АДАПТИВНОЕ ЦИФРОВОЕ СГЛАЖИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2020 года по МПК G06F17/17 H03H17/04 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для сглаживания стационарных и нестационарных случайных процессов.

Известно цифровое сглаживающее устройство (а.с. СССР №1047361, МПК Н03/Н 17/04, 1982), содержащее два сумматора, регистр сдвига, блок формирования импульсов сдвига, блок генерации счетных импульсов по отклонениям, блок управления динамической характеристикой, блок задания соотношения отклонений и два реверсивных счетчика. Устройство имеет относительно большой объем оборудования и функционально ограничено.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, адаптивное цифровое сглаживающее устройство (патент РФ №2665908, МПК G06F 17/17, 4.09.2018, бюлл. №25), содержащее арифметический блок из двух сумматоров, регистра сдвига и запоминающего регистра; субблок расчета скорости медианы процесса (МП); блок формирования импульсов сдвига и субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости МП. Устройство имеет малую точность сглаживания.

В предложенном устройстве, как в аналогах и прототипе, реализован оператор экспоненциального сглаживания Брауна:

где x_n - дискреты входного случайного процесса (СП), состоящего из аддитивной смеси полезной составляющей сигнала (выделяемой детерминированной медианы процесса) и флуктуирующей части (помехи, случайного шума и т.п.), y_n - выходные дискреты медианы процесса, α=1/2^К - коэффициент сглаживания, 2^К - апертура сглаживания; k - показатель степени апертуры.

Δx_n=(x_n-y_n-1) - текущее отклонение от МП; Δy_n=αΔx_n=(Δx_n/2^К) - текущее приращение МП. Для получения последнего операция деления на апертуру в арифметическом блоке устройства производится путем сдвига отклонения Δx_n вправо на к разрядов (к=1÷5). Сетка дискретных коэффициентов сглаживания для данного устройства имеет следующий ряд α=1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32, что вполне приемлемо для большинства технических применений.

Однако, при выполнении операции сдвига вправо возникает методическая погрешность е_у усечения (отбрасывания), имеющая вероятностный характер. Это независимая случайная переменная с отрицательным знаком и равномерной плотностью распределения в диапазоне [0, -(2^k-1)] со средним значением для каждого коэффициента сглаживания в представленной ниже таблице:

Отсюда, среднее значение погрешности усечения устройства для всей принятой сетки дискретных коэффициентов сглаживания составит е_у=-7. Таким образом, в устройстве не выполняется условие несмещенности оценки математического ожидания медианы сглаживаемого СП. Как видно из результатов моделирования на фиг. 4 и в таблице 1 прототипа и предлагаемого устройства эта погрешность существенно возрастает с ростом апертуры 2^К (эффективности сглаживания).

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в компенсации погрешности усечения е_у=-7 путем ввода постоянной погрешности дополнения (по аналогии с усечением), имеющей положительный знак и среднее значение e_d=+7. При выполнении операции сложения в уравнении (1) обе погрешности взаимно компенсируются.

Поэтому, в адаптивном цифровом сглаживающем устройстве, содержащем арифметический блок из двух сумматоров, регистра сдвига и запоминающего регистра, выход которого является информационным выходом устройства; субблок расчета скорости медианы процесса (МП), содержащий буфер регистровой памяти (предыстории входного дискретного процесса), блок инверторов, сумматор и схему формирования абсолютного значения скорости МП из блока инверторов и мультиплексора; блок формирования импульсов сдвига, содержащий элемент задержки, элемент И, триггер и генератор импульсов; субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор, регистр сдвига, первый и второй элементы И, для решения поставленной задачи выходные шины первого сумматора с 1-го по 12-й разряд, монтажно сдвинутые влево на 4 разряда, подключены к входным шинам с 5-го по 16-й разряд, соответственно, регистра сдвига, выход последнего соединен с первым входом второго сумматора, выходные шины запоминающего регистра с 1-го по 12-й разряд, монтажно сдвинутые влево на 4 разряда, заведены на шины второго входа второго сумматора с 5-го по 16-й разряд, соответственно, а шины выхода второго сумматора с 5-го по 16-й разряд подключены к входным шинам с 1-го по 12-й разряд запоминающего регистра, причем, на вторые входы первых трех младших разрядов второго сумматора заведен высокий потенциал логической «1», а на 4-й разряд - потенциал логического «0».

Все элементы арифметического блока устройства имеют 16 двоичных разрядов, а максимальный код входной дискреты СП после аналого-цифрового преобразования (АЦП) не должен превышать значения 4096. Для работы с дискретами превышающими это значение (после АЦП) разрядные сетки регистра сдвига и второго сумматора арифметического блока должна быть увеличены на 4 старших разряда.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - блок-схема предлагаемого устройства; фиг. 2 - блок-схема одного канала блока сглаживания; фиг. 3 - схема формирования абсолютного значения скорости МП; фиг. 4 - реакция (фазовый сдвиг, запаздывание) устройства на скачок МП без компенсации погрешности усечения при сдвиге отклонений процесса от медианы СП в регистре сдвига; фиг. 5 - поразрядная схема монтажа соединений входов и выходов арифметического блока; фиг. 6 - реакция (фазовый сдвиг, запаздывание) устройства на скачок МП с компенсацией погрешности усечения при сдвиге отклонений процесса от медианы СП в регистре сдвига.

Выбирая две точки (ординаты) буфера предыстории (текущую и конечную) получим следующую формулу вычисления скорости медианы сглаживаемого случайного процесса:

где H - временной интервал замера скорости; y_п и y_п-H - текущая и конечная ординаты буфера предыстории; Н=NT, где N - количество регистров в буфере, Т - цикл работы устройства.

Устройство содержит (см. фиг. 1) арифметический блок, в состав которого входят первый сумматор 1, регистр сдвига 2, второй сумматор 3, запоминающий регистр 4, информационные вход 5 и выход 6; блок формирования импульсов сдвига 7, содержащий триггер 8, элемент И 9, генератор импульсов 10 (f_г) и элемент задержки 11; субблок 12 расчета скорости медианы процесса, содержащий одноканальный блок сглаживания 13 (см. авт. св. СССР №748417, кл. G06F 15/32, бюл. №26, 1980) из сумматора 14 и регистра 15 (см. фиг. 2), буфер регистровой памяти предыстории процесса из N последовательно соединенных регистров 16, блок инверторов 17, сумматор 18 и схему 19 формирования абсолютного значения скорости (|у'_n|) из блока инверторов 20 и мультиплексора 21 (фиг. 3); субблок 22 выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор 23, регистр сдвига 24 с шиной 25 ввода «1» в 7-й разряд регистра, первый 26, второй 27 элементы И и тактирующий вход 28 (f_т).

Для предложенного устройства установлен диапазон изменения коэффициента сглаживания с пятью фиксированными ступенями α с соответствующими значениями кода апертуры 2^К и обратного кода апертуры сглаживания 2^6-К (см. табл. 2).

Алгоритм выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса построен на сравнении кода последней с обратным кодом апертуры сглаживания (А=2^6-К). Чтобы сделать код скорости медианы процесса во всем возможном спектре ее изменения (от минимальной до максимальной, почти, скачка) соизмеримым при сравнении с диапазоном обратного кода апертуры (64, 32, 16, 8, 4, 2), он делится на масштабный коэффициент К_м: V_m=V_n/К_м, где V_m - приведенная (виртуальная) скорость медианы процесса, причем ее максимальное значение не должно превышать предельного значения обратного кода апертуры (A=64), т.е. V_{m макс}<64. Поскольку масштабный коэффициент К_м зависит от емкости разрядной сетки аналого-цифрового преобразования (АЦП) входного сигнала, то для 12-ти разрядного АЦП: К_м=4096/64=2⁶, М=6; для 10-ти разрядного АЦП: К_м=1024/64=2⁴, М=4 и т.д.

Операция приведения кода скорости медианы процесса к требуемому диапазону (0÷64) путем деления ее на масштабный коэффициент производится монтажно - путем сдвига выходных шин субблока 12 расчета скорости МП на М разрядов вправо при вводе их на второй информационный вход компаратора 23 субблока 22 выбора коэффициента сглаживания. Такая операция на блок-схеме (см. фиг. 1) обозначена кружочком.

В соответствии с формулой (1) один цикл работы предложенного устройства идентичен прототипу и производится за три такта. В первом такте управляющий импульс со входа 28 инициирует работу одноканального блока сглаживания 13, выходная ордината y_n которого поступает в первый регистр 16 блока памяти субблока 12 расчета скорости МП, одновременно производится перезапись (сдвиг) предшествующих ординат в соседние регистры 16, т.е. формируется предыстория процесса. По формуле (3) рассчитывается скорость МП и на выходе субблока устанавливается ее абсолютное значение V_n. Этот же тактирующий импульс 28 фиксирует в регистре 2 текущее отклонение Δx_n, записывает от шины 25 «1» в 7-й (старший) разряд регистра сдвига 24, фиксируя в нем максимальный обратный код апертуры сглаживания (А=64) и установкой в «1» триггера 8 запускает в работу во втором такте блок формирования импульсов сдвига 7. Последний - вырабатывает от генератора 10 серию минитактов (f_г), причем f_г>>f_т (f_г=f_сдв), первый и последующие из которых сдвигают «1» в регистре сдвига 24 вправо на один разряд, формируя в нем потактно (к=1÷5) позиционный обратный код апертуры А=2^6-К, который в компараторе 23 сравнивается с кодом приведенной скорости процесса В=V_m, одновременно импульсы сдвига (k) формируют через элемент И 26 при выполнении соотношения (В<А) компаратора 23 текущие приращения МП Δy_n в регистре сдвига 2. Вышеперечисленные минитакты будут продолжаться до выполнения в компараторе 23 соотношения (В>А), высокий уровень («1») выходного сигнала которого, в этом случае, через элемент И 27 разрешит уже в третьем такте запись результата сглаживания в выходной регистр 6.

В таблице 3 приведен пример цикла выбора коэффициента сглаживания для конкретного значения приведенной скорости МП: В=V_m=7.

В табл. 1 приведены результаты моделирования работы устройства на ЭВМ без компенсации (e_d=0) отрицательной погрешности усечения е_у=-7 при сдвиге текущих отклонений Δx_n процесса от медианы СП в регистре сдвига 3.

В табл. 4 приведены результаты моделирования работы устройства на ЭВМ с компенсацией отрицательной погрешности усечения е_у=-7 вводом положительной погрешности дополнения e_d=+7.

В табл. 5 приведены результаты моделирования работы устройства на ЭВМ с компенсацией отрицательной погрешности усечения е_у=-7 вводом положительной погрешности дополнения e_d=+14. (Перебор!)

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат заключается в компенсации погрешности усечения. Предлагается адаптивное цифровое сглаживающее устройство, содержащее арифметический блок из двух сумматоров, регистра сдвига и запоминающего регистра, выход которого является информационным выходом устройства; субблок расчета скорости медианы процесса (МП), содержащий буфер регистровой памяти, блок инверторов, сумматор и схему формирования абсолютного значения скорости МП из блока инверторов и мультиплексора, блок формирования импульсов сдвига, содержащий элемент задержки, элемент И, триггер и генератор импульсов; субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор, регистр сдвига, первый и второй элементы И, при этом выходные шины первого сумматора с 1-го по 12-й разряд, монтажно сдвинутые влево, подключены к входным шинам с 5-го по 16-й разряд, соответственно, регистра сдвига, выход последнего соединен с первым входом второго сумматора, выходные шины запоминающего регистра, сдвинутые влево, заведены на шины второго входа второго сумматора, соответственно, а шины выхода второго сумматора подключены к входным шинам запоминающего регистра. 6 ил., 5 табл.

Адаптивное цифровое сглаживающее устройство, содержащее арифметический блок из двух сумматоров, регистра сдвига и запоминающего регистра, выход которого является информационным выходом устройства; субблок расчета скорости медианы процесса (МП), содержащий буфер регистровой памяти предыстории входного дискретного процесса, блок инверторов, сумматор и схему формирования абсолютного значения скорости МП из блока инверторов и мультиплексора; блок формирования импульсов сдвига, содержащий элемент задержки, элемент И, триггер и генератор импульсов; субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор, регистр сдвига, первый и второй элементы И, отличающееся тем, что выходные шины первого сумматора с 1-го по 12-й разряд, монтажно сдвинутые влево на 4 разряда, подключены к входным шинам с 5-го по 16-й разряд, соответственно, регистра сдвига, выход последнего соединен с первым входом второго сумматора, выходные шины запоминающего регистра с 1-го по 12-й разряд, монтажно сдвинутые влево на 4 разряда, заведены на шины второго входа второго сумматора с 5-го по 16-й разряд, соответственно, а шины выхода второго сумматора с 5-го по 16-й разряд подключены к входным шинам с 1-го по 12-й разряд запоминающего регистра, причем на вторые входы первых трех младших разрядов второго сумматора заведен высокий потенциал логической «1», а на 4-й разряд - потенциал логического «0».