Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов

 

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.

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 U_вх поступает на входы сумматора 1 и устройства 5 вычитания. Выходной сигнал сумматора 1 U_Σ преобразуется АЦП 2 в цифровую форму Y с тактовой частотой F_т, 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 U_Σ= U_вх+(U_вх-U_ф)K_ус, (1) где U_вх - напряжение входного сигнала; U_ф = U_ЦАП · A_ф - напряжение на выходе ФНЧ 4, где U_ЦАП - напряжение на выходе ЦАП 3, A_ф - коэффициент передачи ФНЧ 4; K_ус - коэффициент усиления усилителя 6.

Тогда напряжение на выходе ФНЧ 4 U_ф= (U_вх-U_Σ/K_ус+U_вх. (2) Из формулы (2) следует, что напряжение на выходе ФНЧ 4 тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше K_ус. 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 F_т и частоты среза F_ср ФНЧ 4. При увеличении соотношения F_т/F_ср уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления K_ус прямо пропорционально увеличить точность преобразования малых изменений сигнала. Кроме того, снижение уровня высокочастотных составляющих приводит к снижению шума квантователя. Таким образом, значение K_ус необходимо выбирать максимально большим, но обеспечивающим устойчивую работу преобразователя, причем K_ус может быть тем больше, чем больше отношение F_т/F_ср.

Учитывая сказанное, можно приблизительно оценить выигрыш, получаемый от использования предлагаемого устройства. Например, если F_т/F_ср = 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 F_т/F_ср = 64 эквивалентно добавлению сразу шести разрядов ИКМ, т.е. расширению динамического диапазона преобразования на 36 дБ.

Поднять отношение F_т/F_ср можно двумя способами: либо увеличивая F_т, либо уменьшая F_ср. 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 K_г 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 D_c = 20 lg U_max/U_min (3) вычисляется динамический диапазон преобразования D_с при максимально (U_max) и минимально (U_min) 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 K_г и D_с 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2