ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ
ANALOGUE-TO-DIGITAL SIGNAL CONVERTER

Изобретение относится к области аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Известные АЦП описаны в различных источниках, например в:
1. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 1994. - С.187, 188.
2. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М.: Радио и связь, 1987. - С.241-245.
3. Цифровые аналоговые и интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. - М.: Радио и связь, 1991. - С.432-445.
По технической сущности наиболее близкими к данному изобретению является устройство, описанное в первом источнике, которое по этой причине и принимается за его прототип.
Прототип состоит из последовательно включенных источника аналогового сигнала, частотно-импульсного модулятора (ЧИМ), схемы совпадения, счетчика импульсов, регистра сдвига, а также мультивибратора, выход которого соединен через делитель частоты со вторым входом схемы совпадений и входом сброса счетчика в нулевое состояние. Период импульсной последовательности на втором входе схемы совпадений состоит из длительности импульса Ти и длительности паузы Тп. В течение длительности импульса Ти счетчик считает количество импульсов ЧИМ на его входе в двоичной системе исчисления, образуя тем самым цифровой сигнал на своем выходе. Во время паузы Тп регистр сдвига осуществляет преобразование параллельного кода этого цифрового сигнала в последовательный и обнуление счетчика в конце кодового слова. Поэтому импульсы ЧИМ, соответствующие паузе Тп, устраняются, что приводит к существенным искажениям восстановленного аналогового сигнала по такому цифровому сигналу.
Во втором источнике описано устройство, преобразующее колебание с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), сформированное по аналоговому сигналу, в цифровой сигнал. Оно является аналогом изобретения.
В третьем источнике описаны стандартные АЦП, в которых амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) преобразуется в цифровой сигнал с шумом квантования.
Основным недостатком прототипа является относительно большой уровень нелинейных искажений восстановленного аналогового сигнала из-за потери части импульсов ЧИМ.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение качества передаваемой информации путем исключения нелинейных искажений восстановленного аналогового сигнала за счет исключения потерь импульсов ЧИМ.
Сущность изобретения состоит в том, что в преобразователь аналогового сигнала в цифровой, содержащий последовательно соединенные источник аналогового сигнала, частотно-импульсный модулятор (ЧИМ), схему совпадения, счетчик импульсов, регистр сдвига, а также мультивибратор, выход которого через делитель частоты соединен с другим входом схемы совпадений, дополнительно введены три счетчика импульсов, пять схем совпадений, цифровой инвертор, регистр сдвига, схема ИЛИ, причем к одному входу первой дополнительной схемы совпадений подключен выход модулятора ЧИМ, а к другому входу которой через последовательно соединенные делитель частоты и цифровой инвертор подключен выход мультивибратора, а выход первой дополнительной схемы совпадения через последовательно соединенные первые дополнительный счетчик импульсов и дополнительный регистр сдвига соединен с одним из входов схемы ИЛИ, к второму входу которой подсоединен выход регистра сдвига, а выход схемы ИЛИ является выходом преобразователя; при этом выход мультивибратора соединен с тактовым входом регистра сдвига через вторую дополнительную схему совпадения, а с тактовым входом дополнительного регистра сдвига - через третью схему совпадений, к второму входу которой подключен выход цифрового инвертора, при этом выход второй дополнительной схемы совпадений через последовательно соединенные второй дополнительный счетчик импульсов и четвертую дополнительную схему совпадения соединен с R-входом (входом обнуления) счетчика импульсов и R-входом второго дополнительного счетчика импульсов, кроме того, выход третьей схемы совпадения соединен с тактовым входом дополнительного регистра сдвига и через последовательно соединенные третий дополнительный счетчик импульсов и пятую схему совпадения соединении с R-входом первого дополнительного счетчика импульсов и R-входом третьего дополнительного счетчика импульсов.
Существенным отличием изобретения является совокупность введенных элементов и их связей, т.к. только они позволяют исключить потерю импульсов ЧИМ и тем самым уменьшить нелинейные искажения восстановленного аналогового сигнала по цифровому, т.е. достигнуть цели.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого изобретения, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
На фиг.1 обозначено:
1 - усилитель-ограничитель амплитуды аналогового сигнала с ЧМ;
2 - аналоговый частотный модулятор;
3 - источник аналогового (передаваемого) сигнала;
4 - дифференцирующая цель;
5 - двухполупериодный выпрямитель с активной нагрузкой;
6 - одновибратор;
7, 9, 17, 18, 21, 22 - схемы совпадений;
8 - мультивибратор;
10, 12, 19, 20 - счетчики импульсов;
11 - делитель частоты;
13, 15 - регистры сдвига, преобразующие параллельный код в последовательный;
14 - цифровой инвертор;
16 - схема ИЛИ.
Блоки 1, 2, 4, 5, 6 образуют частотно-импульсный модулятор (ЧИМ).
Введенные элементы обведены пунктирной линией.
Работа схемы происходит следующим образом.
3
4
5
6
11
11
14
11
14
11
6
14
6
3
6
11
14
16
10
2
Входной аналоговый сигнал u(t) (фиг.2) с источника 3 (фиг.1) осуществляет аналоговую частотную модуляцию (ЧМ) в блоке 2. С выхода данного блока ЧМ сигнал усиливается и ограничивается по амплитуде в блоке 1, после чего дифференцируется по времени в блоке 4. Разнополярные остроконечные импульсы u(t) (фиг.2) с выхода блока 4 преобразуются в однополярные в двухполупериодном выпрямителе 5 с активной нагрузкой. По сути в блоке 5 осуществляется удвоение частоты следования импульсов и их девиации. Одновибратор 6 преобразует остроконечные импульсы u(t) в импульсы u(t) прямоугольной формы постоянной амплитуды и длительности, но разной частоты следования (фиг.2). Так аналоговая ЧМ преобразуется в частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ). С выхода блока 6 сигнал ЧИМ поступает на одни входы схем совпадения 7, 9. Мультивибратор 8 вырабатывает прямоугольные колебания формы меандр, у которых длительность импульса равна длительности пауз. С выхода блока 8 колебания поступают на вход делителя частоты 11, а также на одни входы схем совпадения 17, 18. На выходе блока 11 имеют место прямоугольные импульсы u(t), тоже формы меандр, частота следования которых в 8 раз меньше частоты следования входных импульсов. Эти импульсы u(t) поступают на вторые входы схем совпадения 7, 17 и на вход цифрового инвертора 14, как показано на фиг.1. С выхода блока 14 импульсы u(t) подаются на второй вход схемы совпадения 9 и на второй вход схемы совпадения 18. Длительности импульсов u(t) и u(t) (огибающие на фиг.2) определяют число импульсов ЧИМ, которые поступают через блоки 7, 9 на входы счетчиков 10, 12. На фиг.2 эти импульсы ограничены вертикальными пунктирными линиями. Видно, что импульсу u(t) соответствует 8 импульсов ЧИМ u(t), а импульсу u(t) - только 4 импульса ЧИМ u(t). Количество импульсов пропорционально частоте их следования, а последняя пропорциональна амплитуде входного аналогового сигнала u(t). На выходе счетчиков 10, 12 количество импульсов ЧИМ представлены в двоичной системе исчисления в виде временной диаграммы u(t) на фиг.2, т.е. цифровым сигналом. Видно, что операция квантования по уровню здесь полностью отсутствует, что полностью исключает шумы квантования. Тем самым данный преобразователь выгодно отличается от стандартных АЦП, представленных в третьем источнике. Код цифрового сигнала на выходе счетчиков 10, 12 - параллельный. Регистры сдвига 13, 15 преобразуют параллельный код в последовательный. Это преобразование происходит в паузах работы одного счетчика, когда работает другой, что исключает потери импульсов ЧИМ. Для этого на тактовые выходы блоков 13, 15 попадаются колебания с выхода мультивибратора 8 через схемы совпадения 17, 18 соответственно. На второй вход схемы 17 поступают колебания с входа инвертора 14, а на второй вход схемы 18 - с его выхода. Коэффициент деления частоты импульсов мультивибратора в блоке 11 выбран как обычно, равным 8-и. Это значит, что схемы совпадений 17, 18 пропускают на свой выход ровно по 8 импульсов с мультивибратора 8, соответствующих импульсу со входа и выхода блока 14. Эти 8 импульсов под огибающей u(t) и u(t) фиг.2 поступают на тактовые входы регистров 13, 15, которые преобразуют параллельный 8-разрядный код счетчиков 10, 12 в последовательный код тоже 8-разрядный. Выход преобразователя 13 соединен с одним, а выход преобразователя 15 - с другим входом схемы ИЛИ 16, в результате чего цифровые сигналы этих преобразователей на выходе блока 16 идут последовательно (u(t) фиг.2) как в стандартных АЦП [3]. Поэтому их преобразовывать в аналоговые сигналы можно стандартными цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) [3]. Выход блока 17 соединен с тактовым (С) входом счетчика 19, а выход блока 18 - с (С) входом счетчика 20. Десятичное число 8 в двоичной системе счисления будет 1000, т.е. (8)→(111). Поэтому сигналы с выхода каждого счетчика 19, 20, состоящего из трех триггерных ячеек, подаются на трехвходовые схемы совпадений 21, 22, сбрасывающие счетчики 10, 12, 19, 20 в 0 при числе импульсов, равных 8. После сброса счетчиков в нуль процесс повторяется.
Технико-экономическим эффектам изобретения является уменьшение нелинейных искажений аналогового сигнала, восстановленного по данному цифровому, не имеющему потерь импульсов ЧИМ. В данном АЦП вообще отсутствуют шумы квантования, поскольку здесь нет операций квантования по уровню отсчетов. Это позволяет исключить компрессор и экспандер, и уменьшить разрядность кодового слова, т.е. увеличить быстродействие данного АЦП.