СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING NONLINEAR DISTORTIONS CAUSED BY ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для контроля работы аналого-цифровых преобразователей без применения специальных тестовых сигналов.
Известен способ, который может быть использован для выявления нелинейных искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в преобразуемый сигнал. Способ предусматривает статистическую оценку одного из показателей выходного сигнала (цифрового кода) за некоторый интервал времени и сравнение его с заранее заданным пороговым уровнем, при превышении порогового уровня выносят решение о наличии искажений. Информативным показателем может быть, например, дисперсия выходного сигнала, преобразованного в цифровой код. Для реализации способа служит устройство, состоящее из блока статистической оценки уровня сигнала и компаратора [Пат. RU 2274868. Опубл. 20.04.2006. Бюл. №11].
Упомянутый способ, выбранный в качестве прототипа, позволяет контролировать появление нелинейных искажений в АЦП без применения тестовых сигналов, извлекая информацию из рабочего случайного сигнала с произвольным спектром. Однако недостатком его является низкая точность выявления искажений, обусловленная тем, что способ позволяет выявлять нелинейные искажения, вызванные только амплитудным ограничением выходных сигналов, то есть в ситуациях, когда искажения достигают достаточно больших значений. Фактически он является способом статистического контроля уровня выходного сигнала.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении точности выявления возникающих искажений за счет выявления искажений до начала амплитудного ограничения.
По первому варианту технический результат достигается тем, что в способе выявления нелинейных искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем в преобразуемый сигнал, предусматривающем подачу на вход аналого-цифрового преобразователя знакопеременного сигнала с нулевым средним, согласно изобретению уменьшают выходной цифровой код на величину, равную значению выходного кода при нулевом входном сигнале, после чего измеряют модуль среднего значения цифрового кода, сравнивают его с пороговым значением, отличным от нуля, и если измеренный модуль среднего значения цифрового кода превосходит пороговое значение, то выносят решение о наличии искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем в преобразуемый сигнал.
При этом пороговое значение задают, исходя из требований к допустимому уровню нелинейных искажений.
Кроме того, для достижения технического результата по первому варианту, устройство для выявления нелинейных искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем в преобразуемый сигнал, согласно изобретению содержит блок вычитания, блок измерения модуля среднего значения цифрового кода и блок принятия решений, выход которого является информационным выходом устройства, первый вход блока вычитания является входом устройства, выход блока вычитания соединен со входом блока измерения модуля среднего значения цифрового кода, выход которого соединен со входом блока принятия решений, второй вход блока вычитания является входом фиксированной величины.
По второму варианту технический результат достигается тем, что в способе выявления нелинейных искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем в преобразуемый сигнал, предусматривающем подачу на вход аналого-цифрового преобразователя знакопеременного сигнала с нулевым средним, согласно изобретению измеряют среднее значение цифрового кода на выходе аналого-цифрового преобразователя, сравнивают его с заранее заданным эталонным значением, если измеренное среднее значение цифрового кода отличается от эталонного значения более чем на допустимую величину, то выносят решение о наличии искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем в преобразуемый сигнал.
При этом эталонное значение определяется цифровым кодом на выходе аналого-цифрового преобразователя при нулевом входном сигнале.
Кроме того, для достижения технического результата по второму варианту, устройство для выявления нелинейных искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем в преобразуемый сигнал, согласно изобретению содержит блок измерения среднего значения цифрового кода и блок принятия решений, выход которого является информационным выходом устройства, выход блока измерения среднего значения цифрового кода соединен со входом блока принятия решений, вход блок измерения среднего значения цифрового кода является входом устройства.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
вых
0
вых
0
На фиг.1 виде графиков зависимости напряжения от времени показаны три случая искажений в устройстве с нелинейной характеристикой случайного сигнала, представленного нормированными значениями U/U (U - выходное напряжение устройства, вносящего искажения, U - выходное напряжение устройства при нулевом входном сигнале).
На фиг.2 и фиг.3 приведены функциональные схемы устройств для выявления нелинейных искажений, выделенные штриховыми линиями.
1
2
3
На фиг.1 выделены три участка Т, Т и T (интервалы времени), каждому из которых соответствует определенный уровень искажений.
Схема по фиг.2 содержит контролируемый АЦП 1, блок 2 вычитания, блок 3 измерения модуля среднего значения цифрового кода и блок 4 принятия решений, выход которого является информационным выходом устройства, первый вход блока 2 вычитания является входом устройства, выход блока 2 вычитания соединен со входом блока 3 измерения модуля среднего значения цифрового кода, выход которого соединен со входом блока 4 принятия решений, второй вход блока 2 вычитания является входом фиксированной величины Код «нуля».
Схема по фиг.3 содержит контролируемый АЦП 5, блок 6 измерения среднего значения цифрового кода и блок 7 принятия решений, выход которого является информационным выходом устройства, выход блока 6 измерения среднего значения цифрового кода соединен со входом блока 7 принятия решений, вход блока измерения среднего значения цифрового кода является входом устройства.
cp1
1
2
ср2
3
ср3
cp1
cp2
ср3
В основе настоящей группы изобретений лежит факт изменения среднего значения случайного процесса в результате его нелинейного преобразования. Случайный процесс с нулевым средним после прохождения устройства с монотонной нелинейной характеристикой изменяет свой спектральный состав таким образом, что в нем появляется постоянная составляющая, зависящая от степени выраженности нелинейности. Теоретическое обоснование указанного приведено в работе [Аванесян Г.Р. Определение нелинейных искажений сигналов по измерениям во временной области // Журнал радиоэлектроники, №2, 2011]. В качестве иллюстрации на фиг.1 показаны три случая прохождения случайного процесса с нулевым средним через устройство с нелинейной характеристикой. Различные нелинейные искажения создавались при постоянной нелинейной характеристике изменениями уровня входного сигнала. В результате кроме ожидаемого изменения уровня выходного сигнала было зафиксировано и изменение его среднего значения. Из фиг.1 видно, что с ростом нелинейных искажений, вызванных ростом уровня сигнала, наблюдается и рост среднего значения выходного сигнала. Наименьшим искажениям, условно принятым за нулевой уровень, соответствует среднее значение выходного сигнала U, полученное на интервале Т. Сигналу на участке T соответствует среднее значение U, а сигналу на участке T - значение U. Причем несложно видеть, что U<U<U.
вх
0
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>u</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>≥</mo><mi>H</mi></mrow>
Из вышеизложенного следует, что задача выявления нелинейных искажений, возникающих в АЦП процессе преобразования входного аналогового сигнала u с нулевым средним в цифровой код u(n), может быть обоснованно сведена к измерению и анализу среднего значения кода на выходе контролируемого АЦП. Возможны два варианта. Согласно первому перед измерением среднего значения выходного кода АЦП из выходного кода вычитают нулевой уровень u - код на выходе АЦП, соответствующий нулевому входному сигналу (код «нуля»). Это необходимо для удаления постоянной составляющей на выходе АЦП, которая присутствует на его выходе при работе с биполярными сигналами и, как правило, равная половине диапазона возможных значений выходного кода. Для этого предусматривается блок 2 вычитания (см. фиг.2), на вход вычитаемого которого подается код, соответствующий нулевому входному сигналу. Указанный код может быть определен либо экспериментально до начала контроля АЦП 1 при отсутствии входного сигнала, либо получен из документации на контролируемый преобразователь. После измерения в блоке 3 модуля среднего значения, полученный результат сравнивается в блоке 4 принятия решений с заранее заданным порогом Н. При равенстве или превышении порога выносится решение о наличии в выходном коде контролируемого АЦП искажений. То есть принцип действия устройства сводится к проверке выполнения неравенства:
, в котором N - количество значений выходного кода, участвующих в процессе усреднения. Сравнение с порогом Н, отличным от нуля, необходимо для задания некоторого коридора допустимых значений, что вызвано наличием на практике как погрешностей аналого-цифрового преобразования, так и погрешностей усреднения. Значение Н может составлять несколько единиц (например, соответствовать коду числа из диапазона 2…4) и зависит как от вышеуказанных погрешностей, так и от требований, предъявляемых к порогу выявления искажений. Чем выше допустимый уровень нелинейных искажений, тем выше должен выбираться порог H. Оптимальным является определение порога экспериментальным путем на этапе разработки устройства с учетом всех вышеуказанных факторов.
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo><</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>u</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo><</mo><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mstyle></mrow>
0
0
По второму варианту работа устройства (см. фиг.3) сводится к измерению среднего значения выходного кода u(n) контролируемого АЦП 5 и определению в блоке 7 принятия решений: выполняется двойное неравенство
или нет. Если указанное неравенство соблюдается, то выносится решение об отсутствии искажений, в противном случае выносится решение о наличии нелинейных искажений. Присутствующая в приведенном неравенстве величина Δu призвана учесть допустимый диапазон изменений среднего значения, в пределах которого решение о наличии искажений еще не выносится. Правила выбора значения Δu те же, что и величины Н.
0
0
0
0
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo><</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>u</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo><</mo><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mstyle></mrow>
Относительно реализации блока принятия решений отметим следующее. При реализации функций указанного блока аппаратно в первом случае блок 4 может представлять собой компаратор двоичных кодов, на один из входов которого (сигнальный вход) подается код с выхода блока 3, а на другой (опорный вход) - код порога Н. Входы компаратора выбираются таким образом, чтобы при превышении порога Н происходило срабатывание компаратора. Выход компаратора будет являться выходом блока 4. Во втором случае, касающемся блока 7, необходимо применение двух компараторов, один из которых будет срабатывать в том случае если код на сигнальном входе больше кода, соответствующего значению величины u-Δu, подаваемой на опорный вход, а другой при превышении величины u+Δu, подаваемой на его опорный вход. При объединении выходов двух указанных компараторов по логической схеме ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ) на выходе логического элемента, выполняющего данную операцию, будет появляться логическая единица при несоблюдении неравенства
и логический нуль при его соблюдении. Что же касается программной реализации блока сравнения, то этот вариант предпочтителен при исполнении всего устройства на базе универсального микропроцессора. В этом случае проверка соблюдений вышеприведенных неравенств осуществляется достаточно просто с использованием стандартных алгоритмов.