УСТРОЙСТВО НЕЛИНЕЙНОГО ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА

Заявляемое устройство нелинейного цифро-аналогового преобразования сигнала относится к области радиотехники, электросвязи, информационно-измерительной техники (в частности, калибраторы фазы) и может применяться для нелинейного цифро-аналогового преобразования сигналов.
Для нелинейного цифро-аналогового преобразования могут использоваться различные резисторные матрицы, сопротивления резисторов в которых подобраны по специальным законам [1, 2]. Однако применение подобных нелинейных преобразователей ограниченно реализацией только одной характеристики преобразования.
Известно устройство и способ построения функциональных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), основанный на кусочно-линейной аппроксимации требуемой функциональной зависимости [3]. Устройство цифро-аналогового преобразования сигнала включает N-битный цифровой вход, дешифратор и линейный ЦАП. Цифровой код N, поступающий на такое устройство, делится на две части, причем старшие биты посредством дешифратора используются для выбора максимального и минимального напряжений данного линейного участка аппроксимации и подаются на линейный ЦАП, который управляет младшими битами цифрового кода и формирует этот участок.
Точность устройств, обеспечивающих кусочно-линейную аппроксимацию, будет зависеть от выбора способа деления аппроксимируемой кривой на линейные участки. Но даже при оптимальном выборе погрешность воспроизведения функции может оказаться неудовлетворительной.
Для увеличения точности целесообразно использовать аппроксимацию необходимой функциональной зависимости многочленом или частным двух многочленов. Погрешности аппроксимации при этом значительно уменьшаются.
Дробно-рациональная аппроксимация используется в функциональных преобразователях, состоящих из умножающих ЦАП, на которые подается цифровой код, операционных усилителей (ОУ), пассивных делителей напряжения и резисторов [4]. Выходное напряжение устройства зависит от входного цифрового кода как дробно-рациональная функция R(N)
Методами математического аппарата определяется требуемая функция преобразования в дробно-рациональном виде и находятся коэффициенты функции R(N), которые устанавливаются с помощью резисторов и пассивных делителей.
Существенным недостатком такого устройства является неизменность передаточной характеристики, которая задается при построении преобразователя, вследствие связанности коэффициентов рациональной дроби. Это
сильно ограничивает возможности систем и устройств, построенных с использованием данного типа функциональных преобразователей. Необходимо отметить, что данные преобразователи не способны работать с цифровым кодом, имеющим знаковый бит.
Реализация степенной функции степени n возможна с помощью n умножающих ЦАП, включенных так, что на аналоговый вход первого из них подается опорное напряжение, а на аналоговые входы каждого последующего ЦАП подается выходное напряжение предыдущего ЦАП [5]. При этом на выходе каждого i-го ЦАП формируется напряжение, пропорциональное степени i подаваемого кода.
Такое устройство имеет своим недостатком возможность осуществления только определенного набора функций (степенные функции) и не имеет возможности перенастройки. Очевидно, что умножение полученных напряжений на определенные коэффициенты с последующим сложением позволит применить степенную аппроксимацию.
Прототипом полезной модели является устройство широкополосного умножения частоты и фазы, которое содержит n цифроаналоговых преобразователей умножающего типа, при этом аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя соединен с выходом источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из n-1 последующих цифроаналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифроаналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифроаналоговых
преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие линейные масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены с n+1 входами аналогового сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства [6].
Недостатком устройства прототипа является то, что изменение опорного напряжения и напряжений с аналоговых выходов ЦАП производится на постоянные коэффициенты. Это оправдано с точки зрения умножения частоты и фазы, но значительно ограничивает область применения.
Ставится задача - расширить набор функций преобразования до класса элементарных функций с возможностью настройки на воспроизведение любой из них.
Для этого в известном устройстве, основанном на нелинейном полиномиальном преобразовании исходного сигнала, и состоящим из n цифро-аналоговых преобразователей умножающего типа, при этом аналоговый вход первого цифро-аналогового преобразователя соединен с выходом источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из n-1 последующих цифро-аналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифро-аналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифро-аналоговых преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие линейные масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены
с соответствующими входами аналогового сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства, цифровые входы цифроаналоговых преобразователей соединили с информационным цифровым входом устройства, а все линейные масштабные преобразователи выполнили цифроуправляемыми, при этом каждый из них цифровыми входами подключен к соответствующим цифровым выходам одного из n+1 дополнительно введенных регистров, в которых записывается цифровой код, определяющий коэффициенты передачи в соответствующих масштабных преобразователях, при этом регистры входами «разрешения записи» и цифровыми входами подключены к соответствующим выходам устройства сопряжения, входы которого соединены с управляющим цифровым входом устройства, использующим стандартный интерфейс обмена данными.
Таким образом, полезная модель устройства позволяет получить новый технический эффект - расширить набор функций преобразования до класса элементарных функций с возможностью настройки на воспроизведение любой из них за счет изменения коэффициентов передачи, определяемых кодом, записанным в соответствующие регистры, с помощью устройства сопряжения по определенным законам.
Применение предлагаемого устройства по сравнению с известными позволяет получить в качестве функции преобразования любую элементарную функцию f(N). Действительно, сумма выходных напряжений ЦАП и опорного напряжения, полученная на выходе сумматора является напряжением,
n
n
пропорциональным полиному P(N) степени n. Коэффициенты многочлена P(N) рассчитывают так, чтобы на выбранном интервале изменения цифрового кода N выполнялось условие
где ε погрешность аппроксимации, и устанавливают во время программирования устройства записью соответствующих данных в регистры. Выполнение условия (1) возможно для любых элементарных функций. Минимальное значение величины ε будет зависеть от вида функции f(N).
На чертеже показано устройство функционального цифроаналогового преобразования сигнала.
0
i
Устройство содержит n умножающих цифро-аналоговых преобразователей 1-4, каждый разряд цифрового входа которых соединен с соответствующим цифровым разрядом информационного входа 5 устройства. Аналоговый вход первого ЦАП 1 подключен к выходу источника 6 опорного напряжения. Аналоговый вход каждого из n-1 последующих ЦАП соединен с аналоговым выходом предыдущего ЦАП. Кроме того, выход источника 6 опорного напряжения через цифроуправляемый линейный масштабный преобразователь 7 с установленным коэффициентом передачи a и аналоговый выход каждого i-го ЦАП через соответствующие цифроуправляемые линейные масштабные преобразователи 8 - 11 с установленными коэффициентами передачи a соединены со входами аналогового сумматора 12. Цифровые входы преобразователей 7-11 соединены с цифровыми выходами соответствующих
регистров 13-17. Регистры 13-17 своими цифровыми входами соединены с выходами данных устройства 18 сопряжения. Вход «разрешения записи» каждого из регистров 13-17 подключен к одному из адресных выходов устройства 18 сопряжения (на чертеже эти соединения не показаны). Вход устройства 18 сопряжения является управляющим входом 19 функционального ЦАП, который подключают к шине, использующей стандартный интерфейс обмена данными (например ISA). Выход сумматора 12 через фильтр 20 нижних частот соединен с выходом 21 функционального ЦАП.
Устройство работает следующим образом.
i
Перед началом работы устройства производится его настройка на необходимую функцию преобразования. Для каждого из регистров 13-17 поочередно на управляющем входе 19 выставляют его адрес и данные. Для i-го регистра 13-17 в качестве данных выступает такой управляющий цифровой код, при котором коэффициент передачи i-го масштабного преобразователя 7-11 равен a. Устройство 18 сопряжения по адресу, полученному с управляющего входа 19, выбирает соответствующий регистр 13-17 и записывает в него данные.
Информационный цифровой код N(t) с входа 5 поступает на цифровые входы n ЦАП 1-4, выполняющих функцию потенциометров, управляемых цифровым кодом. Мгновенная величина напряжения на выходе первого ЦАП 1 составляет
i
где b - некоторая константа преобразования каждого ЦАП 1-4. На выходе каждого i-го по счету ЦАП 1-4 мгновенная величина напряжения U будет равна
Σ
На выходе сумматора 12 напряжение U(t) равно
i
Значения коэффициентов передачи а рассчитываются в соответствии с величиной b и условием (1). При этом после прохождения через фильтр 20 нижних частот на выходе 21 устройства получим напряжение, пропорциональное функции f(N(t)) информационного кода N(t) подаваемого на вход 5 функционального ЦАП.
Источники информации:
1. Non-linear digital-to-analog converter for servo circuit. (Нелинейный цифроаналоговый преобразователь для приводов) Патент США МКИ Н03К 13/04 №4020485, 26.04.1977.
2. Non-linear type digital-to-analog converter. (Цифроаналоговый преобразователь нелинейного типа) Патент США МКИ Н03К 13/02 №4062013, 06.12.1977.
3. Non-linear digital-to-analog converter and display incorporating the same. (Нелинейный цифроаналоговый преобразователь и дисплей, содержащий его) Патент США МКИ Н03К 13/02 №6154121, 28.11.2000.
4. Электроника: Справочная книга/ Под ред. Ю.А.Быстрова. -СПб.: Энергоатомиздат, 1996., с.243-245.
5. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям: Пер. с англ./Под ред. Ю.Р.Рюжина. - М.: Радио и связь, 1982. С.259-260, Рис.4.129-4.130.
6. Способ широкополосного умножения частоты и фазы и устройство для его осуществления. Патент РФ кл. Н03В 19/10 №2186454 С2 27.07.2002. (прототип).