ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИСКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТОТ Российский патент 2023 года по МПК G06F1/02 

Изобретение относится к автоматике и радиоизмерительной технике и может быть использовано преимущественно в технике кодирования и передачи служебной информации частотно манипулированных сигналов, а также для поиска резонансных частот объекта, подвергающегося воздействию сигналов широкого спектра.

Уровень техники

а) Описание аналогов

Известен цифроаналоговый генератор с перестраиваемым спектром сигнала (см. А.с. 1674097 СССР МКИ⁷ G06F 1/02, заявл. 11.07.89, опубл. 30.08.91 Бюл. №32).

Известный генератор содержит два регистра, два счетчика, схему сравнения кодов конечной частоты, накапливающий сумматор, блок памяти ординат и цифроаналоговый преобразователь.

Недостатками известного устройства является то, что в известном генераторе с перестраиваемым спектром сигнала отсутствует возможность исключения частот из воспроизводимого спектра, управляя их количеством и порядком следования. Кроме того, в нем между счетчиком базового измерительного интервала и периодом, воспроизводимой гармонической составляющей спектра сложного сигнала (ССС) имеется непосредственная связь, позволяющая воспроизводить только одну гармоническую составляющую спектра сложного сигнала, а при переходе от воспроизведения одной гармонической составляющей к другой на спектральной характеристике ССС возникают неравномерности соизмеримые по величине с общим уровнем спектральной мощности сигнала.

б) Описание ближайшего аналога (прототипа)

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является а.с. Цифровой генератор с перестраиваемым спектром сигнала (см. А.с. 1546951 СССР МПК⁷ G06F 1/02 заявл. 02.06.88, опубл. 28.02.90 Бюл. №08).

Изобретение-прототип содержит вход начальной частоты, регистр кода начальной частоты, первый счетчик, первую схему сравнения, накапливающий сумматор, вход конечной частоты, второй регистр, блок памяти ординат, цифроаналоговый преобразователь, вход исключаемой частоты, третий регистр, вторую схему сравнения, вход количества исключаемых частот, второй счетчик, вход управления режимом, первый и второй элементы И, четвертый регистр и триггер. Достигаемый технический результат - расширение класса решаемых задач за счет возможности исключения частот.

Недостатками изобретения-прототипа является то, что в нем имеется непосредственная связь между базовым измерительным интервалом и периодом воспроизводимой гармонической составляющей ССС, позволяющая воспроизводить только одну гармоническую составляющую ССС, а при переходе от воспроизведения одной гармонической составляющей к другой на спектральной характеристике ССС возникают неравномерности соизмеримые по величине с общим уровнем спектральной мощности сигнала.

Другими недостатками изобретения-прототипа является невозможность работы прототипа в режиме исключения нескольких частот одновременно, управления их количеством и порядком следования частот из воспроизводимого ССС формы. Кроме того, изобретение-прототип не позволяет сформировать информационное кодовое слово из спектральных составляющих ССС.

Раскрытие изобретения

а) Технический результат, на достижение которого направлено изобретение

Техническим результатом изобретения является расширение класса решаемых задач за счет одновременного исключения нескольких частот и формировании информационного кодового слова из спектральных составляющих спектра сложного сигнала, что обеспечит возможность применения цифрового генератора в технике кодирования и передачи служебной информации частотно манипулированных сигналов.

б) Совокупность существенных признаков

Для достижения заявленного технического результата в известном цифровом генераторе с перестраиваемым спектром сигнала, содержащем четыре регистра, первый и второй счетчики, первую и вторую схемы сравнения, накапливающий сумматор, первую и вторую схемы И, триггер блокировки исключаемой частоты, блок памяти ординат, при этом первый регистр, первый счетчик, накапливающий сумматор, четвертый регистр, блок памяти ординат, цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно, а сам последний подключен к выходу генератора.

Дополнительно введены третья схема И, схема управления генератором с входом МК сигнала переполнения от накапливающего сумматора, которая программно управляет частотой F_clk с величиной коэффициента деления K_d, пропорциональной частоте следования импульсов счета первого и второго счетчика по вычитающему входу, с выхода первой схемы И, которая подключена вторым входом к этому сигналу, выход частоты базовых интервалов F_bi, в течение каждого, из которых формируется одна гармоника спектра выходного сигнала (СВС), с количеством периодов соответствующим ее значению, выход F_bi подключен к первому входу третьей схемы И, второй вход третьей схемы И подключен к выходу первой схемы сравнения, выход третьей схемы И подключен к входу записи первого счетчика, который в каждом базовом интервале сигнала частоты F_bi держит код текущей гармоники СВС, выход сигнала частоты F_clk подключен к накапливающему сумматору, четвертому регистру и цифроаналоговому преобразователю для синхронизации работы генератора.

в) Причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет дополнительного ввода третьей схемы 21 И, схемы управления генератором с входом 20 МК от накапливающего сумматора 5, которая программно управляет частотой F_clk с величиной коэффициента деления K_d, пропорциональной частоте следования импульсов счета первого счетчика 3 и второго счетчика 14 по вычитающему входу с выхода первой схемы 16 И, которая подключена вторым входом к этому сигналу, сигнал 22 частоты базовых интервалов F_bi подключен к первому входу третьей схемы 21 И, второй вход которой присоединен к выходу первой схемы сравнения 4, выход третьей схемы 21 И подключен к входу разрешения записи первого счетчика 3, который в каждом базовом интервале частоты F_bi держит код и способствует формированию одной текущей гармоники СВС с количеством периодов соответствующим ее значению, выход 23 сигнала частоты F_clk схемы управления генератором подключен к накапливающему сумматору 5, регистру 18 и цифроаналоговому преобразователю 9 для синхронизации работы генератора. Этим достигается возможность применения заявленного устройства (формирование кодовых слов с использованием исключаемых частот ССС) в технике кодирования и передачи служебной информации частотно манипулированных сигналов.

Доказательства соответствия заявленного изобретения условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень»

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественные всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Краткое описание чертежей

Заявленное устройство поясняется чертежами:

фиг. 1 - функциональная схема цифрового генератора с возможностью исключения частот;

фиг. 2 - эпюры напряжений в контрольных точках, поясняющие принцип работы функциональной схемы цифрового генератора с возможностью исключения частот;

фиг. 3 - спектральная характеристика сигнала цифрового генератора с возможностью исключения частот.

Осуществление изобретения

а) Технические средства осуществления изобретения с реализацией указанного в заявке назначения

Функциональная схема цифрового генератора с возможностью исключения частот отраженного на фиг. 1 содержит схему управления генератора, четыре регистра 2, 7, 11, 18, первый и второй счетчики 3, 14, первую и вторую схемы сравнения 4, 12, накапливающий сумматор 5, блок 8 памяти ординат, вход 1 значения начальной частоты ω_beg генератора, подключенный к входу первого регистра 2, выход которого подключен к входу параллельной записи счетчика 3, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора 5 и первым входам схем сравнения 4 и 12, второй вход первой схемы 4 сравнения подключен к выходу второго регистра 7, вход которого подключен к выходу 6 конечной частоты ω_fin схемы управления генератором, третий регистр 11, соединенный с входом 10 кода первой исключаемой частоты ω_ldel, а выходом с вторым входом схемы сравнения 12, выход которой подключен к второй схеме 17 И управляющей по первому входу триггера 19 блокировки исключаемой частоты, второй счетчик 14, который подключен входом параллельной записи к входу 13 ввода количества n_del исключаемых частот, вычитающий вход которого присоединен к выходу первой схемы 16 И, первый вход которой вместе со вторым входом второй схемы 17 И, подключен к входу 15 управления режимом работы генератора, выход займа второго счетчика 14 подключен к второму входу триггера 19 блокировки исключаемой частоты, блок 8 памяти адресные входы которого, с одной стороны, подключены к выходу накапливающего сумматора 5, с другой выходы данных, через регистр 18 и цифроаналоговый преобразователь 9, фиг. 2 - U9, к выходу генератора.

В функциональную схему цифрового генератора с возможностью исключения частот дополнительно введены: третья схема 21 И, схема управления генератором с входом 20 МК от накапливающего сумматора 5, которая программно управляет частотой F_clk с величиной коэффициента деления K_d, пропорциональной частоте следования (сигнал 24) импульсов счета первого счетчика 3 и второго счетчика 14 по вычитающему входу не напрямую, а с выхода первой схемы 16 И, которая подключена вторым входом к этому сигналу, сигнал 22 частоты базовых интервалов F_bi (Фиг. 2) подключен к первому входу третьей схемы 21 И, второй вход которой присоединен к выходу первой схемы сравнения 4, выход третьей схемы 21 И подключен к входу разрешения записи первого счетчика 3, который в каждом базовом интервале частоты F_bi держит код и способствует формированию одной текущей частоты гармоники СВС с количеством периодов соответствующим ее значению для синхронного обновления кода начальной частоты ω_beg, выход 23 сигнала частоты F_clk со схемы управления генератором, подключен к сумматору 5, регистру 18 и цифроаналоговому преобразователю 9 для синхронизации работы цифрового генератора с возможностью исключения частот.

При равенстве заданного количества n_del исключаемых частот с количеством исключенных, счетчик 14 формирует импульс «займа» на выходе, подключенном к входу установки в единицу триггера 19, при этом с регистра 18 снимается блокировка и цифровой генератор с возможностью исключения частот переходит в режим свипирования.

Перечень сигналов и блоков устройства применяемых в документации:

- вход 1 кода ω_beg начальной частоты генератора;

- регистр 2 кода ω_beg начальной частоты генератора;

- счетчик 3;

- схема 4 сравнения значений текущей и конечной частоты ω_fin генератора;

- накапливающий сумматор 5;

- вход 6 кода ω_fin конечной частоты генератора;

- регистр 7 кода ω_fin конечной частоты генератора;

- блок 8 памяти ординат;

- цифроаналоговый преобразователь 9;

- вход 10 кода ω_1del первой исключаемой частоты;

- регистр 11 кода ω_ldel первой исключаемой частоты;

- схема сравнения 12 кодов ω_ldel первой исключаемой и текущей частоты;

- вход 13 значения количества исключаемых частот n_del;

- счетчик 14 кода количества исключаемых частот n_del;

- вход 15 управления режимом генератора («0» - свипирование, («1» -тоже с исключением частот);

- первая схема 16 элемента И;

- вторая схема 17 элемента И;

- четвертый регистр 18;

- триггер 19 блокировки регистра 18;

- сигнал 22 с выхода схемы управления генератором частоты F_bi базовых интервалов;

- сигнал 23 с выхода схемы управления генератором частоты F_clk синхронизации;

- третья схема 21 И разрешения записи счетчика 3;

- программный выход 24 схемы управления генератором управления К_d;

- вход 20 МК в схему управления генератором - сигнал с выхода переполнения сумматора 5.

б) возможность получения указанного заявителем технического результата

Цифровой генератор с возможностью исключения частот работает в двух режимах. Исходное состояние в первом режиме: по входу 1 в регистр 2 введен код начальной частоты ω_beg, по входу 6 в регистр 7 введен код конечной частоты ω_fin, по входу 15 управления режимом уровень «0», четвертый регистр 18 разблокирован для приема и выдачи данных адреса блока 8 памяти ординат, в котором хранятся значения ординат синусоиды, текущей частоты.

Согласно алгоритму работы сумматора 5 код на его выходе в любой момент времени соответствует адресу определенной ординаты синусоиды, значения которой хранятся в блоке 8 памяти, код ординаты поступает на выход устройства. Если содержимое регистра 2 не равно содержимому регистра 7, то после формирования на выходе устройства периода начальной частоты ω_lbeg (что совпадает с переполнением сумматора 5 - U₅, фиг. 2) продолжается формирование следующего периода текущей частоты до тех пор пока, программно - управляемый счетчик в схеме управления генератора, по сигналу 24 K_d, переведет на счетный вход счетчика 3 очередную единицу и запустит накапливающий сумматор 5 на исполнение периодов следующей частоты, код которой увеличен на единицу. Далее процесс формирования на выходе устройства необходимого количества периодов текущей частоты циклически повторяется. Процесс повторяется до тех пор, пока схема 4 сравнения при равенстве текущего и конечного значений частоты ω_fin не выдаст импульс сравнения (U4 - фиг. 2), который через схему 21 И перезагрузит счетчик 3, закончив на этом цикл формирования сложного сигнала, на выходе счетчика 3, вновь появляется значение кода начальной частоты ω_beg, а описанный ранее процесс формирования сигнала повторяется.

Во втором режиме помимо ввода начальной ω_beg и конечной частоту, вводится значение первой из исключаемых частот ω_ldel по выходу 10 схемы управления генератором в третий регистр 11 и кода количества исключаемых частот ω_del по выходу 13 в счетчик 14, при этом на выходе 15 схемы управления режимом схемы управления генератора устанавливается «1».

При равенстве кодов текущей и первой из исключаемых частот ω_ldеl схема 12 сравнения выдает через схему 17 импульс установки триггера 19 в «0», (U₁₂) и (U₁₉) фиг. 2, по которому на выходе данных регистра 18 устанавливается «0». Сумматор 5 в режиме свипирования с исключением частот продолжает формировать адреса, но ординаты синусоид, исключаемых частот спектра сложного сигнала не формируются, так как регистр 18 в этом режиме заблокирован. Тем не менее, в данном режиме интервалы времени пропорциональные количеству периодов исключаемых частот формируются, поскольку в этом режиме сумматор 5 продолжает функционировать - U₅ и по сигналу 20 МК направляет импульсы переполнения в схему управления генератором, что позволяет программно-управляемому счетчику, формировать импульсы с определенным коэффициентом деления K_d, при этом на выходе вычитающего счетчика 14, по каждому импульсу его выходной код уменьшается на единицу. Таким образом счетчик 14 контролирует исполнение исключаемых частот и как только выполнение процедуры закончится - при установке счетчика 14 в «0» на его выходе «займа» появляется импульс, который устанавливает триггер 19 в «1» (U₁₄, U₁₉ фиг. 2), регистр 18 продолжает прием и выдачу адреса ординат функции, и формирование сигнала продолжается до появления импульса сравнения с выхода схемы 4.

Так как выход данных регистра 18 находится в «0» в течение времени формирования периодов исключенных значений частот, то в спектре сигнала исключенные частоты отсутствуют (фиг. 3).

Пример функционирования цифрового генератора с возможностью исключения частот

Цифровой генератор с возможностью исключения частот работает в режиме свипирования (флаг управления режимом работы в регистре флагов схемы управления СУГ - «0») следующим образом.

Предположим, что начальная частота ω_beg -10 Гц, а конечная частота ω_fin - 100 Гц и синусоида воспроизводится 32-мя ступенями, при этом частота дискретизации для синтеза ω_beg составляет F_clkl0 - 320 Гц, за базовый интервал (БИ) принято - 1 сек и будет воспроизведено 10 периодов синусоидального сигнала ω_beg. Накапливающий сумматор 5 выдаст 9 импульсов переполнения, которые будут просчитаны программно-управляемым счетчиком и по 10-му импульсу, он также его сосчитает, в схему управления генератора МК сигнал 20 выдаст сигнал переполнения на первый счетчик 3, по которому на его выходе установится код частоты соответствующий значению 11 Гц. Далее, сигналом МК после окончания воспроизведения последнего периода частоты ω_beg и перехода из БИ1 на БИ2 происходит перестройка частоты дискретизации F_clk10 на F_clk11 - 352 Гц и цифровой генератор с возможностью исключения частот воспроизводит 11 периодов синусоидального сигнала в течение БИ2, затем аналогично: F_clk12 - 384 Гц и далее воспроизводится 12 периодов синусоидального сигнала.

Через время 88 сек, что соответствует БИ99 генератор приступит к воспроизведению ω_fin -100 Гц и за БИ100 выполнит 100 периодов синусоидального сигнала при F_clk100 - 3200 Гц. После исполнения БИ100 цифровой генератор с возможностью исключения частот вернется к воспроизведению синусоиды начальной частоты ω_beg=10 Гц по импульсу разрешения записи с выхода третьей схемы 21 элемента И.

В режиме свипирования с исключением частот (флаг управления режимом работы в регистре флагов СУГ - «1») генератор работает следующим образом. Синтез сигнала выполняется с учетом возможности программирования заданного количества исключаемых частот и порядка расположения внутри базовых интервалов и отсутствующих гармонических ССС.

Предварительно отметим, что режим свипирования предлагается с теми же параметрами, что изложены выше. Предположим, что процедура исключения частот будет реализовываться при коде 70. При коде 69 через вход 10 загружается регистр 11 кодом первой исключаемой частоты ω₇₀. Через вход 13 в счетчик 14 загружается значение количества исключаемых частот, при этом на входе 15 устанавливается уровень «1». При равенстве кодов текущей и первой из исключаемых частот ω_ldel вторая схема сравнения 12 выдает импульс установки триггера 19 в «0» (U₁₂) и U₁₉, по которому через вход сброса регистра 18 на его выходах устанавливаются «0».

В течение 1-ой секунды базового интервала БИ70 разворачивается выполнение 70-ти периодов данной гармоники с частотой дискретизации F_clk70=32*70=2240 Гц, затем, поскольку в информационном слове три разряда соответствуют «0», на время действия БИ71…БИ73 на блок развертки синуса поступает сигнал «запрета» (регистр 18), при этом гармонические составляющие ω₇₁…ω₇₃ не исполняются, однако в регистре накапливающего сумматора 5 во время действия БИ71…БИ73 последовательно меняются коды номеров гармоник ω₇₁…ω₇₃, при этом временные соотношения по периодам составляющих гармоник и их количеству сохраняются.

В течение 1-ой секунды базового интервала БИ74 разворачивается выполнение 74-х периодов данной гармоники с частотой дискретизации F_clk74=32*74=2368 Гц. Через вход 10 загружается регистр 11 кодом первой исключаемой частоты ω₇₄, при этом на входе 15 устанавливается уровень «1». При равенстве кодов текущей и следующей из исключаемых частот ω_11del=ω₇₄ вторая схема сравнения 12 выдает импульс установки триггера 19 в «0» (U₁₂) и U₁₉, по которому через вход сброса регистра 18 на его выходах устанавливаются «0» для ω₇₅, ω₇₆, при этом гармонические составляющие ω₇₅, ω₇₆ не исполняются, однако в регистре накапливающего сумматора 5 во время действия БИ75, БИ76 последовательно меняются коды номеров гармоник ω₇₅, ω₇₆ при этом временные соотношения по периодам составляющих гармоник и их количеству сохраняются.

Далее, при наступлении БИ77, снимается сигнал «запрета» с блока развертки (8, 9, 18, 19) синуса и разворачивается выполнение 77-ми периодов с F_clk77=2464 Гц, затем, поскольку в информационном слове последующие два разряда соответствуют «0», на время действия БИ78, БИ79 интервалов на блок развертки синуса поступает сигнал «запрета», при этом временные соотношения по периодам составляющих гармоник ω₇₈, ω₇₉ и их количеству сохраняются. Ординаты синусоидальной функции гармонических составляющих обнулены.

И последнее, при наступлении БИ80 снимается сигнал «запрета» с блока развертки синуса и разворачивается выполнение 80-ми периодов с F_clk80=2560 Гц, после чего исполнение кодового информационного слова заканчивается, флаг режима работы в регистре флагов устанавливается в «1», генератор продолжает работать с БИ81 и далее в режиме свипирования воспроизводя последовательно 20 базовых интервалов БИ81 по БИ100 в соответствии с порядком, изложенным выше: гармоническая составляющая ω₈₁ воспроизводится блоком развертки синуса 81 раз с частотой дискретизации F_clk81=2592 Гц в течение 1-ой секунды, гармоническая составляющая ω₈₂ воспроизводится блоком развертки синуса 82 раза с частотой дискретизации F_clk82=2624 Гц и т.д. Через время 17 сек, что соответствует БИ99, генератор приступит к воспроизведению ω_fin - 100 Гц и за БИ100 выполнит 100 периодов синусоидального сигнала при F_clk100 - 3200 Гц. По исполнению БИ100 генератора первая схема 4 сравнения выдаст импульс на возврат к начальной частоте синусоидального сигнала и цифровой генератор с возможностью исключения частот вернется к воспроизведению синусоиды начальной частоты ω_beg=10 Гц по импульсу записи с выхода третьей схемы 21 элемента И.

Заметим, что формирование интервалов времени пропорциональных периодам исключаемых частот во временной области подтверждается спектральной характеристикой исключенных гармоник в спектре сложного сигнала кодового слова в частотной области фиг. 3, что дает право утверждать возможность применения цифрового генератора с возможностью исключения частот в технике кодирования и передачи служебной информации частотно манипулированных сигналов.

Изобретение относится к автоматике и радиоизмерительной технике и может быть использовано преимущественно в технике кодирования и передачи служебной информации частотно-манипулированных сигналов, а также для поиска резонансных частот объекта, подвергающегося воздействию сигналов широкого спектра. Технический результат заключается в возможности применения цифрового генератора в технике кодирования и передачи служебной информации частотно-манипулированных сигналов за счет одновременного исключения нескольких частот и формирования информационного кодового слова из спектральных составляющих спектра сложного сигнала. В генератор дополнительно введены третья схема И, схема управления генератором с входом МК от накапливающего сумматора, которая программно управляет частотой F_clk с величиной коэффициента деления K_d, пропорциональной частоте следования импульсов счета первого и второго счетчика по вычитающему входу с выхода первой схемы И, которая подключена вторым входом к этому сигналу. 3 ил.

Цифровой генератор с возможностью исключения частот, содержащий четыре регистра, первый и второй счетчики, первую и вторую схемы сравнения, накапливающий сумматор, первую и вторую схемы И, триггер блокировки исключаемой частоты, блок памяти ординат, цифроаналоговый преобразователь, причем вход значения начальной частоты генератора подключен к входу первого регистра, выход которого подключен к входу параллельной записи первого счетчика, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора и первым входам первой и второй схем сравнения, второй вход первой схемы сравнения подключен к выходу второго регистра, вход которого подключен к входу конечной частоты генератора, третий регистр, соединенный с входом кода первой исключаемой частоты, а выходом - со вторым входом второй схемы сравнения, выход которой подключен ко второй схеме И, управляющей по первому входу триггером блокировки исключаемой частоты, второй счетчик, соединенный входом параллельной записи с входом ввода количества исключаемых частот, вычитающий счетный вход которого присоединен к выходу первой схемы И, выход второго счетчика подключен ко второму входу триггера блокировки исключаемой частоты, первый вход первой схемы И вместе со вторым входом второй схемы И подключен к входу управления режимом работы генератора, блок памяти ординат, адресные входы которого с одной стороны подключены к выходу накапливающего сумматора через четвертый регистр, с другой - выходы данных к цифроаналоговому преобразователю, затем к выходу генератора, отличающийся тем, что в него введены третья схема И, схема управления генератором с входом МК от накапливающего сумматора, которая выполняет программное управление коэффициентом деления K_d частоты F_clk и выдает сигнал частоты импульсов счета первого и второго счетчика по вычитающему входу с выхода первой схемы И, которая подключена вторым входом к этому сигналу, сигнал частоты базовых интервалов F_bi подключен к первому входу третьей схемы И, второй вход которой присоединен к выходу первой схемы сравнения, выход третьей схемы И подключен к входу разрешения записи первого счетчика, который в каждом базовом интервале частоты F_bi держит код и формирует одну гармонику и спектр текущей частоты выходного сигнала, с количеством периодов, соответствующим ее значению, выход схемы управления сигнала частоты F_clk подключен к накапливающему сумматору, четвертому регистру и цифроаналоговому преобразователю для синхронизации работы генератора.