Адаптивный временной дискретизатор Советский патент 1984 года по МПК H03K13/02 

управляющие регистры соответственно с вторыми выходами-входами первой и третьей микроЭьИ, первые вход-выход которой соединены-с вторыми выходомвходом шестого управляющего регистра, первые вторые и третьи входы-выходы четвертой микроэвм соединены через

девятый, десятыИ и одиннадцатый управляющие регистры соответственно с третьими выходами-входами первой, второй и третьей микроэвм а четвертые вход-выход являются выходом и вторым- входом канала сжатия.

Изобретение относится к средства электроизмерительной техники, в частности к измерительно-вычислител ным устройствам .комплексной статист ческой обработки, предназначено для многопараметрического адаптивного преобразования формы квазистационар ного широкополосного случайного сиг нала с произвольной фермой графиков текущих оценок спектральной плотности и характеристической функции на участках стационарности, и может быть использовано в распределенных системах сбора и обработки телеметрической информации, системах испытания и диагностики сложных объекто в машиностроении, самолетостроении, системах управления сложными технол гическими процессс1ми в химической и метаглургической промышленности для решения задачи повьшения эффективности ( точности и быстродействия) адаптивного преобразования формы сложных сигналов. Известен адаптивный временной дискретизатор, содержащий канал сжатия, состоящий из преобразователя напряжение-код, вход которого соединен с входной клеммой канала сжатия арифметический блок и блок программного управления Cl . Однако низкая точность и достоверность сжатия данных о многомерных случайных сигналах вследствие невозможности одновременного сжатия многомерных сигналов и дополнительной статистической обработки снижает точ ность и достоверность комплексного сжатия данных о многомерных случайны сиг1галах. Наиболее близким по технической сущности к пре;(лагаемому является адаптивный воеменной дискоетизатоо. содержащий L каналов сжатия, вторые входы-выходы которых соединены через управляющие регистры с первыми L-тыми выходами-входами второго блока шинДЬ +1)-е вход-выход которого соединены с выходом-входом второго блока программного управления через его управляющий регистр, причем каждый канал сжатия содержит преобразователь напряжение-код, первый вход которого является первым входом канала сжатия, первый выход яйляется первым выходом канала сжатия, третий вход соединен с первым входом преобразователя интервал-код, первый выход которого является четвертым выходом канала сжатия, третьим выходом которого является третий выход преобразователя код-интервал, вторые входвыход преобразователя напряжение-код, преобразователя код-интервал, преобразователя интервс1л-код, входы-выходы арифметического блока и первого блока программного управления соединены через их управляющие регистры соответственно с первыми-пятыми входами-выходами блока шин, шестйе вход-выход которого являются вторыми входом-выходом канала сжатия 2. Недостатки данного устройства заключаются в низкой точности и быстродействии процесса адаптивного преобразования фсчрмы широкополосных квазистационарйых случайных сигналов со сложной формой текущих оценок графиков спектральной плотности и характеристической функции из-за отсутствия априорных данных о них. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия многопараметрического адаптивного преобразования формы случайных сигналов. Поставленная цель достигается тем, что в адаптивный временной дискриминато, состоящий из Ь каналов сжатия, каждый из которых содержит первый преобразователь напряжениекод, вторые входы-выходы которого соединены с первыми выходом-входс л шестого управляющего регистра, первый блок шин, пятые вход-выход которого соединены через пятый управляющий регистр с первыми выходом-входом первой микроэвм,, вторые входы-выходы каналов сжатия соединешл через тринадцатые управляющие регистры соответственно с первыми Ь-тыми выходомвходом второго блрка шин, ( Ц, +l) -е вход-выход которого соединены через двенадцатый управляющий регистр с выходом-входом.пятой микроэвм, . (блок программного управления), дополнительно введены в каждый канал сжатия управляемый делитель напряжения, управляемый усилитель, первый и второй блоки дискриминаторов уровней, второй преобразователь напряже|ние-код, преобразователь код-напряжение, первый и орой вентили, первый и второй реверсивные счетчики, первый-четвертый, седьмой-одиннадцатый управляющие регистры, вторая, третья, четвертая микроэвм (процессоры), причем первый вход управляемого делителя напряжения является первым (-входом канала сжатия, второй вход управляемого делителя напряжения соединен с первым выходом первого реверсивного счетчика, выход управляемого делителя напряжения параллельно соединен с первым входом управляемого усилителя и входом первого блока дискриминаторов уровней, выход которого соединен параллельно с вторыми входами первого вентиля и первого реверсивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом первого вентиля, второй вход управляемого усилителя соединен с выходом преобразователя код-напряжение, третий вход соединен с первым выходом второго реверсивного счетчика, выход соединен параллельно с входами перво го и второго преобразователей напряжение-код и второго блока дискриминаторов уровней, выход которого параллельно соединен с вторыми входами второго вентиля и второго реверсивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом второго вентиля, выход второго преобразователя напряжение-код соединен параллельно с первыми входами первого и второго вентилей и третьего управляющего регистра, вторые выходы первого и второго реверсивных счетчиков и вход преобразователя код-напряжение соединены соответственно с первыми вхоДс1ми первого, второго и выходом четвертого управляющих регистров, вторы входы-выходы первого-четвертого управляющих регистров соединены соответственно с первыми-четвертыми выходами-входами первого блока шин, первые и вторые яходы-выходы второй микроэвм- соединены через седьмойи восьмой управляющие регистры соответственно с вторыми выходами-входами первой и третьей микроэвм, первые вход-выход которой соединены с вторыми выходом-входом шестого управляющего регистра, первые, вторые и третьи входы-выходы четвертой микроЭВМ соединены через девятый, десятый и одиннадцатый управляющие регистры соответственно с третьими выходамивходами первой, второй и третьей микроэвм , а четвертые вход-выход являют ся выходом и вторым входом канала сжатия,

На чертеже представлена электрическая структурная схема адаптивного временного дискретизатора.

Адаптивный временный дискретизатор состоит из L каналов сжатия , каждый из которых содержит управляемый делитель напряжения 2, первый вход которого является первым входом канала сжатия, первый блок 3 дискриминаторов уровней, управляемый усилитель 4, второй блок 5 дискриминаторов уровней, первый реверсивный .счетчик 6, второй реверсивный счетчик 7,второй преобразователь 8 напряжение-код, первый 9 и второй 10 вентили, преобразователь 11 коднапряжение, первый преобразователь 12 напряжение-код, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16, управляющие регистры, первый блок 17 шин, пятый 18 и шестой 19 управляющие регистры, первую микроэвм. 20, седьмой управляющий регистр 21,вторую микроЭВМ 22, восьмой управляющий регистр 23, третью микроэвм 24, девятый 25, десятый 26 и одиннадцатый 27 управляющие регистры, четвертую .микроэвм 28, четвертые входы-выходы которой являются соответственно вторым входом и выходом канала сжатия каждого из L тринадцатых управляю1дах регистров 29| -29, пятой микроэвм 30, выполняющей функции блока программного управления, двенадцатого управляющего регистра 31 и второго блока шин 32. Причем второй вход и выход каждого из L каналов сжатия ( соединены через соответствующие тринадцатые управляющие регистры соответственно с.первыми L-тыми выходами-входами второго блока 3:2 шин, (L. +1) -е вход-выход которого соединены через двенадцатый управляющий регистр 31 с выходом-входом пятой микроэвм . (блок программного управления) 30. Второй вход управляемого делителя напряжения 2 соединен с первым выходом первого реверсивного счетчика 6, выход соединен параллельно с первым входом управляемого усилителя 4 и входом первого блока 3 дискриминаторов уровней, выход которого соединен с вторыми входами первого вентиля 9 и первого реверсивного счетчика 6, первый вход которого соединен с выходом первого вентиля 9, второй вход управляемого усилителя 4 соединен с выходом преобразователя 11 код-напряжение, третий вход соединен с первым выходом второго реверсивного счетчика 7, выход параллельно соединен с входами первого 12 и второго 8 преобразователей напряжение-код и второго блока 5 дискриминаторов уровней, выход которого соединен с вторыми входами вто:рого вентиля 10 и второго реверсивного счетчика 7, первый вход которого соединен с выходом второго венти ля 10, вторые вход-выход первого преобразователя 12 напряжение-код соединены через шестой управляющий регистр 19 с первыми выходом-входом третьей микрсэЭВМ 24, выход второго преобразователя 8 Нсшряжение-код со динен параллельно с первыми входами первого 9 и второго 10 вентилей, вторые выходы первого 6 и второго 7 реверсивных счетчиков, выход второг преобразователя 8 и вход преобразователя 11 код-напряжение соединены соответственно с первыми входами первого 13, второго 14, третьего 15 и первым выходом четвертого 16 упра ляющих регистров, вторые вход-выход которых соединены соответственно с первыми-четвертЫми выходами-входами ,;первого блока шин 17, пятые вход;выход которого подключены через пятый управляющий регистр 18 к первым выходу-входу первой микроэвм 20, первые, вторые и третьи входывыходы второй микроэвм 22.соединены соответственно через седьмой 21 восьмой 23 и десятый 26 управляющие регистры с вторыми выходами-входами первой 20, третьей 24 и четверто 28 микроэвм, первые и третьи входы выходы которой соединены через девятый 25 и одиннадцатый 27 управляю щие регистры соответственно с треть ми В..ходами-входами первой 20 и третьей 24 микроэвм . Адаптивный временной дискретизат работает следующим образом. Сигнал )((1)поступает на вход управ ляемого делителя напряжения 2, на выходе которого формируется сигнал ijl-tl b ij-x(i) , где11 :. 1, 1/2, .1/3, . . . , 1/15 - масштабный коэффициент. Сигнал ij (i) с выхода управляемого де лителя напряжения 2 поступает на вхо да управляемого усилителя 4 и первого блока 3 дискриминаторов уровней, которые срабатывают при превышении сигналом f(.tl границ диапазона(,5}п У г I . При этом первый блок 3 дискриминаторов уровней формирует импульс +1 на втором суммирующем входе первого реверсивного счетчика 6, а также блокирует по ВТОРОМУ входу пер1ь1й вентиль 9. На выходе управляе мого усилителя 4 формируется сигнал z(tl 1iao- |(t h,j-bj.)r-(tV. где hj4 1, 2, ..., 15 - масштабный коэффициент. Сигнал 2 It)с выхода управляемого усилителя 4 поступает на входы второго преобразователя 8 напряжение-код, первого преобразователя 12 напряжение-код, второго блока 5 дискриминаторов уровней, которые срабатывают при превышении сигналом н (t)границы диапазона (Z г .И), и формируют импульс 1 на втором вычитающем входе второго реверсивного счетчика 7 и на это время блокируют по второму входу второй вентиль 10. Второй преобразователь 8 напряжение-код преобразует с грубым шагом квантования по амплитуде Л г сигнал Н (t)-b/i-hj-i)- ft) в с.,щественные отсчеты j,| с шагом, минимальное значение которого &t 10 МКС. Величина A-t определяется суммой переходных процессов в управляемом делителе напряжений 2 измерительныхнключей, управляющих сеткой образцовых сопротивлений), в управляемом усилителе 4, в первом 3 и втором 5 блоках дискриминаторов уровней (определяется временем гашения(Измерительных усилителей, работающих в момент ко1 1парирования в peKHNle возбуждения), а также во втором преобразователе 8, который также содержит сетку параллельно работающих измерительных усилителей, работающих в момент компарирования в режиме возбуждения. При передаче отсчетов 2-ic,| выхода второго преобразователя 8 напряжение-код на вход третьего управляюще(го регистра 15 формируются сопровождающие импульсы , поступающие через первый вентиль 9 на первый ( вычитающий ) вход первого реверсивного счетчика 6, и +1 , поступающие с выхода второго вентиля 10 на первый ( суммирующий) вход второго реверсивного счетчика 7, масштабные коэффи циенты11;|1 и j в первый 13 и второй 14 управляющие регистры. Такое построение обеспечивает ослабление или усиление текущего размаха сигнала ( li) в следящем режиме за интервал времени дЬ, причем адаптация к выходу за граничные значения(с 2. ,. iV выполняется за интервал времени порядка 0,3u-i. Масштабные коэффициенты h.,; , hj-,) и отсчеты с первоготретьего управляющих регистров 1315 через первый блок шин 17 и пятый управляющий регистр 18 поступают с интервалом л. в память данных первой микроэвм i 20. В каждом цикле длительностью /л по программам, поступаювдм с памяти программ первой микроэвм 20, в ней вычисляются текущие оценки средних значений существенных отсчетов и их интервалов t по рекурентным алгоритмам«il .2 (г,.с-гй,-,) де-йе..,2 °(,., где щ , т. и йв и Дв - оденки текущих средних значений в п-м.цикле по множествам 2- , ; 2У-о - объем выборки отсчетов при усреднении, о п 5-14; --л5;., . На выходе второго преобразователя 8 напряжение-код формируются только существенные отсчеты в моменты , , когда сигнал z(t пере секает любой из уровней, равномерно распределенных с шагом лг по всему диапазону (f-i ,+е). Интервал дв,между существенными отсчетами z,-. , 2 с формируется с помощью первой микроэвм. 20. Разрядность кодов коэф фициентов 1i.j , и отсчетов г ° 4 бит каждый, а кодов интервалов Й0;с и среднего интервала де- - по 8 бит . Текущая оценка среднег значения т через пятый управляющий регистр 18, первый блок шин 17, четвертый управляющий регистр 16 поступает с,интервалом сглаживания порядк 50-100 ).л-ь . на вход преобразователя 11 код-напряжение, на выходе которог формируется сигнал 3- , поступающий на второй вход управляемого усилителя 4. Это обеспечивает эффективное использование рабочего диапазона управляемого усилителя 4, на выходе которого получается сигнал . где 7(-t - центрированный, предварительно масштабированный сигнал. Раз рядность оценок т 4 бит. Оценка dt«de- среднего интервала появления существенных отсчетов позво ляет косвенно контролировать текущее значение среднеквадратической часто.ты спектра квазистационарного сигнала x(t) и обеспечивает адаптивный выбор интервала рекуррентного усреднения Т 2 /ii«ae (50-100)гЛ1, , В памяти данных первой микроэвм 20 по программам экспресс-обработки размещают сообщение о грубых отсчетах и через седьмой управляющий регистр 21 передается в память данных второй микроэвм 22, где оно используется для вычисления нopми- вэнной функции спектральной плот по алгоритму Фурье-преобразованияt-rn-m S(jwlr;l- |(-t)cusujiat(3f-i-| (iui) rn JV i (Sinwiut dit гдё.Г :йЬЫг - ЧИСЛО отсчетов амплитуд функции спектральной плотности 5(ш). Поскольку точность вычисления оценок отсчетов функции плотности распределения W(i) зависит от точности равномерное расстановки по рабочему диапазону (-z,Zp) уровней кван тования по амплитуде с шагом , то первый преобразователь 12 напряжение-код должен алть времяимпульсного типа с фиксатором мгновенного значения сигнала f (t I на входе и иметь число уровней квантования не менее 2. Преобразователь 12 напряжение-код преобразует сигнгш z(-t) в точные отсчеты Z )-f с постоянным шагом , который в 5 раз более-превышает время преобразования во втором более грубом преобразователе 8 напряжение-код. Отсчеты Z- через шестой управляющий регистр 19 поступают в память данных третьей микроэвм 24, в которой вычисляются оценки Ю(,- функции И () плотности распределения tio амплитуде «к(.,т(5м,т)(-,т)(Ь.,т) . (1 (,,), ЙкСг -.т)- и Ь-1 - гекущие оценки отсчетов функции плотности распределения; к(1т) - вероятность попадания в интервал у-лг. . Для остальных отсчетов функции VV(i) В i -том цикле выполйяется процедура утечки, т.е. в алгоритме (3) значение ( 7 Р Вычисленная функция ч( помощью восьмого управляющего регистра 25 передается в память данных второй микроэвм 22, в которой вычисляют характеристическую функцию «S .(euz) , где . число отсчетов функции &(j), m 28. На основе Фурье-преобразования yнкции плотности распределения (2)V/(A7T-) алгоритмы (2) и 4)i вычисления 5()1о} и 6(j(j аналогичны, причем число отсчетов для обоих равно 2. Вычисленные функции 5(j,io), Q( j, i) через десятый управляющий регистр 26 поступают в память данных четвертой микроэвм 28, которой производится вычисление граничных параметров гибр и I . функций S(u) и e(jit) г при которых хвосты этих функций по уровню непревышают дг и Л, т.е. no,x(,), (аЧг|Ь т)т° эбеспечивает повышение точности оптилалъаого адаптивного выбора шагов точного квантования сигнала i(-t по амплитуде uZc, (.)и по времени n9o,J(. . С учетом того, что

(ДЛЯ алгоритмов вычисления моментных статистических характеристик важно сокращение времени адаптивного выбора интервала сглаживания , а также, что указанные гшгоритмы слабо критичны к точности контроля граничных параметров функций 5 (jw) и e(jj исследуемого сигнала z{i , в предложенном устройстве форг.-шруется экспресс-сообщение о грубых отсчетах э; Э форме кодов: b-ij, 2 .C5,J , ш .1ле-,с , хранящиеся в памяти данных первой МИКРОЭВМ: 20 и пеоедакядееся для дальнейшем обработки в память данных четвертой микроэвм 28. Точные отсчеты f Zi, хранятся в памяти данных третьей микроэвм 24.

С помощью четвертой микроэвм 28 также вычисляются оценки оптимального числа 0 (Л2д)- отсчетов различ ных (дифференциальной, интегральной, условной ) функций распределения по вероятности, а также оптимальный интервал Т,2 б с(«й рекуррентного усреднения при их вычислении по алгоритмам типа (3 ) , при этом т и Т запоминаются в дальнейших вычислениях

в адаптивном временном дискретиэаторе выбсф шага ибо выполняется прямо по , определяемой по вычисленной во второй микроэвм оценке спектра S(jf} входного сигнала, и определяется погрешностью вычисления хвоста спектра, т.е., в основном, числом циклов усреднения |Ц . При N 10, cf Цле.|-дб) порядка 2-о 0,1%, при этом инвариантна в отличие от известного устройства в виду распределения входного сигнала.

Выбсчр дбц по ffp в заявляемом устройстве обеспечивает возможность автоматического выбора шага по времени по задержке ЛСд flta / шага по

частоте 4-to,: j в алгоритмах восстановления сигнала вычисления корреляционной и спектральной функций сигнала. При этом обеспечивается погрешность от дискретизации порядка 0,1%.

Кроме того, в адаптивном дискретизаторе вычисление плотности распределения вероятности W(z) в третьей микро ВМ и на ее основе характеристической функции e(jif) во второй микроЭВМ позволяет вычислять граничный параметр 4 Zo( в четвертой микроЭВМ. Оценкадгд позволяет (аналогично оценке Лб.)) автоматически поддерживать составляющую погрешность от дискретизации по уровню и по вероятности для восстановления функций интегрального, дифференциального и условного распределений вероятностей.

Использование в предлагаемом устройстве автоматического выбора диапазона по амплитуде (1/15-15В) в соответствии с текущим размахом исследуемого сигнала в следящем режиме автоматическое центрирование процесса до усиления обеспечивает оптимальный выбор рабочего диапазона управляемого усилителя и первого и второго преобразователей напряжение-код, а также уменьшение общей погрешности адаптивного кодирования в 4-5 раз по сравнению с известным устройством.

Повышение быстродействия в заявляемом устройстве, по крайней мере, в 3 раза обеспечивается за счет сокращения числа участков пробных измерений до одного длительностью по времени .Распараллеливание операций вычисления оценок W(x) и 5(}) позволяет дополнительно сократить время выбора в 2,5 раза. Общий i выигрыш по быстродействию можно оценить, по крайней мере, в 7,5 раза.

Ifjt).