Устройство для определения параметров экстремумов сигналов Советский патент 1984 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к импульсвой технике и может использоваться ;з устройствах обработки и оценки параметров сигналов для регистрации :з реальном масштабе времени моментов главных экстремумов сигналов и выделения текущих значений сигналов в регистрируемьле моменты времени.

По основному авт.св. № 922645 известно устройство для определения параметров экстремумов сигналов, содержащее последовательно включенные первый элемент задержки, вычитатель, формировательмодуля напряжения, Ьторой элемент задержки и первый делитель напряжения, другой вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, а выход подключен к входам первого, второго и третьего пороговых элементов, выходы которых через соотёетствующие формирователи импульсов подключены к входам соответственно -первого, второго и третьего электронных клк5чей, другие входы которых соединены с входом первого элемента задержки, другим входом вычитателя и шиной входных сигналов, а выходы соединены соответственно с-первой, вто ройи третьей выходными шинами l .

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности выделения моментов времени и величин главных (максимальных и минимальных) укстремумов входных сигналов в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем дополнительной регистрации моментов времени и величин главных экстремумов сигнала в реальном масштабе времени.

Послабленная цель достигается тем, что в устройство для определения параметров экстремумов сигнала, содержащее последовательно включенные первый элемент задержки, вычитатель, формирователь модуля напряжения, второй элемент задержки и первый делитель напряжения, другой вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, а выход подключен к входам первого, второго и третьего пороговых элементов, выходы которых через соответствующие формирователи импульсов подключены к входам соответственно первого, второго и третьего электронных ключей, другие входы которых соединены с входом первого элемента задержки, другим входом вычитателя и шиной входных сигналов, а выходы соединены соответственно с первой, второй и третьей, выходными шинами, введены подключенная к шине входных сигн ов цепь, состоящая из последовательно соединенных первого и второго элементов памяти, второго вычитателя, второго формирователя модуля, третьего элемента памяти, второго делителя напряжения, четвертого порогового элемента и.четвертого формирователя импульсов , а также пятый пороговый элемент, первый и второй элементьл И, четвертый и пятый электронные ключи, первые входы которых соединены с шиной входных сигналов, а вторне подключены к выходам соответственно первого и второго элементов И, первые входы которых соединены с выходом второго формирователя импульсов и вторым входом первого элемента памяти, причем выход четвертого формирователя импульсов соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, третьи входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам пятого порогового элемента, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, второй вход которого соединен с выходом первого элемента памяти, при этом выход первого и третьего формирователей импульсов соединены Соответственно с вторыми входами второго и третьего элементов памяти, первый вход которого, кроме того, соединен с вторым входом второго делителя напряжения, а .выходы четвер гого и пятого электроных ключей подключены соответственно к четвертой и пятой выходным шинам. На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; надфиг. 2 и 3 - диаграммы напряже-. НИИ, поясняющие работу устройства.

Шина 1 входных сигналов устройства соединена с входом первого элемента 2 задержки, осуществля-отдего задер:хку сигнала на время о , и с первым входом первого вычитателя 3.

Выход элемента 2 задержки подключен к второму входу первого вычитателя 3, выход которого подключен к входу первого формирователя 4 модуля напряжения, выход которого соединен с входом второго элемента 5 задержки, на выходе которого Лормируется напряжение, задержанное на время относительно его входного напряжения .

Выход элемента 5 задержки подклюключен к входу первого делителя б напряжения, в качестве которого используется, например, управляемый аттенюатор, коэффициент передачи которого изменяется пропорционально напряжению на его втором входе. Выход первого делителя б напряжения подключен к входам первого, второго и третьего пороговых элементов 7-9, выполненных идентичнрлми, например, по схеме .триггера 1амидта, на выходе которого формируется положительный потенциал при превышении входнтгом сигналом его порогового уровня. Выходы пороговых элементов 7-9 соединены соответственно с входами первого, второго и третьего формирователей 10-12 импульсов, выполненных идентичными, например, по схеме 51слущего мультивибратора, на входе которого в момент положительного перепада входного напряжения Нормируется импульс длительностью t-j . Шина 1 входных сигналов устройства подключена к первым входам первого, второго и третьего электронных ключей 13-15, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего формирователей 10-12 импульсов. Выходы первого, второго и третьего электронных ключей 13-15 подключены соответствен -но к первой,;второй и третьей выходным шинам 16-18 устройства. Электрон ные ключи выполнены идентичными, входной сигнал проходит на выход электронного ключа только при наличи положительного .потенциала на его вто ром входе. I Шина 1 входных сигналов устройства соединена с первым входом первого элемента 19 памяти, представляющего собой известную схему выборка-запоминание, на выходе которой устанавливается И хранится напряжение, равное ее входному напряжению в момент наличия положительного импульса на ее втором входе. Выход первого элемента 19 памяти соединен с первым входом второго элемента 20 памяти и с первым входом второго вычитателя 21, второй вход которого соединен с выходом второго элемента 20 памяти. . Выход второго вычитателя 21 подключен к входу второго формирователя 22 модуля напряжения, выход которого соединен с первым входом третьего элемента 23 памяти, выход которого подключен к первому входу второго делителя 24 напряжения, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя 22 модуля напряжения. Вторые входы первого, второго и третьего элементов 19, 20 и 23 памяти соединены соответственно с выходами второго, первого и третьего фор мирователей 11, 10 и 12 импульсов. Выход второго делителя 24 напряжения подключен к первому входу четвертого порогового элемента 25, выход которого соединен с входом четвертого формирователя 26 импульсов, аналогич ного первому, второму и третьему. I , Выход второго вычитателя 21 подключен Квходу пятого порогового эле мента 27 jjiopor которого ), на первом и втором выходах которого фор мируются соответственно полозхмтельный и нулевой потенцигшы приЦ О, а при У, О - соответственно нуле.йой и положительный. Выход первого формирователя И импульсов подключен к первым входам первого и второго элементов И 28 И 29, вторые входы которых соединены с выходом четвертого формирователя 26 импульсов. Шина 1 подключена к первым входам четвертого и пятого электронных ключей 30 и 31, выходы которых соединены соответственно с четвертой и пятой выходными шинами 32 и 33 устройства, а вторые входы, подключены к выходам первого и второго элемента Н 28 и 29, третьи входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами пятого порогового элемента 27, Устройство работает следующим образом. Способ заключается в том, что для определения моментов времени и величин экстремумов сигнала используется свойство непрерывных сигналов: их первая производная в точке экстремума равна нулю, а отношение задержанного и текущего значений производной входного сигнала в областях его экстремумов не зависит от. параметров входного сигнала, в т.ч. и многочастотного. Для этого с помощью первого элемента 2 задержки, первого вычитателя 3 и первого формирователя 4 модуля формируется модуль первой про/ изБОдной входного сигнала, а с помощью второго элемента 5 задержки его задержанное значение. С помощью первого делителя б напряжения формируется сигнал отношения задержанных значений производной к текущим. Полученный сигнал сравнивается с пороговыми значениями первого, второго и третьего пороговых элементов 7-9 для регистрации предд1ествующих экстремальным экстремальных и следую1пих за экстремальными моментов времени. Спомощью первого, второго и третьего электронных ключей осуществляется выделение значений сигнала, соответствующих указанныги моментам времени. Определение моментов времени и величин максимальных и минимальных экстремумов сигнал основано на том, чтго указанные моменты близки к моментам экстремумов огибающей входного сигнсша, представляющей собой в общем случае многочастотный сигнгш (следует из разложения огибающей сигнала в степенной ряд), производная которого в моменты экстремумов равна нулю. С помощью первого и второго элементов 19 и 20.памяти и второго вычитателя 21 осуществляется формирование ступенчатого напряжения приращений сигнала в смежные моменты , . времени его экстремумов (эквивалентного первой производной огибаюйей сиг-; нала).

С помощью третьего элемента 23 памяти осуществляется задержка этоIo напряжения приращений на время Т (интервал между смежными экстремумами сигнала)., после чего с помощью второго делителя 24 напряжения формируют напряжение, равное отношению задержанных значений напряжеЕ ия приращений к текущим. Полученное напряжение сравнивается с пороговым уровнем четвертого порогового элемента 25 и при пересечении этим напряжением снизу вверх установленного порога с помощью четвертого формирователя 26 импульсов формируется импульс, регистрирующий моменты времени максимальных или минималных экстремумов .сигнала,

С помощью пятого порогового элемента 27, первого и второго элемен(ов И 28 и 29 осуществляется разделение моментов времени максималь.ных и минимальных экстремумов сигнала, а значения входного сигнала, соответствующие упомянутым ..момента времени, выделяются с помощ1 ю четветого и пятого электронных ключей 30 и .31.

При поступлении на тину 1 входных сигналов устройства гармонического сигнала U| A&in(jb (фиг. 2.1), где А и СО - соответственно амплитуда и круговая частота, на выходах первого элемента 2 задержки, первого вычитателя 2 (фиг.2.2) и первого формирователя 4 (фиг.2.3), STOрогО элемента 5 задержки (фиг. 2.4) и первого делителя б напряжения (фиг. 2. 5) формируются напря;кония соответственно , D , ц , Ug и U , равные

liri A5inu(t-i:,),

(j -O -Urj ftwt cosut tl |A,wi:,oosw-kl,

U rl Q coswCt-tilU и 5

Uwt co3Wtl

Текущие значения cot Гшизки к u/2 в окрестностях экстремумов входного сигнала, при этом для моментов времени, предшествующих экстремальным, соответствуюгдах экстремальн,1М и следующих за экстремальными, справедливо соответственной tj-bt, i; tj м t &t, где t - текущее время, tj - момент j -го экстремума сигнала, ii - временной интервал меду моментогч j -го . экстремума сигнала и текущим временем.

В этом случае в моменты времени, предшествующие экстремальным

UujtiCoscoCtj bi-i. Uf, -- {t-T-

l bDC coawCtj-btM

так KaKCosuUt 1 ,со5ы it 1 ,

at ) ,5inPbi iQlit при малых значениях GO it nc Ut+C2)

В моменты времени, соответствующие экстремальным (npH конкретной реализации ограничивается напряжением источника питания).

В моменты впемени, следующие за

Текущее зна bt

экстремальными

и.ь

чение напряжения U сравнивается с пороговыми значениями Еу , Ej. , Еу.. соответственно первого, второго и третьего пороговых элементов 7-9. Значения Е, , Е ,и Е выбираются соответствующими значениям напря5 жения и в моменты времени ij -ist, ij и ij +u-t. При пересечении снизу вверх напряжением U порогового уровня Еу1 первого порогового элемента 7 на выходе последнего форми0 руется положительный перепад напряжения, при этом на выходе-первого формирователя 10 импульсов вырабатывается импульс (фиг.2.6) длитель ностью о , открывающийпервый элек5 тронный ключ 13 на время с- , в течение которого входной сигнал проходит на первую выходную шину 16 устройства .

Аналогично. в моменты пересечения

0 вверх напря) ением пороговых уровней Е и Е соответственно второго и третьего формирователей 11 и 12 импульсов вырабатываются импульсы (фиг.2.7 и 2.8), открывающие на время /J соответственно второй и третий электронные ключи 14 и 15, при этом сигнал с тины 1 входных сигналов устройства проходит в соответствующие моменты времени на второй и третьей его выходных ишнах 17 и 18.

Следовательно, на первой, второй и третьей выходных шинах 16-18 устройства выделяются соответственно мгновенные значения входного сигнала, предшествующие экстремальным, экстремальные и следующие за экстремальными. Моменты вшборок сигнала на первой и третьей выходных шинах 16 и 18 устройства определяются выбором порои Е

гов Е

ПА

пгв моменты времени -го экстремума сигнала (момент времени tji ) положительный импульс с выхода второго формирователя 11 импульсов поступа5 ет на второй вход первого элемента 19 памяти, на выходе которого устанавливается напряжение U , равное входному напряжению в момент его -го экстремума. (На выходе второго эле0 мента 20 памяти к моменту времени ij установлено напряжение tig , соотбетствующее (-1)-му экстремуму входного сигнала). На выходе второго вычитателя 21 устанавливается напряже5 ние Uq , равное разности значений входного сигнала в моменты его i -го и (i-l)-ro экстремумов. (На выходе третьего элемента 23 памяти установлено напряжение , равное модулю разности значений входного сигнала в моменты его (i-l)-ro и (-2)-го экстремумов). На выходе второго делителя 24 напряжения формируется напряжение U( , равное отношению которое сравнивается с пороговым значением Епу четвертого порогового элемента 25. В момент превьЕления напряжением U значения Еу, на выходе четвертого формирователя 26 импульсов формируется положительный импульс. При U()0 (соответствует положительному знаку первой произвольной огибающей сигнала при приближеНИИ к моменту ее максимального экстремума) на первом выходе пятого поро гового элемента 27 формируется положительный потенциал, а при U() О положительный потенциал формируется н втором его выходе. В первом случае при положительном потенциале на выходе четвертого формирователя 26 импульсов (формируется в моменты максимальных или минимальных экстремумов сигнала) импульс с первого входа первого элемента И 28 проходит на второй вход четвертого электронно го ключа 30, на выход которого проходит напряжение входного сигнала в моменты его максимального экстремума . Во тором случае в момент минимального экстремума сигнала импульс с первого выхода второго элемента И 29 проходит на второй вход пятого электронного ключа 31, на выход которого проходит напряжение входного сигнала в момент его минимального экстремума. Процесс определения моментов вре мени и величин максимальных и минимальных экстремумов сигнала поясня--ется На примере двухтонального , , , С) A o ncott + Ai5MaWit-2ft cos- -tg n- - (фиг.З., где А А амплитудр, а со ч «2 частоты первого и второго тональных сигналов. Экстремальные значения этого сигнала оавны п). . где I; - мо-менты экстремумов сигнала, i - поря ковый номер экстремума, причем моме ты минимального (3-го) и максимального (9-го) экстремумов этого сигна ла предшествуют соответственно моментам времени t( и t (фиг.3.2) экстремумов его огибающей. На выходах первого элемента 19 памяти, второго элемента 20 памяти, второго вычитателя 21 и второго фор . миоователя 22 модуля напряжения фор мируются соответственно напряжения |j/t (фиг.3.3) , Ug (фиг.3.4),и9 (фиг.3.5)и (фиг. 3.6), равные U,.2ft,coBei i. .), . где Т - - период сигнала полнения. Так как при i ., --гг-- , С0;(-С0|2.V, ,i,-T., . UioK rWaU- n i tj;), причем значении U,g(-tj,) представляют собой отсчеты в моменты времени tj; напряжения, пропорционального первой производной огибающей входного сигнала. На выходе третьего элемента 23 памяти путем задержки напряжения на время Т формируется напряжение U, (фиг. 3.7), равное . .; (Чг 1A tu -w lTsin-2 З; На выходе второго делителя 24 напряжения формируется напряжение Pi2 ( фиг . 3 .8) , равное отношению значений первой производной огибающей сигнала в момент (ч-1)-гоотсчета ( U 4 ) к ее значению в .момент i -го отсчета ( ) . у, (u,-w,2l(ti;-l | l,U,-C02lT-5U(.(02lt;i, СДгС07, . а Ч в областях экстремумов огибаюл.ей сигнала в моменты времени tj tQ-iit, где to моменты экстремумов огибающей, - момент максимального (или м:1нимального) экстремума сигнала W,-W7 Ito- t,) Q,-CO,° - U iUjJ2 W.-Oln , (o- т.е. ле зависит от параметров огибающей сигнала. Напряжение сравнивается с пороговым значением Е,ц четвертого порогового элемента 25, на выходе которого в момент пересечения снизу вверх порогового уровня Е (момент tj ig формируются положительные потенциалы, при этом в указанные моменты времени на выходе четвертого формирователя 26 импульсов формируются положительные импульсы (фиг.3.9). В момеит времени tja импульс с первого входа второго элемента И 29 (фиг.зло) ввиду наличия положительных потенциалов на его втором (фиг.3.9) и третьем входах (фиг.3.1 проходит на второй вход пятого элек тpЬннoгo ключа 31 (фиг.ЗЛЗ), на вы ход которого,проходит напряжение входного сигнала в момент его миниMainbHoro экстремума. В момент времени i-jg импульс с первого входа первого элемента И 28 (фиг.3;10) вЬиду наличия положителъ них потенциалов на его втором (фиг.3.9) и -третьем (фиг.3.12) вхо дак проходит навторой вход четвертого электронного ключа 30 (фиг.3.1 на выход которого проходит напряжение-входного сигнала в момент его максимального экстремума. Следовательно, предлагаемое устройство позволяет регистрировать в. реальном ма:сштабе времени отдельно моменты максимальных и минимальных экстремумов входного сигнала (по вре- мени появления импульсов на вторых входах соответственного четвертого и пятого электронных ключей 30 и 31) , а также выделять значения входного сигнала в упомянутые моменты времени соответственно на четвертой и питой выходных шинах 32 и 33 устройства. Таким образом, предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности основного устройства за счет дополнительного выделения моментов времени и величин максимальных и минимальных экстремумов сигнала в реальном масштабе времени.. По сравнению с известнь1м устройством повышается точность выделения моментов времени и величин экстремумов, в т.ч. и при малых значениях крутизны сигналов в областях экстремумов, появляется возможность выделения для анализа в реальном масштабе времени значений сигнала, предшествующих экстремальным, экстремальных и следующих за экстремальными.

JUL™ JUI

ЛЛ

Фмг.2

Vt n .t

n

JL

JL

7.

t/

j

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРЕМУМОВ СИГНАЛОВ по авт.св. 922645, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем дополнительной регистрации моментов времени и величин главных экстремумов сигнала в реальном масштабе времени, в него введены подключенная к шине входных сигналов цепь, состоящая из последовательно соединенных первого и второго элементов памяти, второго вычитателя, второго формирователя модуля, третьего элемента памяти, второго делителя напряжения, четвертого порогового элемента и четвертого формирователя импульсов, а также пятый пороговый элемент, первый и второй элементы И, четвертый и пятый электронные ключи, первые входы которых соединены с шиной входных сигналЬв, а вторые подключены к выходам соответственно первого и второго элементов И, первые входы которых соединены с выходом второго формирователя импульсов и вторым входом первого элемента памяти , причем выход четвертого формирователя импульсов соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, третьи входы которых подключены соответственно к первому и втвэрому выходам пятого порогового элемента, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, второй i вход которого соединен с выходом первого элемента памяти, при этом (Л выходы первого и третьего формирователей импульсов соединены соответственно с вторыми входами второго и третьего элементов памяти, первьой вход которого, кроме того, соединен .с вторым входом второго делителя напряжения, а выходы четвертого и пятого электронных ключей подключены соответственно к четвертой и пятой выходным шинам. 00