Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые и преобразователь аналогового сигнала в последовательность цифровых сигналов

 

Изобретение относится к способу обработки цифровых сигналов, а точнее к процессам и схемам преобразования аналоговых сигналов в цифровые представления этих аналоговых сигналов. Техническим результатом предложения является создание способа и преобразователя, обладающих повышенной степенью линейности в процессе преобразования, пригодных для выполнения недорогих корректирующих отклонений в линейности независимо от регулировок смещения, усиления и фазы. Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые заключается в преобразовании исходного аналогового сигнала, дискретизированного на заданных временных интервалах, в первую последовательность цифровых сигналов, величины которых соответствуют величинам амплитуд исходного аналогового сигнала на заданных временных интервалах, в первую последовательность цифровых сигналов, величины которых соответствуют величинам амплитуд исходного аналогового сигнала на заданных временных интервалах, формировании последовательности адресных сигналов и последовательности эталонных цифровых сигналов, каждый из которых соответствует одноименному адресному сигналу, отличающийся тем, что эталонные цифровые сигналы формируют в соответствии с линейным изменением амплитуды исходного аналогового сигнала и формируют выходную последовательность цифровых сигналов из эталонных цифровых сигналов, адресные сигналы которых соответствуют цифровым сигналам первой последовательности. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к способу обработки цифровых сигналов, а в более узком смысле относится к процессам и схемам преобразования аналоговых сигналов в цифровые представления этих аналоговых сигналов.

Как правило, системы цифровой обработки сигналов (DSP) снабжены аналого-цифровым преобразователем в качестве входного канала связи от аналогового домена. Всегда допускается, что аналого-цифровой (т.е. А/Ц) преобразователь будет образовывать цифровой сигнал, основанный на выходном уровне. Для какого-то конкретного ввода двойной амплитуды V_pp А/Ц преобразователь генерирует какое-то конкретное число кодов в своем выходном порту. Следовательно, очень важное значение будет иметь входная - выходная линейность А/Ц преобразователя.

Имеющиеся в настоящее время весьма дорогостоящие А/Ц преобразователи снабжены одним или более регуляторами линейности. Эти органы регулирования дают пользователю возможность регулировать вывод для какого-то конкретного уровня ввода (например, либо 50%, либо 25% и 75%) с конечной целью получения линейного выхода или выходного сигнала. Однако на промежуточных уровнях ввода довольно часто отмечается некоторая нелинейность.

Для многих коммерческих сортов бытовой радиоэлектроники, в которой используются аналого-цифровые преобразователи обычного или стандартного качества, например, изделия на основе видеосигналов, очень важно и просто необходимо, чтобы степень нелинейности аналого-цифрового преобразователя всегда находилась под контролем и чтобы ее можно было регулировать. Например, в схемах устройства гашения или устранения повторного изображения параметры повторного изображения можно рассчитать на основе перехода в какой-то конкретной области: в качестве примера сошлемся на сигнал синхронизации кадровой развертки (от - 40 до 0 IRE) (Институт радиоинженеров) или на сигнал вещательного телевидение (т.е. ВТА) от 0 до 70 IRE. Теперь на основе этих параметров можно будет устранить повторное изображение во всем диапазоне от 40 до примерно 120 IRE. Следовательно, для достижения надежной и эффективной характеристики устранения повторного изображения исключительно большое значение имеет "допущенная" линейность сигнала.

Предпринимаемые ранее усилия ученых на достижение специфических выходных характеристик аналого-цифровых преобразователей концентрировались на двух различных направлениях решения этой проблемы. В соответствии с первым направлением решение проблемы видели в использовании дорогостоящего и высококачественного аналого-цифрового преобразователя, который обязательно включает в себя регулируемые этапы усиления и изменения фазы. Еще до момента практического использования преобразователя необходимо было "настроить" каждый из регулируемых этапов, чтобы добиться оптимальных выходных характеристик. Двумя основными проблемами этого первого направления были высокая стоимость преобразователя и слишком длительная процедура необходимых регулировок. Следовательно, практическое использование таких преобразователей ограничивалось лишь исключительно специфическими и дорогостоящими случаями.

По второму направлению, по которому пошел Кимура, на имя которого выдан патент США N 4764751, выходной сигнал "Z" от схемы нелинейного аналого-цифрового преобразователя подается в память просмотровой таблицы, в которой содержатся данные о прямолинейном преобразовании, причем это делается с целью получения компенсированных цифровых значений "Z", хранимых в просмотровой таблице, а следовательно, и с целью образования преобразования, демонстрирующего какую-то специфическую нелинейную (например, логарифмическую) характеристику. К входному порту схемы нелинейного аналого-цифрового преобразования подключали несколько каскадов с целью лучшего регулирования смещения и усиления аналоговых сигналов, передаваемых к схему преобразования. Однако подобный подход предусматривает обязательное проведение измерений специфических данных преобразования используемого в данном случае нелинейного аналого-цифрового преобразователя, калибрации кривой специфических данных преобразования при исходном и максимальном значениях выходного сигнала (например, 2^N - 1) в качестве части этапа нормализации и подбора эмпирической кривой и вычисление компенсированных цифровых значений, соответствующих уровню входного сигнала на основе эталонных данных и специфических данных о преобразовании. Следовательно, поскольку этот способ предусматривает обязательное использование этапов регулировки смещения и усиления, то является также обязательным использование специализированных цифроаналоговых преобразователей и проведение измерений специфических данных о процессе преобразования самих преобразователей . Именно по этой причине этот способ не приемлем для совместного использования с аналого-цифровыми преобразователями серийного или массового изготовления. Более того, этот способ не признает и никак не связан с проблемами улучшения линейности процесса преобразования с помощью линейных цифроаналоговых преобразователей при значениях, которые будут промежуточными по отношению к двум крайностям диапазона преобразования.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание улучшенных способа и схемы для осуществления цифроаналогового преобразования.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа и схемы, обладающих повышенной степенью линейности в процессе преобразования аналоговых сигналов в цифровые.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и схемы, пригодных для выполнения недорогих корректирующих отклонений в линейности аналого-цифровых преобразователей серийного производства.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и схемы, отличающихся повышенной линейностью выходного сигнала к выходному сигналу процесса цифроаналогового преобразования независимо от регулировок смещений, усиления и фазы.

Эти и некоторые другие цели достигаются с помощью способа и схемы, которые предусматривают использование запоминающего устройства для хранения значений данных о линеаризации, вводимых между аналого-цифровым преобразователем и системой обработки цифрового сигнала. Известный аналоговый испытательный сигнал, например десятиступенчатый сигнал IRE, инкрементально подается во входной порт цифроаналогового преобразователя, а этап программирования обеспечивает подачу цифровых значений для известных амплитуд аналогового сигнала в запоминающее устройство на каждом этапе, чтобы гарантировать соответствие между условным цифровым сигналом, генерируемым аналого-цифровым преобразователем, и соответствующими адресами линейных цифровых значений, хранимых в запоминающем устройстве. Поскольку соответствующие адреса для линейных цифровых значений хранятся в упомянутом запоминающем устройстве, то этап программирования становится ненужным, а последовательно соединенные аналогоцифровой преобразователь и запоминающее устройство будут надежно обеспечивать образование более высокой степени линейности между аналоговыми сигналами, подаваемыми в преобразователь, и цифровыми значениями, подаваемыми из запоминающего устройства.

Более полную оценку сути настоящего изобретения и основных его преимуществ можно будет сделать на основе детального описания со ссылками на сопровождающие описание чертежи, на которых одинаковые элементы и детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

На фиг. 1 дана блок-схема обычного применения аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - блок-схема аналого-цифрового преобразователя, схема которого построена в соответствии с основными принципами настоящего изобретения; на фиг. 3 - графическое представление десятиступенчатого сигнала IRE; на фиг. 4 - двухкоординатная графическая иллюстрация отклонений в степени линейности, которые имеют место в типичном аналого-цифровом преобразователе серийного производства; на фиг. 5 - двухкоординатная графическая иллюстрация одного варианта реализации способа для осуществления аналого-цифрового преобразователя в соответствии с основными принципами настоящего изобретения; на фиг. 6 - двухкоординатная графическая иллюстрация фактических и теоретических характеристик, полученных с помощью одного из вариантов по настоящему изобретению; на фиг. 7, 8, 9 - двухкоординатные графические иллюстрации, демонстрирующие расширенное представление подробности о смежных участках значений, показанных в графическом представлении фиг. 6.

Сошлемся прежде всего на фиг. 1, где схематически показана обычная типичная система обработки цифрового сигнала. Подобные системы обычно имеют аналого-цифровой преобразователь в качестве входного канала связи от аналогового домена. В показанной на фиг. 1 системе аналоговый сигнал подается во входной порт входного контура 10, который включает в себя каскад регулировки коэффициента усиления, каскад регулировки смещения постоянного тока и фиксатор. Аналоговый синхронизирующий импульс V_c, который передается входным контуром 10, подается во входной порт аналого-цифрового преобразователя 12, режим работы которого регулируется дискретизирующим сихронизирующим импульсом V_c, чтобы обеспечить подачу находящихся в N-разрядной информационной шине 14 цифровых данных V_d в систему обработки цифровых данных DSP 20 (DSP - цифровая обработка данных). Теперь обратимся к фиг. 4, где показаны кривые сравнения нескорректированных цифровых данных V_d генерируемых преобразователем 12, с прямолинейным помеченным словом "истинный" выходным сигналом линейного аналого-цифрового преобразователя; результаты этого сравнения указывают на то, что цифровые данные V_d почти непрерывно отклоняются на протяжении всего диапазона преобразования, которое осуществляет преобразователь 12, от желаемого истинного линейного отношения или связи между входным аналоговым сигналом V_i аналого-цифрового преобразователя, подаваемым во входной порт преобразователя 12, и цифровыми данными V_d генерируемыми преобразователем 12.

На фиг. 2 показана очень простая схема, которая отлично иллюстрирует схему аналого-цифрового преобразователя по настоящему изобретению. Из данных фиг. 1 ясно, что передаваемый входным контуром 10 аналоговый сигнал V_i подается на входной порт аналого-цифрового преобразователя 12, режим работы которого регулируется дискретизирующим синхронизирующим импульсом, чтобы гарантировать подачу в N-разрядную информационную шину 14 цифровых данных V_d.

Аналого-цифровое линеаризирующее запоминающее устройство 16, например программируемая постоянная память (PROM), в которой хранится просмотровая таблица цифровых значений, соединена с шиной 14, чтобы принимать цифровые данные V_d и реагировать на эти цифровые данные V_d путем образования истинных линейных цифровых значений на основе просмотровой таблицы и направлять их через N-разрядную информационную шину 18 в систему цифровой обработки данных DSP 20.

С помощью информационной шины 14 и в интервале между выходным портом преобразователя 12 и выходным портом запоминающего устройства 16 можно временно устанавливать микропроцессор 22, который будет выполнять функцию переключателя между шиной 14 и программирующей памятью 24, в которой содержится таблица истинных линейных цифровых значений Показанный на фиг. 3 известный испытательный сигнал, например десятиступенчатый сигнал IRE, можно использовать в качестве аналогового входного сигнала, подаваемого во входной контур 10. В данном случае хранимые в программирующей памяти 24 истинные линейные цифровые значения V_d образуют точную и надежную связь с какой-то специфической характеристикой, например с амплитудой каждой степени известного испытательного сигнала, на всем протяжении диапазона известного испытательного сигнала. Показанная вдоль абсциссы графика фиг. 3 зона IRE определяется как выходной диапазон между уровнями, захваченными от испытательного сигнала. A и B являются аналого-цифровыми выходными значениями, определяющими k-ю зону для входного уровня или интервал от V_k до V_k+1 A_t и B_t являются соответствующими правильными (истинными линейными) значениями для этой зоны. Затем с помощью приводимых ниже уравнений можно будет рассчитывать скорректированное значение Y_t для цифрового значения Y нелинейного аналого-цифрового преобразования: где C_k и D_k являются параметрами, рассчитанными для k-й зоны на основе не измеренных значений A и B для какого-то конкретного аналого-цифрового устройства с помощью соответствующих теоретических аналого-цифровых выходных значений A_t и B_t.

Аналого-цифровой выходной сигнал, который выводится на основе известного испытательного сигнала, например на основе десятиступенчатого сигнала IRE, стробируется в микропроцессор 22, например, для десятиразрядного аналого-цифрового преобразования 12, причем это происходит после регулирования основного коэффициента усиления и смещения постоянного тока в пределах входного контура 10 для ввода сигнала от 0 до + 1 B_pp (pp - двойная амплитуда напряжения). Именно поэтому аналоговое выходное цифровое значение будет колебаться в пределах 2N (с N - 9), т.е. в диапазоне от - 256 до + 255 при поразрядном дополнении смещения до двух. Микропроцессор 22 получает истинные цифровые значения V_t из просмотровой таблицы, хранимой в программирующей памяти 24, для известных уровней IRE. Для специально сконструированного аналого-цифрового преобразователя заранее известны правильные цифровые значения для каждого из этих уровней амплитуды ступенчатого испытательного сигнала IRE; упомянутые значения хранятся в просмотровой таблице в пределах программирующей памяти 24. В ответ на подачу во входной контур 10 каждого уровня ступенчатого испытательного сигнала IRE микропроцессор 22 будет считывать соответствующее истинное цифровое значение V_t из программирующей памяти 24 и будет хранить это истинное цифровое значение в просмотровой таблице линеаризирующей памяти 16, а соответствующее истинное цифровое значение вместе с адресом каждого из истинных цифровых значений, которые хранятся в линеаризирующей памяти 16, будут представлены соответствующими нескорректированными цифровыми данными V_d , образованными преобразователем 12. Микропроцессор 22 запрограммирован на определение аналитическим образом значений между ступенями входного сигнала, что и показано на фиг. 5, для ступени и от V_k до V_k+1. После того как все истинные цифровые значения на протяжении диапазона срабатывания преобразователя 12 будут отправлены на хранение в просмотровую таблицу линеаризирующей памяти 16 и будут храниться в адресе, соответствующем значениям цифровых данных V_d, образуемых преобразователем 12, и в ответ на ввод каждого уровня известного испытательного сигнала, отключаются из работы микропроцессор 22 и программирующая память 24, а линейный аналого-цифровой преобразователь, включающий в себя входной контур 10, сам преобразователь 12 и линеаризирующую память 16, будет иметь возможность точно образовывать и выдавать цифровые значения V_d , демонстрирующие истинную линейную связь со специфической характеристикой, например амплитудой, входного аналогового сигнала V_i на протяжении всего диапазона работы преобразователя 12. Таким образом, только за счет генерирования соответствующего преобразования данных с помощью постоянной памяти ("ROM") 16 мы имеем возможность надежным и недорогим способом полностью устранить или значительно уменьшить нелинейность входа-выхода, присущую аналого-цифровому преобразователю 12 серийного производства.

Показанные на фиг. 6, 7, 8 и 9 графики вычерчены для оценочной платы модели N ТС 1020 EIC девятиразрядного аналого-цифрового преобразователя TRW. График фиг. 6 образует двухкоординатную графическую иллюстрацию фактических и теоретических рабочих характеристик, полученных с помощью одного из вариантов изобретения, который был создан в соответствии с описанными выше принципами настоящего изобретения, тогда как графики на фиг. 7 8 и 9 образуют увеличенные двухкоординатные графические иллюстрации, характеризующие расширенное представление детали смежных секций значений, показанных через графическое представление фиг. 6. Графики фиг. 6, 7, 8 и 9 иллюстрируют выход, аналого-цифровой выход V_o (в виде пунктирных линий) и скорректированные значения (в виде сплошных линий), использующие описанную выше концепцию. Расширенные варианты ясно указывают на возможность практического устранения нелинейности на протяжении всего диапазона цифрового преобразования.

Формула изобретения

1. Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые, заключающийся в преобразовании исходного аналогового сигнала, дискретизированного на заданных временных интервалах, в первую последовательность цифровых сигналов, величины которых соответствуют величинам амплитуд исходного аналогового сигнала на заданных временных интервалах, формировании последовательности адресных сигналов и последовательности эталонных цифровых сигналов, каждый из которых соответствует одноименному адресному сигналу, отличающийся тем, что эталонные цифровые сигналы формируют в соответствии с линейным изменением амплитуды исходного аналогового сигнала и формируют выходную последовательность цифровых сигналов из эталонных цифровых сигналов, адресные сигналы окоторых соответствуют цифровым сигналам первой последовательности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сформированные эталонные цифровые сигналы сравнивают с одноименными цифровыми сигналами первой последовательности и корректируют их с учетом результатов сравнения.

3. Преобразователь аналогового сигнала в последовательностьть цифровых сигналов, содержащий согласующий элемент, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, и блок памяти, отличающийся тем, что в преобразователь введен кодер, блок памяти выполнен программируемым и предназначен для хранения цифровых сигналов, соответствующих линейному изменению амплитуды исходного аналогового сигнала, информационные выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к адресным входам программируемого блока памяти, выход которого подключен ко входу кодера.

4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что преобразователь содержит блок корректирования цифровых сигналов и второй программируемый блок памяти для хранения цифровых сигналов, соответствующих линейному изменению амплитуды исходного аналогового сигнала, шина данных которого соединена с первой шиной данных блока корректирования цифровых сигналов, вторая шина данных которого объединена с адресными входами первого программируемого блока памяти.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9