЕНт К1=р qm,k. ГдЕ

КЕ(1,i-1), pm= -,, gm,K=Cm-1+k,, CN

C2m— число сочетаний из Й элементов по L, а

i-ой выборки — на коэффициент Kz=pm, сум- Б мируют полученные масштабированные значения выборок, а (m+1)-ю аналоговую величину в основном такте формируют идентичным образом при условии, что

K1=pm ц,К а К =1, Таким образом, предлагаемый способ заключается в следующей последовательности операций, выполняемых в рамках каждого цикла преобразований, состоящего из m вспомогательных и (m+1)-го основного тактов: осуществляют (m+1)-у выборку мгновенных значений преобразуемой величины, 0 по полученным выборкам формируют (m+1)y аналоговую величину, причем для формиро- К.) вания I-й аналогового величины в вспомога- тельных тактах преобразования, где !в(1,m),;. перед каждой i-й выборкой производят запоминание значений предыдущих выборок, а одновременно с каждой i-й выборкой выполняют масштабирование каждой из предыдущих запомненных выборок путем ее уМНОжЕНИя На КОЭффИцИЕНт K1=pm gm,k ГдЕ Кб

6(1,i-1). р= — 1 — . р.a=C1+ .. Cii

С г:1

1809529 числс сочетаний из N элементов no L, а i-й выборки — на коэффициент K2=pm, суммируют полученные мэсштабированные значения выборок, а (m+1)-ю аналоговую величину в основном такте формируют идентичным образом при условии, что

K1=Pm gm,k, à K2=1, фоРмиРУют коДы, кажДый из которых пропорционален соответствующей сформированной аналоговой величине, с последующим их запоминанием, вычисляют конечную разность m-ro порядка запомненной последовательности кодов.

Все операции над аналоговыми сигналами и их цифровыми эквивалентами, осуществляемые в предлагаемом способе. известны и широко применяются. Однако, такие их сочетание и последовательность выполнения, позволяющие сократить избыточность измерительной информации при повышении точности аналого-цифрового преобразования, авторам не известны. В силу этого предлагаемый способ содержит новизну и соответствует критерию "Существенные отличия".

Сущность предлагаемого способа заключается, в следующем. Производят (m+1)ю выборку мгновенных значений преобразуемой величины {Xi}, i=1,m+1, Формиру)от цикл из m+1 тактов преобразований, первые m из которых вспомогательные, а (m+1)-й — основной такт. В каждом I-м вспомогательном такте текущую выборку умножают на коэффициент pm= и

С Й-1 суммируют результат умножения с предыдущими выборками {Х}-)4}, К=1,i-1, предварительно умножив их на коэффициенты pmx

>(gm,k=Cm-1+k /Сг(п-1, СООтВЕтСтВЕНHO.

m-1 m-1

Сформированный таким образом сигнал

} —

Z1mm 1 — -, > С и-1+к X)-k (1)

Сг m-} 1 — 0 подвергают аналого-цифровому преобразованию, а полученный код

} — f:

k1*=Zl+SmI= — )- y С -1 k Xlk+Sl(2)

С г m — 1 к=0 запоминают (где S} — погрешность нескорректированного аналого-цифрового преобразования в i-м такте). В (m+1)-м основном такте текущую выборку Xm+1 суммируют с предыдущими выборками {Хп)+1-k}, 1=0,m. предварительно умно>ким их на соответствующие коэффициенты pm gm.}, Сформированный таким образом сигнал

Zm+1=Xm+1+ — -= — -1-- „7, Cm-1+k Xm+1-k (3) m-1 " >

Сгщ -1k 1 подвергают аналого-цифровому преобразованию, в результате которого получают код

Ym+1 =Zm+1+Sm+1mm-Xm+1+

1 — — — Сщ-1+k Xm-1+k+S+1 (4)

С m — 1k 1 который запоминают (где Sm+1 — погрешность нескорректированного преобразования в (m+1)-м такте), 10 Далее вычисляют конечную разность mro порядка запомненной последовательности {Y)*}, i=1,m+1 цифровых кодов, полученных в результате нескорректированных аналого-цифровых преобразований, по формуле

A Ym+1*= ; (-1) Cm Ym+1-j*,,(5)

j=0 и тем самым получают к концу цикла преобразований результат скорректированного аналого-цифрового преобразования аналоговой величины Xm+1:

m * m

Л Уп)+1 = Хп)+1+ Ь Sm+1=Ym+1 (6) лm

ГдЕ Ь Sm+1 — КОНЕЧНая раЗНОСтЬ m-ГО ПОряд-, » -- р ш--"(m+1)- --

Пользуясь свойством линейности оператора конечной разности имеем;

Л"Ч.+ *=Л (Zm+1+ m+1)= Л Zm+1+ +Л да+1

Теперь покажем, чтО У +1*=У +1, т,е. дОКажЕМ раВЕНСтВО AÜZm+1=Xm+1. ДЛя ЭТОГО запишем в соответствии с (5)

Л 2 .m+1= (-1) Cm+Zm+1-)=Еп)+1+ .)

+ (-1) Cmj Zm+1-)

1=1

Подставив в последнее выражение Z(п+1 из формулы (3) и Zm+1-1 из (1),получим

40 m 1

Л Z+i=xki+ — ) g cm mkk X+i k

С г m-1k=-1

Сгп) — 1 1 — — 1 l =0

45 )(m+1-)-k =Xm+) + — )-(g Сm-)+k Хе+1k

СД:1 =1

m — )

+ (-})kC)n g СП1="МХ4}-)-k}

50 1=1 k=O

Сумма, заключенная в фигурные скобки, при любом значении целого положительного числа m. тождественно равна нулю. Например, для.п)=2 получим, что г г г —

), C1+k Хз-k+ „>, (-1)1C2 >, С1+}(X3-}-Мк=1 }=1 } =0

=C2 Хг+Сз Х1 Сг (Х2+Сг Х1)+Х1=-2Хг+ЗХ

"2X2 4Õ1+X1=-б

1809529

Таким образом, справедливость выражения (6) доказана. Теперь покажем преимущества предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования по сравнению с прототипом и аналогом.

В прототипе и аналоге скорректированный код в I-м такте имеет вид;

Y;=X + Л 4 X;+» (-1) Ck Д- ; =1,N

k=0 где XI — истинное значение преобразуемой аналоговой величины Х в I-м такте; hm Bi— конечная разность m-ro порядка погрешности нескорректированного аналого-цифрового преобразования в I-м такте.

Для эффективного подавления высокочастотной составляющей погрешности Д (t) алгоритм конечной разности m-ro порядка необходимо осуществлять избыточную дискретизацию во времени, т,е. с частотой, превышающей частоту по теореме

Котельникова в несколько раз, Иначе имеет место удаление, а не подавление высокочастотной погрешности.

Действительно, спектральная плотность мощности на выходе конечно-разностного фильтра имеет вид:$ЯД(в) =$Д(в). 2 (1 — созвТо где $Д (в) — спектральная плотность мощности исходного шума Д (д);

T0 — шаг дискретизации.

Подавление погрешности Д (т) будет

$ЯД(в) иметь место, если < 1.

$Д и

Определим шаг дискретизации То (час1 тату дискретизации 4= -„-) при котором бу о дет выполняться это неравенство:

2 (1-cos2 л ГГ ) <1

То< 6 т или о> 6f

Таким образом, из последнего неравенства видно, что дискретизацию необходимо осуществлять с частотой 1о>61, где fm— наивысшая частота спектра шума. В соответствии с этим по прототипу и аналогу за интервал наблюдения Т получаем N=

Т

= >6ЬТ скорректированных результатов

То измерений.

По предлагаемому способу количество получаемых на выходе скорректированных результатов аналого-цифрового преобразования при прочих равных условиях будет

1 N

N = +1, поскольку в каждом цикле

m+1 преобразований получается только адин

55 управляющее вычислительное устройство (УВУ) 7, шину 8 управления.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии,(перед началам каждого цикла преобразования) все тактируемые узлы (ЯВХ 1, ЯВХ 2-1-2-m, коммутатор 4, АЦП б) сигналом шины 8 управления скорректированный результат преобразования Уп +1, формируемый согласно выражению (.(6), путем вычисления конечной разности m-го порядка из последовательности гл+1 праме5 жуточных (вспамогательных) преобразований, Примечательным является тот факт, что при этом погрешность скорректированного результата преобразования Ym+< оп ределяетm ся какал Дп,+1= Я (— 1 )" Cm Д,„+1 — k, т.е.

« =-0 уменьшая избыточность выходных кодов полезного сигнала по предлагаемому способу эффект фильтрации погрешности равносилен такому же эффекту, получаемому по прототипу и аналогу.

Уменьшение избыточности выходной информации приводит к очень важному преимуществу предлагаемого способа по сравнению с прототипом, которое заключается в следующем. По прототипу каждый скорректированный результат преобразования получается путем выполнения операции вычисления конечной разности в каждом i-м такте, Поэтому количество этих операций равно N, т.е. количеству выходных кодов, По предлагаемому способу операция вычисления конечной разности выполняется всего один раз за цикл преобразования, включающий m+1 тактов преобразований, Поэтому количество этих операций за интервал наблюдения получается в m+1 раз меньше пб сравнению с прототипом, Таким образом, предлагаемый способ, сохраняя преимущество прототипа по подавлению погрешности конечно-разностной фильтрацией при отсутствии обратного преобразования, способствует исключению избыточности в последовательности выход-. ных скорректированных результатов и в количестве операций вычисления конечной разности. Эти преимущества важны с точки зрения упрощения реализации предлагаемого способа.

45 На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит: ячейку 1 выборки-хранения (ЯВХ), последовательно включенные m ЯРХ 2-1-2 е, m+1 масштабирующих усилителей 3-0-3-m, аналоговые коммутатор 4 и сумматор 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, 1809529 поддерживаются в начальном (нулевом) состоянии.

В первый такт вспомогательного преобразования ЯВХ 1 на своем выходе формирует выборку Х1 преобразуемой аналоговой 5 величины, которая через масштабирующий усилитель 3-$ с коэффициентом передачи

pm=1/C2m-1m и первый канал аналогового коммутатора 4 подается на первый вход сумматора 5, на другие входы которого под- 10 аются нулевые сигналы с ЯВХ 2-1 -2-m, Вы1 водной сигнал сумматора ос — — г- ХГ.

СМй — 1 подвергается аналого-цифровому преобразованию в АЦП 6 и полученный код, равный

Y1*=1/С2уп-1 X1+ ä1 запоминаетсЯ в УВУ

7, По завершению аналого-цифрового преобразования выборка Х1 с ЯВХ 1 управляющим сигналом с шины 8 перезаписывается в ЯВХ 2-1.

Во втором такте вспомогательного преобразования ЯВХ 1 формирует на выходе выборку Х2 преобразуемой аналоговой величины, которая через масштабирующий

1 усилительЗОср - — - и первый канал

С@:1 аналогового ключа и подается на первый вход сумматора 5, на второй вход которого через 30 масштабирующий усилитель 3-1 с козффициЕНтОМ ПЕРЕДаЧИ Pm ОП1,k=Cmm /C2q-1 1 С ВЫХОда ЯВХ2-1 ПОдаЕтСя СИГНаЛ(Сп /C2m-1 )

Х1, íà все остальные входы подаются нули.

Сформированный на выходе сумматора 5сиг- 35 нал

Cmm — Х,. — —,- Х, подвергается аналого-цифровому преобра- 40 зованию, а код У2 Е2+ д2эапоминается в, УВУ 7.

По окончанию аналого-цифрового преобразования управляющими сигналами с шины 8 содержимое ЯВХ 2-1 (т.е. Х1) запи- 45 сывается в ЯВХ 2-1.

Далее во всех последующих m вспомогательных тактах процесс преобразования осуществляется в соответствии с описанным выше алгоритмом и полученный в m-м 50 такте код имеет вид

1 „Cree уи*- =- - Хи — 1- X -1+ .

С -1 С -1

Сщ+ ) CPm -2 55

+ Хват ...+ — -т- Х1 ди

СЯ-1 С%в-1 . который также запоминается в УВУ 7, llo окончанию аналого-цифрового преобразования в гп-м вспомогательном такте управляющими сигналами с шины 8 аналоговый коммутатор 4 переводится во второе состояние, в ЯВХ 2-m записывается содержимое ЯВХ 2-(m-1), в ЯВХ 2-(m-1) записывается содержимое ЯВХ 2-(m-2) и т.д., а в ЯВХ

2-1 — содержимое ЯВХ 1, т.е. Xm.

В (m+1)-м основном такте ЯВХ 1 формирует на выходе выборку Хрр1, которая без масштабирования подается через второй канал ключа 4 на первый вход сумматора 5, на другие входы которого с выходов ЯВХ

2-1-2-m через масштабирующие усилители

3-1-3-m подаются, соответственно, предыдущие выборки {Xm+1-k}, k=1,m.

Сформированный таким образом сигнал также подвергается аналого-цифровому преобразованию и при этом получается код, который запоминается в УВУ 7.

Далее в УВУ 7 из полученной к концу цикла преобразований последовательности кодов {YI*}, 1=1,гп+1 вычисляют конечную разность по формуле (5) и получают реэуль; тат скорректированного преобразования в виде (6).

Функциональные узлы устройства хорошо реализуются на общеизвестных элементах аналого-цифровой техники, а алгоритм вычисления конечной разности, реализуемый в управляющем вычислительном устройстве, доступен большинству отечественных микропроцессорных Наборов в силу того, что он предусматривает операции умножения на постоянные коэффициенты Cm, Cm ...,Cm, сложения и вычи0 1 m тания.

Таким образом, по предлагаемому способу также как и по прототипу, достигается положительный эффект конечно-разностной фильтрации погрешностей аналогоцифрового преобразования, Однако принципиальным является то, что в отличие от прототипа предлагаемый способ позволяет сократить избыточность измерительной информации и существенно уменьшить количество операций, производимых над кодами.

Формула изобретения

Способ аналого-цифрового преобразования, заключающийся в том, что осуществляют (щ+1)-у выборку мгновенных значений преобразуемой величины, по полученным выборкам формируют (m+1)-у аналоговую величину, формируют коды, каждый из которых пропорционален соответствующей сформированной аналоговой величине, с последующим их запоминанием, вычисляют конечную разность m"го порядка запомненной последовательности кодов, о т л и ч à ешийся тем, что, с целью повыше ия

1809529

Составитель А.Оруджев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.Êóëü

Редактор

Заказ 1291 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 точности, формирование i-й аналоговой величины в вспомогательных тактах, где i е(1,m), осуществляют следующим образом: перед каждой i-ой выборкой производят запоминание значений предыдущих выбо- 5 рок, а одновременно с каждой i-й выборкой выполняют масштабирование каждой из предыдущей запомненной выборки путем

ЕЕ уМНОжЕНИя На КОЭффИцИЕНт К =р qm,k, 10 где Ке(1.i-1), р„= — -Г-, о,,k= Cm-1+k

1 m 1

С п:1

С вЂ” число сочетаний из N элементов по l, а

i-й выборки — на коэффициент Кг=-pm, суммируют полученные масштабированные значения выборок, а (m+1)-ю аналоговую величину в основном такте формируют идентичным образом при условии, что К =-pm

qm,k, à К2=1,