Гибридные кусочно-линейные ФПИ

Свое название ФПИ такого типа получили по аналогии с гибридными вычислительными машинами, в которых обрабатываемые сигналы представлены одновременно как в аналоговой так и в цифровой форме. Такие ФПИ позволяют сочетать преимущества и аналоговых и цифровых методов обработки сигналов. В большинстве случаев они более оптимально вписываются в общую структуру микропроцессорных СОД, чем другие типы ФПИ. Более конкретно их достоинства будут отмечены ниже, прежде всего рассмотрим общие подходы к их реализации.

Основными составными структурными элементами гибридных ФПИ в настоящее время являются БИС ЦАП и АЦП.

В таких ФПИ коды коэффициентов аппроксимации хранятся в цифровой форме и для выборки их из памяти необходимо формировать код соответствующий номеру текущего участка аппроксимации. Это легко сделать с помощью малоразрядного АЦП. Если диапазон изменения входного аргумента ФПИ привести к диапазону изменения входного напряжения АЦП и количество участков выбрать 2ⁿ, причем n - разрядность этого АЦП, то цифровой эквивалент кода на его выходе будет всегда однозначно определять номер текущего участка.

Выполнение операции умножения кода коэффициента наклона на входной аргумент (или его приращения на текущем участке) осуществляется с помощью умножающих ЦАП.

На рис.35a представлена структурная схема ФПИ, использующего такие принципы построения. Код на выходе малоразрядной БИС АЦП определяет номер участка аппроксимации, соответствующий текущему входному напряжению U_вх. По этому коду из ЗУ выбираются коды N_a и N_b коэффициентов аппроксимации для этого участка. ЦАП1 является умножающим. На вход подачи опорного напряжения этого ЦАП1 поступает входное напряжение U_вх, на его цифровые входы код N_b. Таким образом на его выходе формируется сигнал пропорциональный произведению b_i×U_вх. На выходе ЦАП2 формируется сигнал пропорциональный коду а_i. После суммирования выходных сигналов ЦАП на выходе аналогового сумматора формируется искомая величина. Очевидно, что данная структура выполняет вычисления в соответствии с формулой (6.1).

На рис.35.б показана структура ФПИ реализующая вычисления по формуле (6.2). Для определения приращения входного напряжения на текущем участке аппроксимации используется ЦАП3 и вычитатель. На цифровые коды ЦАП3 подается код, соответствующий номеру участка аппроксимации, поэтому на его выходе формируется сигнал пропорциональный значению входному напряжению, соответствующему переходу с предыдущего участка на текущий U_i, а на выходе вычитателя необходимый разностный сигнал (U_х - U_i).

Рис. Кусочно-линейный ФПИ типа «аналог-аналог»

Рис. Кусочно-линейный ФПИ типа «аналог-аналог»

Рассмотренные структуры представляют собой реализации ФПИ типа "аналог-аналог". На рис.36 представлена структура кусочно-линейного ФПИ типа "аналог-цифра". При рассмотрении принципов функционирования этого ФПИ прежде всего необходимо обратить внимание что его структура в общем повторяет структуру параллельно-последовательного АЦП, однако она дополнена ЗУ и кодоуправляемым усилителем. Основной порядок ее функционированя также соответствует работе такого АЦП. Рассмотрим поэтому только отличия. Выходной код АЦП1 будет определять номер участка аппроксимации по которому из ЗУ будут выбираться коды коэффициентов аппроксимации. Код N_a будет передаваться непосредственно на выходной цифровой сумматор. Код N_b будет управлять коэффициентом усиления кодоуправляемого усилителя, благодаря этому на выходе усилителя будет формироваться сигнал пропорциональный произведению приращения входного напряжения на текущем участке аппроксимации на значение коэффициента аппроксимации B_i. Этот сигнал кодируется с помощью АЦП2 и передается на выходной сумматор. На выходе сумматора будет формироваться код, соответствующий искомой величине.

Рис. Кусочно-линейный ФПИ типа «аналог-цифра»

Очевидно, что такой ФПИ имеет явное достоинство перед другими структурами ФПИ при построении систем ввода аналоговой информации в цифровые системы - он совмещает аналого-цифровое преобразование и функциональное. Можно сказать, что такой ФПИ реализован на основе параллельно-последовательного АЦП и возможность выполнения дополнительных функций по функциональному преобразованию получена за счет введения в известную структуру АЦП дополнительной аппаратной избыточности. Причем очевидно, что выполнение функционального преобразования ни коим образом не влияет на скорость выполнения аналого-цифрового преобразования.

На рис.37 показана структура совмещающая цифро-аналоговое и функциональное преобразование. Входным аргументом является код, который условно разбивается на две части. Часть старших разрядов определяет номер участка аппроксимации, младшие разряды - приращение аргумента на этом участке. ЦАП3 служит для преобразования этого приращения в аналоговый сигнал. ЦАП1 и ЦАП2 используются также как в рассмотренной ранее структуре, представленной на рис.35а.

Рис. Кусочно-линейный ФПИ типа «цифра-аналог»

Так как коды коэффициентов аппроксимации хранятся в цифровой форме то легко реализовать многофункциональный режим работы таких ФПИ. Достаточно коды коэффициентов аппроксимации, соответствующие различным функциям, записать в различные области памяти. Тогда для перехода от одной функции преобразования к другой достаточно менять старшие разряды адреса обращения к памяти в соответствии с номером функции. При задании определенных кодов коэффициентов аппроксимации ФПИ может реализовывать если необходимо, например по одному из каналов преобразования, и линейную функцию преобразования.

Так как операции в гибридных ФПИ выполняются в аналоговой и цифровой форме в ряде случаев можно добиться сокращения аппаратных средств за счет выполнения некоторых операций и функций программно. Например, хранение кодов коэффициентов аппроксимации может осуществляться в резидентной памяти управляющего контроллера, выполнение сложения для получения окончательного результата преобразования в аналого-цифровых ФПИ может осуществляться программно.

Главным же достоинством гибридных ФПИ всегда остается возможность совмещения функционального преобразования с преобразованием формы информации.

Более углубленный анализ некоторых структур позволяет провести аналогию между общими подходами построения гибридных ФПИ и грубо-точных структур АЦП. Как уже было показано, некоторые структуры АЦП можно рассматривать как некоторые базовые структуры. Введение в них некоторого набора избыточных элементов позволяет перейти к реализации нелинейной функции преобразования. Общность основных подходов к реализации позволяет сделать вывод о возможности применения всех подходов к коррекции статических и динамических погрешностей, применяемых в грубо-точных структурах АЦП, и для подобных ФПИ. Хотя, конечно, реализация функциональной характеристики и накладывает некоторые ограничения на использование этих подходов, это в целом так же является важным достоинством гибридных ФПИ.