СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ В ИМПУЛЬСНУЮ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ, МОДУЛИРОВАННУЮ ПО ВРЕМЕНИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CONVERTING ANALOGUE SIGNALS TO TIME-MODULATED PULSE SEQUENCE AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к многоканальным системам преобразования и передачи информации с времяимпульсной модуляцией (ВИМ), или фазоимпульсной модуляцией (ФИМ), и может быть использовано в измерительной технике и устройствах связи.
Сформированный сигнал с ВИМ представляется в виде кадровой структуры чередующихся опорных (ОИ) и измерительных (ИИ) импульсов. Положение ОИ на оси времени остается постоянным, положение ИИ изменяется относительно ОИ в соответствии с модулирующим напряжением. Существует ряд требований к длительности и временной стабильности импульсов и интервалов кадровой структуры сигнала.
Известен способ преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, выбранный в качестве прототипа [З.С.Карамов, А.Ф.Фомин. Элементы аналоговых радиотелеметрических систем, М.-Л.: Энергия, стр.202-203, 215-216, 1966 г.], основанный на сравнении модулирующего сигнала и линейно изменяющегося опорного сигнала с последовательным формированием измеряемого временного интервала и измерительного импульса в момент достижения генерируемым линейно изменяющимся сигналом величины, равной значению модулирующего сигнала, в течение периода следования тактовых опорных импульсов.
При этом в момент равенства входного и генерируемого линейно изменяющегося сигналов сначала формируется импульс измеряемого временного интервала, т.е. сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), затем по срезу этого импульса формируется измерительный импульс, т.е. сигнал с ВИМ.
Недостатком способа является сравнительно большая составляющая погрешности преобразования, включающая нелинейность генерации линейно изменяющегося опорного сигнала и временную нестабильность формирования импульсов.
Для преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, известно устройство, выбранное в качестве прототипа [патент RU 2289200 C2, от 10.12.2006 г., МПК H03K 3/84, H04B 7/17], содержащее коммутатор, связанный по второму выходу с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифровые выходы которого заведены на входы двоичного счетчика соответственно, счетный вход которого соединен с выходом первого логического элемента «И», последовательно соединенные генератор тактовой частоты и распределитель тактовых импульсов, второй выход которого соединен с пусковым входом АЦП, первый триггер, первый вход которого подключен к выходу двоичного счетчика, а второй вход - к третьему выходу распределителя тактовых импульсов, с первым выходом которого соединен вход формирователя опорных импульсов, формирователь измерительных импульсов, первый вход которого соединен с первым выходом коммутатора, а второй выход - со вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с выходом формирователя опорных импульсов, и усилитель мощности, подключенный к выходу сумматора.
В данном преобразователе введены АЦП, преобразующий аналоговый модулирующий сигнал в кодовый эквивалент, и двоичный счетчик, вычитающий до нулевого значения вырабатываемый им сигнал линейно изменяющегося кода из выходного кода АЦП, предварительно загруженного в счетчик.
Промежуточное преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму позволяет повысить точность формирования измеряемого временного интервала (сигнала с ШИМ), формируемого в момент равенства кодового эквивалента модулирующего сигнала и вырабатываемого линейно изменяющегося кодового сигнала, за счет исключения из погрешности преобразования составляющей от нелинейности и временной нестабильности аналогового линейно изменяющегося сигнала.
Основными недостатками преобразователя являются громоздкость и дополнительная нестабильность длительности ИИ за счет введения в устройство формирователя ИИ с автономной времязадающей цепью с определенной собственной временной нестабильностью. Кроме того, не введен сигнал, запрещающий формирование ИИ в защитных интервалах, присущих кадровой структуре сигнала с ВИМ и на длительность которых существует определенное требование.
Таким образом, отсутствуют решения по снижению одной из составляющих нестабильности преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, а именно нестабильности формирования ИИ.
Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является повышение стабильности длительности измерительных импульсов и упрощение их формирования при преобразовании аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, за счет исключения дополнительной временной нестабильности формирования ИИ.
Указанный технический результат достигается тем, что способ преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, основан на сравнении модулирующего сигнала и линейно изменяющегося опорного сигнала с последовательным формированием измеряемого временного интервала и измерительного импульса в момент достижения генерируемым линейно изменяющимся сигналом величины, равной значению модулирующего сигнала, в течение периода следования тактовых опорных импульсов, новым является то, что в момент совпадения значений линейно изменяющегося сигнала и модулирующего сигнала вырабатывают сигнал единичного логического уровня, блокируют функцию сравнения, прекращают генерацию линейно изменяющегося сигнала, возобновляют ее и инициализируют функцию сравнения линейно изменяющегося сигнала и фиксированного сигнала, интервал времени достижения значения которого линейно изменяющимся сигналом равен требуемой длительности измерительных импульсов, по достижению линейно изменяющимся сигналом фиксированного значения вырабатывают сигнал нулевого логического уровня и формируют измерительный импульс путем логического умножения выработанных сигналов логических уровней.
Устройство для реализации предлагаемого способа преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, содержит коммутатор, связанный по второму выходу с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифровые выходы которого заведены на входы двоичного счетчика соответственно, счетный вход которого соединен с выходом первого логического элемента «И», последовательно соединенные генератор тактовой частоты и распределитель тактовых импульсов, второй выход которого соединен с пусковым входом АЦП, первый триггер, первый вход которого подключен к выходу двоичного счетчика, а второй вход - к третьему выходу распределителя тактовых импульсов, с первым выходом которого соединен вход формирователя опорных импульсов, формирователь измерительных импульсов, первый вход которого соединен с первым выходом коммутатора, а второй выход - со вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с выходом формирователя опорных импульсов, и усилитель мощности, подключенный к выходу сумматора, новым является то, что введен логический элемент «НЕ», при этом выход последнего подключен к первому входу первого логического элемента «И», а вход - к третьему выходу распределителя тактовых импульсов, к нему также подключен второй вход формирователя измерительных импульсов, третий вход которого и вход управления направлением счета двоичного счетчика соединены с выходом первого триггера, вход параллельной загрузки двоичного счетчика совместно со входом чтения данных АЦП подключены к четвертому выходу распределителя тактовых импульсов, пятый выход которого соединен со входом коммутатора, цифровые выходы двоичного счетчика заведены на входы формирователя измерительных импульсов соответственно, первый выход последнего соединен со входом установки в нулевое состояние двоичного счетчика, второй вход первого логического элемента «И» подключен к выходу генератора тактовой частоты, в частном случае формирователь измерительных импульсов выполнен в виде последовательно соединенных дешифратора, второго триггера и второго логического элемента «И», при этом связь двух последних осуществляется путем соединения нулевого выхода второго триггера и второго входа второго логического элемента «И», первым и третьим входами формирователя измерительных импульсов являются первый и третий входы второго логического элемента «И» соответственно, вторым входом формирователя измерительных импульсов является второй вход второго триггера, а первым и вторым выходами формирователя измерительных импульсов являются единичный выход второго триггера и выход логического элемента «И» соответственно.
Технический результат достигается за счет того, что в момент совпадения значений линейно изменяющегося сигнала и модулирующего сигнала возобновляют генерацию линейно изменяющегося сигнала на требуемый по длительности ИИ интервал времени. При этом временная нестабильность формирования ИИ включает в себя нестабильность генерации тактовой частоты и нестабильность генерации линейно изменяющегося сигнала при аналоговой обработке сигналов и лишь нестабильность генерации тактовой частоты при промежуточном цифровом преобразовании сигналов.
Указанная совокупность признаков позволяет упростить формирование и повысить стабильность длительности измерительных импульсов при преобразовании аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, за счет того, что в момент совпадения значений линейно изменяющегося кодового сигнала счетчика и кодового эквивалента модулирующего аналогового сигнала возобновляют работу двоичного счетчика на требуемый по длительности ИИ интервал времени, известный из рабочей характеристики двоичного счетчика. При этом двоичный счетчик, осуществляющий счет импульсов генератора тактовой частоты, кроме генерации линейного кодового сигнала на этапе преобразования модулирующего сигнала в сигнал с ШИМ, вырабатывает линейный кодовый сигнал (ряд кратных по частоте сигналов), используемый для работы дешифратора состояний счетчика на последующем этапе формирования сигнала с ВИМ. Кроме того, коммутатор, АЦП и двоичный счетчик синхронно управляются сигналами распределителя тактовых импульсов, обеспечивая временную стабильность структуры сигнала с ВИМ в кадровом интервале. Дополнительно в устройстве вырабатывается сигнал распределителя тактовых импульсов, запрещающий формирование ИИ в защитных интервалах, присущих кадровой структуре сигнала с ВИМ.
Таким образом, в предлагаемом устройстве остается только один времязадающий узел - генератор тактовой частоты, например импульсный генератор с кварцевой стабилизацией частоты.
Предложенное техническое решение поясняется графическим материалом, где на фигуре 1 приведены временные диаграммы формирования сигналов для способа преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, на фигуре 2 приведена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, на фигуре 3 приведены временные диаграммы работы устройства для реализации предлагаемого способа преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени.
Способ преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, осуществляется следующим образом.
Сравнивают значения линейно изменяющегося опорного сигнала и модулирующего сигнала и в момент их совпадения вырабатывают сигнал единичного логического уровня, блокируют функцию сравнения, прекращают генерацию линейно изменяющегося сигнала, возобновляют ее и инициализируют функцию сравнения линейно изменяющегося сигнала и фиксированного сигнала, интервал времени достижения значения которого линейно изменяющимся сигналом равен требуемой длительности измерительных импульсов, по достижению линейно изменяющимся сигналом фиксированного значения вырабатывают сигнал нулевого логического уровня и формируют измерительный импульс путем логического умножения выработанных сигналов логических уровней.
Устройство для реализации предлагаемого способа преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, содержит коммутатор (К) 4, связанный по второму выходу с первым входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5, выходы с первого по n которого заведены на входы двоичного счетчика (СТ) 8 соответственно, первый вход которого соединен с выходом первого логического элемента «И» 7, последовательно соединенные генератор тактовой частоты (ГТЧ) 2 и распределитель тактовых импульсов (РТИ) 3, второй выход которого соединен со вторым входом АЦП 5, первый триггер (Т1) 6, первый вход которого подключен к выходу двоичного счетчика 8, а второй вход - к третьему выходу распределителя тактовых импульсов 3, с первым выходом которого соединен вход формирователя опорных импульсов (ФОИ) 10, формирователь измерительных импульсов (ФИИ) 11, первый вход которого соединен с первым выходом коммутатора 4, а второй выход - со вторым входом сумматора (С) 12, первый вход которого соединен с выходом формирователя опорных импульсов 10, усилитель мощности (УМ) 13, подключенный к выходу сумматора 12, и логический элемент «НЕ» 1, при этом выход последнего подключен к первому входу первого логического элемента «И» 7, а вход - к третьему выходу распределителя тактовых импульсов 3, к нему также подключен второй вход формирователя измерительных импульсов 11, третий вход которого и второй вход двоичного счетчика 8 соединены с выходом первого триггера 6, третий вход двоичного счетчика 8 совместно с третьим входом АЦП 5 подключены к четвертому выходу распределителя тактовых импульсов 3, пятый выход которого соединен со входом коммутатора 4, выходы с первого по m двоичного счетчика 8 заведены на входы формирователя измерительных импульсов 11 соответственно, первый выход последнего соединен с четвертым входом двоичного счетчика 8, второй вход первого логического элемента «И» 7 подключен к выходу генератора тактовой частоты 2, формирователь измерительных импульсов 11 содержит последовательно соединенные дешифратор (ДС) 9, второй триггер (Т2) 15 и второй логический элемент «И» 14, при этом связь двух последних осуществляется путем соединения второго выхода второго триггера 15 и второго входа второго логического элемента «И» 14, первым и третьим входами формирователя измерительных импульсов 11 являются первый и третий входы второго логического элемента «И» 14 соответственно, вторым входом формирователя измерительных импульсов 11 является второй вход второго триггера 15, а первым и вторым выходами формирователя измерительных импульсов 11 являются первый выход второго триггера 15 и выход логического элемента «И» 14 соответственно.
Устройство для реализации предлагаемого способа преобразования аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени, работает следующим образом.
Коммутатор 4 формирует сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), осуществляя последовательное по времени подключение входных аналоговых сигналов ко входу АЦП 5 с частотой периодического сигнала на пятом выходе РТИ 3, со второго и четвертого выходов которого на АЦП 5 с той же периодичностью подаются сигналы пуска (начала оцифровывания) и чтения данных (выдачи результата оцифровывания АИМ сигнала) соответственно. Причем интервал времени между импульсами этих сигналов больше времени преобразования АЦП 5. По сигналу чтения данных проводится параллельная запись выработанного АЦП 5 цифрового слова в двоичный счетчик 8.
На третьем выходе РТИ 3 имеет место сигнал запрета формирования ИИ в защитных интервалах, устанавливающий триггеры 6 и 10 в нулевое состояние.
Все импульсные сигналы на выходах РТИ 3 следуют с периодом следования ОИ.
Инвертированный логическим элементом «НЕ» 1 сигнал с третьего выхода РТИ 3 разрешает импульсам тактовой частоты проходить через первый логический элемент «И» 7 на счетный вход двоичного счетчика 8, работающего на вычитание.
По окончании вычитания до нулевого значения линейно изменяющегося кода из кодового слова, предварительно загруженного в счетчик 8 из АЦП 5, на выходе переполнения двоичного счетчика 8 появляется импульс, устанавливающий первый триггер 6 в единичное состояние, тем самым блокируется функция сравнения в текущем измеряемом интервале, поскольку первый триггер 6 будет установлен в нулевое состояние только по сигналу запрета формирования ИИ в защитных интервалах перед следующим тактом следования ОИ.
Срабатывание первого триггера 6 означает окончание формирования сигнала с ШИМ и начало формирования сигнала с ВИМ.
По фронту выходного сигнала первого триггера 6 счетчик 8 переходит в режим суммирования импульсов тактовой частоты и включается дешифратор 9, настроенный на декодирование цифрового слова, известного из характеристики «код-время» счетчика 8. Причем интервал времени, соответствующий этому слову, равен длительности ИИ.
Дешифратор 9 содержит логическую комбинационную схему, входными сигналами которой являются кратные по частоте и длительности импульсов сигналы цифровых выходов счетчика 8.
По достижению счетчиком 8 состояния, на которое настроен дешифратор 9, на выходе дешифратора 9 появляется импульс, устанавливающий второй триггер 15 в единичное состояние.
По фронту выходного сигнала второго триггера 15 счетчик 8 устанавливается в нулевое состояние.
ИИ формируется в результате логического умножения сигналов с единичного выхода первого триггера 6, нулевого (инвертирующего) выхода второго триггера 15 и с первого выхода коммутатора 4, запрещающего работу второго логического элемента «И» 14 на интервале синхронизации (формирование маркера кадра как интервала с отсутствующим ИИ).
На выходе сумматора 12 вырабатывается сигнал с ВИМ в результате логического сложения ОИ и ИИ.
Учитывая, что начало и конец измеряемого временного интервала, измерительный и опорный импульсы синхронизированы с импульсами тактовой частоты, временная нестабильность сигнала с ВИМ определяется только временной нестабильностью частоты генератора тактовой частоты.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить стабильность длительности и упростить формирование измерительных импульсов при преобразовании аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени.