Аналого-цифровой фильтр

 

ОП И

ИЗОБ

К АВТОРСК

Союз Советских

Социалистических

Республик

>723585 (61) Дополнительн (22) Заявлено 23.0 с присоединением (23) Приоритет

51)М. Кл.2

G 06 F 15/34

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий

Опубликован

Дата опублик

53) УДК 6 81 32 5 (088. 8) (72) Автор изобретен и я

Е.С. Потапов (71) Заявитель (54 ) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР сумматора, пять блоков элементов И, многоразрядный регистр сдвига, один статический регистр, причем к первому входу каждого вероятностного умножителя подключены последовательно соединенные блок вероятностного округления, блок разрядных двухвходовых элементов И, регистр и постоян- ные памяти, а ко второму входу каждого вероятностного матричного умножителя подключены последовательно соединенные блок вероятностяого округления, блок разрядных элементов И и регистры (2).

Это устройство сложно по конструктивному выполнению, а также имеет низкие быстродействие и данимическую точность, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является аналого-цифровой преобразователь, который состоит из датчика двоичных случайных чисел, преобразователя код-напряжение, аналоговой схемы сравнения, двух двоичных накопительных счетчиков, элементов И, элемента задержки и предназначен для преобразования входного напряжения на интервале Т в цифровой двоичный код.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано, в частности, в цифровых фильтрующих и сглаживающих сис- 5 темах.

Известен цифровой фильтр, соДержащий преобразователь аналогкод, динамический регистр на

256 чисел, две группы схем сравне- 10 ния на 256 чисел каждая, 256 реверсивных счетчиков, постоянную память, сумматор параллельного типа, устройство управления, два датчика равномерно распределенных случайных чисел и ряд вспомогательных элементов (1) .

Недостатки этого фильтра — сложность, низкое быстродействие, связанное с последовательным выполнением операций аналого-цифрового преобразования и собственно фильтрацией, и низкая динамическая точность, связанная с тем, что при обработке информации производится преобразование кодов чисел в эквивалентную вероятность.

Известно устройство, которое содержит блок управления, два вероятностных матричных умножителя, два

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного

Знамени высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана

723585

Вероятностный преобразователь выполняет функцию фильтра нижних частот (3).

Недостаток преобразователя заклю. чается в том, что усреднение (фильтрация) производится на интервале времени Т. После истечения интервала Т необходимо заново накапливать сумму отсчетом на следующем интервале Т. Таким образом, одним из недостатков является низкая динамическая точность при преобразовании и фильтрации изменяющихся во времени аналоговых сигналов, обусловленная большим интервалом дискретизации при выдаче преобразованного и отфильтрованного сигнала. Другим недостатком преобразователя явля-.. ются узкие функциональные возможности, что приводит к низкой точности преобразования и фильтрации, связанные с тем, что предназначены для преобразования и фильтрации только однополярных сигналов.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения преобразования и интегрирования разнополярных сигналов и получения первой производной исследуемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой фильтр, со держащий, элемент И, блок считывания, элемент задержки, блок управления, датчик случайных величин и схему сравнения, первый вход которой подключен к входу фильтра, второй вход к выходу датчика случайных величин, вход которого подключен к первому.выходу блока. управления, второй выход которого подключен к входу элемента задержки, введены реверсивный счетчик, блок коррекции, элемент

ИЛИ, вторая схема сравнения, элемент

НЕ и блок определения знака, вход которого и вход элемента НЕ соединены со входом фильтра, выход элемента НЕ подключен к первому входу второй схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу дат- чика случайных величин, выходы первой и второй схем сравнения 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 считывания, второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блока управ,ления соединен со вторым входом блока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счетчика подключены к выходу блока опре30

65 деления знака,, третий выход блока управления соединен со вторым входом элемента И, выход блока считывания, первый и второй выходы блока коррекции являются выходами фильтра. Кроме того, блок коррекции содержит элемент задержки н последовательно соединенные реверсивный счетчик, первое устройство считывания, оперативные запоминающее устройство и второе устройство считывания, выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому входу реверсивного счетчика, управляющий вход которого и управляющий вход второго устройства считывания соединены с выходом элемента задержки, вход которого и управляющий вход первого устройства считывания соединены со вторым входом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход первого устройства считывания 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 определения знака, элемент

НЕ 2, схемы сравнения 3 и 4, элемент ИЛИ 5, датчик 6 случайных величин, элемент И 7, блок 8 управления, реверсивный счетчик 9, блок

10 коррекции, блок 11 считывания, элемент 12 задержки, реверсивный счетчик 13, устройство 14 считывания, оперативное 5апойинающее устройство 15, устройство 16 считывания, элемент 17 задержки.

Блок 1 определения знака предназначен для определения полярности аналогового сигнала и выработки управляющих сигналов для управления процессом суммирования, если аналоговый сигнал положительной полярности, или вычитания (в против.ном случае) импульсов в реверсивных счетчиках 9 и в блоке коррекции.

Датчик 6 предназначен для выработки случайных аналоговых величин

Q со случайным, например равномерным, распределением мгновенных значений амплитуд, не выходящих за пределы динамического диапазона изменения входного сигнала.

Реверсивный счетчик 9 предназначен для накопления импульсов с выхода элемента И. При этом, для реализации скользящего режима суммирования по истечении каждого интервала времени (до выдачи кода из счетчика 9 через блок 11 считывания) из кода счетчика 9 вычитается код, поступающий из блока 10 коррекции.

723585

40

Блок 11 считывания может представ лять, например, группу элементов

И, число которых равно разрядности считываемого кода и управляющие входы которых объединены и подсоединены к выходу элемента 12 задержки.

Блок 8 управления обеспечивает работоспособность всего фильтра в целом путем синхронизации работы всех его узлов и блоков. С выхода блока 8 управления на вход датчика

6 поступают импульсы с максимальной частотой для обеспечения необходимости точности преобразования аналог-код, которая зависит от числа испытаний iV. На вход элемента И с выхода блока 8 управления поступают импульсы той же частоты, но несколько задержанные (на время переходных процессов). С выхода блока 8 управления на вход блока 10 коррекции и на элемент 12 задержки поступают импульсы с интервалом ь|..

Реверсивный счетчик 13 так же, как и счетчик 9, предназначен для подсчета импульсов с выхода элемента И 7, но только за время (поэтому имеет меньшую разрядность).

Оперативное запоминающее устройство 15 предназначено для хранения кодов, пропорциональных интегралам от входного сигнала на интервалахд ;, за интервал времени ft,t -T - t)

В функции блока 10 входит корректировка результата преобразования и интегрирования в счетчике 9 перед передачей этого результата на выход через блок 11 считывания с целью получения выходной величины, пропорциональной точному значению интеграла от входного сигнала на интервале времени (t,< -Tl вычисляемого с дискретностью ьФ

Возможны и другие конструктивные решения блока коррекции. Например, можно заменить реверсивный счетчик

13 на последовательно соединенные интегратор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход интегратора в этом случае подключается к входу фильтраР Можно вместо счетчика 13 поставить только АЦП, производящий аналого-цифровое преобразование входного сигнала один раз в середине каждого интервала. Эти величины можно с некоторой точностью считать эквивалентами интегралу на интервале аФ .

Аналого-цифровой фильтр работает следующим образом.

На вход фильтра подается фильтруемый входной сигнал. Для определенности будем считать, что это медленно изменяющееся напряжение постоянного тока с аддитивной случайной помехой. Датчик 6 случайных величин вырабатывает напря25

65 жение постоянного тока, амплитуда которого изменяется в пределах от 0 до максимального (ожидаемого) значения 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 полярность, то на вход схемы 4 сравнения он поступает с отрицательной полярностью, а на выходе блока 1 определения знака вырабатывается такой сигнал, что реверсивные счетчики 9 и 13 производят суммирование импульсов с выхода элемента И, которые образуются следующим образом.

Если входной сигнал превышает по амплитуде сигнал с выхода датчика

6, та на выходе схемы 3 Формируется импульс, поступающий через элементы 5 и 7 на счетный вход счетчика 9 и одновременно на счетный вход счетчика 13. После прохождения Й тактовых импульсов в счетчике 13 накапливается число,пропорциональное интегралу входного сигнала на интервале времени At . Это число передается в ОЗУ 15, а счетчик 13 обнуляется. В счетчике 9 продолжается накопление импульсов. После прохождения времени T=a At в ОЗУ 15 будут заполнены К чисел, пропорциональных интегралу входного сигнала на каждом интервале.

В счетчике 9 к этому моменту будет число, пропорциональное интегралу от входного сигнала на интервале Т. После формирования (К + 1)-го числа в счетчике 13 оно передается в ОЗУ 15, а из последнего в счетчик 9 передаетса число, сформированное на интервале ь1) для вычитания. Информация в ОЗУ 15 при этом сдвигается таким образом, что в первой ячейке записывается число, бывшее во 2-ой ячейке,и т. д., а в К-ю ячейку заносится (К+1)-ое число. В счетчике 9 же при этом опять оказывается числа, пропорциональное интегралу ат входного сигнала на интервале Т. В этот же момент (после окончания процесса вычитания) информация из счетчика 9 передается через блок 11 считывания на выход.

Таким образом, после окончания переходнога процесса информация на выходе цифрового фильтра появляется с дискретностью по времени at

Если аналоговый сигнал имеет отрицательную полярность, то на вход схемы 4 ан поступает с положительной полярностью и импульсы, поступающие через элементы 5 и 7, формируются на выходе схемы 4. Работа фильтра протекает так же, как описано выше, за исключением тога, чта

723585

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой фильтр, содержащий элемент И, блок считывания, Ь5 реверсивные счетчики 9 и 13 вычитают поступающие на их вход импульсы.

В динамике одна или несколько перемен знака сигнала может произойти не только эа время Т, но даже эа время dt . В соответствии с переменой знака реверсивные счетчики переключаются то на суммирование, то на вычитание и в результате получается точное значение интервала g от входного сигнала на интервалеМ в счетчике 13 и на интервале.Т и

T+ ht в счетчике 9.

Таким образом, расширены функциональные воэможности и повышена точность работы фильтра, проявившиеся в том, что стало возможным преобразовывать и интегрировать (фильтровать) разнополярные сигналы, в том числе имеющие большое количество перемен знака на интер- 20 валах времени Т и ht. Применение же иэвестиого устройства для преобразования и фильтрации такого рода сигналов приводило бы к существенным погрешностям, так как отрицательные полуволны сигналов как бы срезались.

Кроме того, при сохранении той же памяти". фильтра Т (постоянной интегрирования), что и в известном ЗО устройстве, достигнута воэможность существенного уменьшения периода дискретности выдачи информации (до величины ht. Т/K), что приводит к уменьшению динамической .ошибки при непрерывной фильтрации.

Имеется три выхода фильтра, с которых снимаются три преобразованных и отфильтрованных значения сигнала. Коды со второго и третьего выходов фильтра соответствуют зна- 4О чениям (отфильтрованным) сигнала в начале и в конце интервала Т, а это делает возможным получить первую производную исследуемого сигнала, чего невозможно было сделать 45 при использовании известного устрбйства.

Изобретение может быть использовано для спектрального анализа, так как блок коррекции хранит инфор- 50 мацию о всех элементарных интегралах в интервале времени ft,t --Т-at.). . Причем применение рассмотренного фильтра для спектрального анализа приводит к повышению точности спектрального анализа, так как при расчете спектральных коэффициентов используются элементарные интегралы, а не просто квантованные значения исходного сигнала для конкретного момента времени в интервале.

ЬО элемент задержки, блок управления, датчик случайных величин и схему сравнени я, первый вход которой подключен к входу фильтра, второй входк выходу датчика случайных величин, вход которого подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к входу элемента задержки, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения преобразования и интегрирования раэнополярных сигналов и получения первой производной исследуемого сигнала, в него введены реверсивный счетчик, блок коррекции, элемент ИЛИ, вторая схема сравнения, элемент HE и блок определения знака, вход которого и вход элемента HE соединены со входом фильтра, выход элемента HE подключен к первому входу второй схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу датчика случайных величин, выходы первой и второй схем сравнения 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 считывания, второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, второй выход блока управления соединен со вторым входом блока коррекции, третий вход которого и третий вход реверсивного счетчика подключены к выходу блока определения знака, третий выход блока управления соединен со вторым входом элемента И, выход блока считывания, первый и второй выходы блока коррекции являются выходами фильтра.

2.Фильтрпоп.1,отличаюшийся тем, что блок коррекции содержит элемент задержки и последовательно соединенные реверсивный счетчик, первое устройство считывания, оперативные запоминающее устройство и второе устройство считывания, выход которого подключен к первому выходу блока, первый вход которого подключен к первому входу реверсивного счетчика, управляющий вход которого и управляющий вход второго устройства считывания соединены с выходом элемента задержки, вход которого и управляющий вход первого устройства считывания соединены. со вторым входом блока, третий вход которого подключен ко второму входу реверсивного счетчика, выход перного устрОйства считывания соединен со вторым выходом блока. /

723585

ФигЛ фиг. 2

Составитель А. геренов

Редактор С. Лыкова Техред О.Легеэа

Корректор О. Ковинская

Заказ 1009/1 Тираж 751 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент., r. Ужгород, Ул. проектная, 4

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гладкий В.С„ Вероятностные вычислительные модели. М., Наука, 1973, с. 149, рис. 4 ° 35.

2. Авторское свидетельство СССР

М 480081, кл. С 06 F 15/36, 1973.

3. Гладкий В.С. Вероятностные вычислительные модели. М., Наука, 1973, с. 113, рис. 4. 12 (прототип).