專利名稱：固定時(shí)間間隔采樣的插值計(jì)算方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)固定時(shí)間間隔采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字式插值計(jì)算的方法及其裝置，運(yùn)用于固定時(shí)間間隔采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，從而得到任意時(shí)刻的采樣結(jié)果。
本發(fā)明的目的是研制一種固定時(shí)間間隔采樣的插值方法的裝置。
對(duì)于現(xiàn)有的固定時(shí)間周期采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，特別是∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來說，為了克服其不能隨機(jī)采樣的不足，本發(fā)明提供一種插值方法的電路，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在同一電路中，可以得到任意時(shí)刻的采樣值。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是針對(duì)固定時(shí)間周期采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，使用一個(gè)高頻率的時(shí)鐘進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。該時(shí)鐘時(shí)間周期極短，用來作為度量時(shí)間的最小單位。也就是說，以這個(gè)最小周期的個(gè)數(shù)來度量時(shí)間。根據(jù)外部電路觸發(fā)時(shí)刻的前后兩至三個(gè)固定周期的采樣值，通過數(shù)字插值算法，計(jì)算得到觸發(fā)時(shí)刻的采樣值。根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，可以采取線性插值和二次插值兩種形式。
參見附

圖1，線性插值的具體過程是假設(shè)外部電路觸發(fā)時(shí)刻記為tc，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路自身的采樣時(shí)刻為tk-1、tk、tk+1、……，這里tk-1、tk、tk+1都是等時(shí)間間隔的。實(shí)際環(huán)境中，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路都有一個(gè)工作時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘是晶振產(chǎn)生的，一般其頻率都會(huì)高達(dá)2MHz或者更高。本發(fā)明中可以把這個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期稱為最小周期Tosc，而把采樣周期記為Ys。Ts總是Tosc的整數(shù)倍，這個(gè)倍數(shù)記為Ns，實(shí)際情況中Ns都是比較大的。這樣就得到下面的關(guān)系式tk+1-tk＝tk-tk-1＝Ts＝NsTosc(1)在tc時(shí)刻外部電路觸發(fā)信號(hào)來臨，而剛剛過去的采樣時(shí)刻是tk。tc與tk之間間隔Nc個(gè)最小周期。于是有下面的關(guān)系式tc-tk＝NcTosc(2)在從模數(shù)轉(zhuǎn)換電路得到采樣時(shí)刻tk-1、tk、tk+1的采樣值Dk-1、Dk、Dk+1以后，就可以根據(jù)線性插值法計(jì)算觸發(fā)時(shí)刻tc的采樣值Dc，其標(biāo)準(zhǔn)公式如下Dc=tc-tktk+1-tk(Dk+1-Dk)+Dk---(3)]]>將式(1)、(2)代入式(3)，可以得到電路實(shí)際使用的線性插值計(jì)算公式Dc=NcNs(Dk+1-Dk)+Dk---(5)]]>或者可以根據(jù)二次插值法計(jì)算采樣值Dc，其標(biāo)準(zhǔn)公式如下Dc=(tc-tk)(tc-tk+1)Dk-1(tk-1-tk)(tk-1-tk+1)+(tc-tk-1)(tc-tk+1)Dk(tk-tk-1)(tk-tk+1)+(tc-tk-1)(tc-tk)Dk+1(tk+1-tk-1)(tk+1-tk)---(6)]]>同樣將將式(1)、(2)代入式(6)，可以得到電路實(shí)際使用的二次插值計(jì)算公式Dc=1Ns2[-Nc2(Ns-Nc)Dk-1+(Ns+Nc)(Ns-Nc)Dk+Nc2(Ns+Nc)Dk+1]---(7)]]>在實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)中，可以取Ns為2的整數(shù)次冪。這樣式(5)、(7)中對(duì)Ns的除法運(yùn)算就可以簡(jiǎn)化為移位操作。這樣，無論是采用式(5)的線性插值算法還是采用式(7)的二次插值算法，都只需要經(jīng)過加法、乘法和移位操作就可以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明根據(jù)上述插值計(jì)算方法，由數(shù)字電路構(gòu)成實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，其由六個(gè)寄存器DR1、DR2、DR3、NR1、NR2、NR3和一個(gè)代數(shù)運(yùn)算器(ALU)構(gòu)成，見附圖1，通過一個(gè)引腳的電平來選擇采用線性或二次插值算法。
上述寄存器中DR1、DR2、DR3中保存了最近的三個(gè)采樣值。
本發(fā)明若選擇線性插值算法，則寄存器NR1保存觸發(fā)信號(hào)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的最小周期個(gè)數(shù)Nc，NR2中保存采樣時(shí)間間隔的最小周期個(gè)數(shù)Ns。
本發(fā)明若選擇二次插值算法時(shí)，寄存器NR1保存Nc/2，NR2中保存Ns+Nc，NR3中保存Ns-Nc。
本發(fā)明的代數(shù)運(yùn)算器由加法器、乘/除法器組成。
當(dāng)采樣時(shí)間間隔是最小周期的2N倍時(shí)，代數(shù)運(yùn)算器由加法器、乘法器和移位器組成。
本發(fā)明的有益效果是，可以集成在固定時(shí)間周期采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，向外部電路提供任意時(shí)刻的采樣值，彌補(bǔ)原先只能提供固定時(shí)刻采樣值的不足。算法完全采用數(shù)字方式進(jìn)行，具有很高的抗干擾性能。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以自由地選擇線性插值或二次插值算法，從而能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度。
圖2是輸入采樣值坐標(biāo)圖。
圖3是線性插值過程示意圖。
圖4是線性插值結(jié)果坐標(biāo)圖。
圖5是輸入采樣值坐標(biāo)圖。
圖6是二次插值過程示意圖。
圖7是二次插值結(jié)果坐標(biāo)圖。
圖1中(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，(2)計(jì)數(shù)器，(3)采樣值寄存器DR1，(4)采樣值寄存器DR2，(5)采樣值寄存器DR3，(6)計(jì)數(shù)值寄存器NR1，(7)計(jì)數(shù)值寄存器NR2，(8)計(jì)數(shù)值寄存器NR3，(9)代數(shù)運(yùn)算器(加法器、乘法器、移位器)，(10)輸入模擬信號(hào)，(11)時(shí)鐘(產(chǎn)生最小周期)，(12)外部電路輸入的觸發(fā)采樣信號(hào)，(13)插值結(jié)果輸出端口，(14)線性/二次插值算法選擇引腳。
在圖1中，輸入模擬信號(hào)(10)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(1)得到采樣值，保存在采樣值寄存器DR1(3)中，同時(shí)DR1中原來的采樣值保存至DR2(4)，DR2中原來的采樣值保存至DR3(5)。這樣，DR1、DR2、DR3中保存的總是最近的三個(gè)采樣值。每次采樣的同時(shí)，計(jì)數(shù)器(2)清零并對(duì)時(shí)鐘(11)計(jì)數(shù)，以記錄從內(nèi)部采樣時(shí)刻到外部觸發(fā)時(shí)刻的最小周期數(shù)Nc。
如果線性/二次插值算法選擇引腳(14)為高電平，那么選定的插值方式是線性插值。NR2中預(yù)先保存采樣時(shí)間間隔的最小周期個(gè)數(shù)Ns。在tc時(shí)刻，外部電路輸入觸發(fā)采樣信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器(2)計(jì)得的最小周期個(gè)數(shù)Nc被保存至計(jì)數(shù)值寄存器NR1，此時(shí)已經(jīng)保存在DR1中的采樣值是Dk。然后等到緊接著到來的采樣時(shí)刻tk+1，采樣值Dk+1送入DR1，原先DR1中的Dk送入DR2，原先DR2中的Dk-1送入DR3。寄存器DR1、DR2、NR1、NR2中的數(shù)據(jù)被輸入ALU(9)依據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算，得到插值結(jié)果輸出(14)。
如果線性/二次插值算法選擇引腳(14)為低電平，那么選定的插值方式是二次插值。在tc時(shí)刻，外部電路輸入觸發(fā)采樣信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器(2)計(jì)得的最小周期個(gè)數(shù)Nc。經(jīng)過移位操作得到Nc/2被保存至計(jì)數(shù)值寄存器NR1，同時(shí)經(jīng)過加法操作的Ns+Nc被保存至寄存器NR2，經(jīng)過減法(實(shí)際是加法)操作的Ns-Nc被保存至寄存器NR3。此刻已經(jīng)保存在DR1中的采樣值是Dk。同樣等到緊接著到來的采樣時(shí)刻tk+1，采樣值Dk+1送入DR1，原先DR1中的Dk送入DR2，原先DR2中的Dk-1送入DR3。然后寄存器DR1、DR2、DR3、NR1、NR2、NR3中的數(shù)據(jù)被輸入ALU(9)依據(jù)式(7)進(jìn)行計(jì)算，得到插值結(jié)果輸出(13)。
上述結(jié)果從圖中可見圖2是從模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(1)中得到的tk-1、tk、tk+1時(shí)刻采樣值。圖3是線性插值過程。圖4是輸出端口(13)輸出的插值結(jié)果。
圖5是從模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(1)中得到的tk-1、tk、tk+1時(shí)刻采樣值。圖6是二次插值過程。圖7是輸出端口(13)輸出的插值結(jié)果。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置如圖1所示，該領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)圖1均能方便地實(shí)施該電路，將該插值電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成于同一電路中，即可達(dá)到本發(fā)明的目的。
圖1中(1)是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，(2)是計(jì)數(shù)器，(3)是采樣值寄存器DR1，(4)是采樣值寄存器DR2，(5)是采樣值寄存器DR3，(6)是計(jì)數(shù)值寄存器NR1，(7)是計(jì)數(shù)值寄存器NR2，(8)是計(jì)數(shù)值寄存器NR3，(9)是代數(shù)運(yùn)算器。
權(quán)利要求
1.固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)針對(duì)若干個(gè)數(shù)字量的插值運(yùn)算，其特征是專門針對(duì)固定時(shí)間周期采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，利用一個(gè)高頻率的時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)脈沖，其周期稱為最小周期，以最小周期個(gè)數(shù)來度量時(shí)間，利用外部電路觸發(fā)時(shí)刻前后的采樣值，依據(jù)線性或者二次插值公式計(jì)算觸發(fā)信號(hào)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式插值計(jì)算方法，其特征是采樣間隔時(shí)間是最小周期的2的整數(shù)次冪即2N倍，固定時(shí)間間隔采樣插值算法的實(shí)現(xiàn)過程中以移位操作取代除法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法的裝置，其特征是由六個(gè)寄存器DR1、DR2、DR3、NR1、NR2、NR3和一個(gè)代數(shù)運(yùn)算器ALU構(gòu)成，通過一個(gè)引腳的電平來選擇采用線性或者二次插值算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法的裝置，其特征是寄存器DR1、DR2、DR3中保存最近的三個(gè)采樣值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法的裝置，其特征是在選定線性插值算法時(shí)，寄存器NR1保存觸發(fā)信號(hào)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的最小周期個(gè)數(shù)Nc，NR2中保存采樣時(shí)間間隔的最小周期個(gè)數(shù)Ns。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法的裝置，其特征是在選定二次插值算法時(shí)，寄存器NR1保存Nc/2，NR2中保存Ns+Nc，NR3中保存Ns-Nc。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法的裝置，其特征是代數(shù)運(yùn)算器ALU由加法器、乘/除法器組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法的裝置，其特征是代數(shù)運(yùn)算器ALU由加法器、乘法器和移位器組成。
全文摘要
本發(fā)明是一種固定時(shí)間間隔采樣的數(shù)字式插值計(jì)算方法及其裝置，現(xiàn)有技術(shù)中尚無法獲得在兩個(gè)采樣時(shí)刻之間的某一時(shí)刻輸入模擬信號(hào)的采樣值。本發(fā)明運(yùn)用于固定時(shí)間間隔采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，能夠得到任意時(shí)刻的采樣結(jié)果。它以高頻產(chǎn)生的最小周期個(gè)數(shù)來度量時(shí)間，利用外部電路觸發(fā)信號(hào)時(shí)刻前后的采樣值，依據(jù)插值公式計(jì)算觸發(fā)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)值?？梢赃x擇使用線性或是二次插值算法。該方法的實(shí)現(xiàn)裝置由數(shù)字電路構(gòu)成，包含六個(gè)寄存器DR1、DR2、DR3、NR1、NR2、NR3和一個(gè)代數(shù)運(yùn)算器。代數(shù)運(yùn)算器由加法器、乘法器、移位器或除法器組成。
文檔編號(hào)G06F7/00GK1448838SQ0311659
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月24日
發(fā)明者趙磊, 李清 申請(qǐng)人:上海復(fù)旦微電子股份有限公司