Цифровой анализатор частотных характеристик Советский патент 1984 года по МПК G01R23/16 

счетчика, выходом через третий блок анализа состояния счетчика соединен-ного с вторым входом четвертого элемента И, вход первого накапливающего сумматора соединен с первым входом четвертого накапливающего сумматора, второй вход которого соединен с вторым входом третьего накапливающего сумматора и входом первого элемента задержки, выход которого связан с третьим входом второго накапливающего сумматора и вторым входом второго счетчика, второй вход седьмого , элемента И подключен к выходу пятого элемента И, при этом первый вход первого элемента И связан с выходом вычислителя коэффициентов Фурье, а второй вход с выходом второго элемента заг держки и вторым входом блока устранения первого импульс а из последовательности.

ЦИФРОВОЙ АНАЖЗАТОР ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, содержащий вычислитель коэффициентов Фурье, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первьм и вторым выходами блока управления вход которого соединен с управляющим входом анализатора, преобразователь аналог - код, вход которого соединен с входом анализатора, управляющий вход соединен с вторым выходом блока управления, а выход - с входом вычисления коэффициентов Фурье и входом первого накапливающего сумматора, блок вычисления амплитуды и фазы гармоники, выход которого соединен с выходом анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности вычисления коэффициентов Фурье при исследовании сигналов, содержащих субгармоническую составляющую, и определения номера субгармоники, в него введены последовательно соединенные первый элемент И, второй накапливающий сумматор и второй элемент И, выход которого подключен к входу блока вычисления амплитуды и фазы гармоники, последовательно соединенные третий элемент И, третий накапливаюпр1Й сумматор, четвертый элемент И, первый блок сравнения кодов, пятый элемент И, первый элемент ИЛИ, первый элемент задержки и блок устранения первого импульса из последовательности, выход которого подключен к второму входу второго накапливающего сумматора, последовательно соединенные второй элемент задержки, первый счетчик, первый блок анализа состояния счетчика, и третий элемент задержки, выход которого соединен с вторым входом первого накапливающего сумматора, а вход - с первым входом третьего элемента И, второй вход (Л которого связан с выходом первого накапливающего сумматора, последос вательно соединенные четвертый накапливающий сумматор, шестой элемент И, второй блок сравнения кодов, второй элемент ИЛИ, второй счетчик и седьмой, элемент И, выход которого является выходом кода номера субгарto моники анализатора, а также второй о и третий блоки анализа состояния 1C счетчика и постоянное запоминающее сд ю устройство, вход которого подключен к выходу счетчика и через второй блок анализа состояния счетчика - к выходу анализатора и второму входу первого элемента ИЛИ, своим выходом подключенного к второму входу второго элемента И, выходы постоянного запоминающего устройства через соответствующие блоки сравнения подключены к вторьт входам пятого элемента И и второго элемента ИЛИ, выходы блока управления связаны с входами второго элемента задержки и первого

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано при эксперименталь ном определении частотных характерис тик динамических объектов, а также для измерения амплитуд и фаз отдельных гармоник..анализируемого сигнала, например, при виброиспытаниях объектов. Наиболее близким по технической Сущности к изобретению является цифровой анализатор последовательного действия, содержащий последовательно соединенные генератор эталонной частоты, делитель частоты, переключатель, шифратор, цифровое множительно устройство и первый реверсивный счет чик, последовательно соединенные с делителем частоты преобразователь код - аналог, блок управления, преоб разователь аналог - код, второе цифровое множительное устройство и вто-рой реверсивный выходной счетчик, вычислитель коэффициентов Фурье, соединенный с преобразователем аналог - код, третий реверсивный счетчик для определения постоянной составляющей, вход которого также связа с вторым входом второго множительного устройства, первый вход которого подключен к шифратору, связанному с блоком управления, а также содержи блок вычисления амплитуды и фазы гармоники l3 . Недостатком известного устройства является низкая точность при исследовании объектов, сигнал реакции ко- торых может содержать субгармоническую составляющую с неизвестным номером субгармоники. Так как при гармоническом анализе вычисление коэффициентов Фурье ве дется за время Т, равное периоду частоты возбуждения, то появление субгармоник приведет к искажению или полной потере информации о действительной структуре спектра сигнала. Целью изобретения является повышение точности вычисления коэффициентов Фурье при исследовании сигналов, содержащих субгармоническую составляющую, и определение номера субгармоники. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор частотных характеристик, содержа1ций вычислитель коэффициентов Фурье, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления,, вход которого соединен с управляюп им входом анализатора, преобразователь аналог - код, вход которого соединен с входом анализатора, управляющий вход соединен с вторым выходом блока управления, а выход - с входом вычислителя коэффициентов Фурье и входом первого накапливающего сумматора, блок вычисления амплитуды и фазы гармоники, выход которого соединен с выходом анализатора, введены последовательно соединенные первый элемент И, второй накапливающий сумматор и второй элемент И, выход которого подключен к входу блока вьгчисления амплитуды и фазы гармоники,

последовательно соединенные третий элемент И, третий накапливающий сумматор, четвёртый элемент И, первый блок сравнения кодов, пятый И, первый элемент ИЛИ, первый элемент задержки и блок устранения первого импульса из последовательности, выход которого подключен к второму входу второго накапливающего сумматора, последовательно соединенные второй элемент задержки, первый счетчик, первый блок анализа состояния счетчика, и третий элемент задержки, выход которого соединен с вторым входом первого накапливающе го сумматора, а вход - с первым входом третьего элемента И, второй вход которого связан с выходом первого накапливающего сумматора, последовательно соединенные четвертый накапливающий сумматор, шестой элемент И, второй блок сравнения кодов, второй элемент ИЛИ, второй счетчик и седьмо элемент И, выход которого является выходом кода номера субгармоники анализатора, а также второй и третий блоки анализа состояния счетчика и постоянное запоминающее устройство, вход которого подключен к выходу

счетчика и через второй блок анализа состояния счетчика - к выходу анализатора и второму входу первого элемента ИЛИ, своим выходом подключенного к второму входу второго элемента И, выходы постоянного запоминающего устройства через соответствующие блоки сравнения подключены к вторым входам пятого элемента И и второго элемента ИЛИ, выходы блока управления связаны с. входами второго элемента задержки и первого счетчика выходом через третий блок анализа состояния счетчика Соединенного с вторым входом четвертого элемента И, вход первого накапливающего сумматора соединен с первым входом четвертого накапливающего сумматора, второй вход которого соединен с вторым входом третьего накапливающего сумматора и входом первого элемента задержки, выход которого-связан с третьим входом второго накапливающего сумматора и вторым входом второго Ьчетчика, второй вход седьмого элемента И подключен к выходу пятого элемента И, при этом первый вход первог элемента И связан с выходом вычислителя коэффициентов Фурье, а второй

в.ход - с выходом второго элемента задержки и вторым входом блока устранения первого импульса из последовательности .

На чертеже представлена структурная электрическая схема цифрового анализатора частотных характеристик

Анализатор содержит последовательно соединенные блок 1 управления, преобразователь 2 аналог - код, вычислитель 3 коэффициентов Фурье, элемент НА, накапливающий сумматор 5,второй элемент И 6, последовательно соединеннь1е элемент И 7, накапливающий сумматор 8, элемент И 9, блок 10 сравнения кодов, элемент И 11, элемент И 12, последовательно соединенные элемент 13 задержки и накапливающий сумматор 14, блок 15 вычисления амплитуды и фазы гармоники, блок 16 устранения первого импульса из последовательности, включенный между элементом И 4 и накапливающим сумматором 5, элементы 17 и 18 задержки, подключенные к входу элементов И 12, постоянное запоминающее устройство 19, первый и второй элементы ИЛИ 20 и 21, блоки 22 - 24 анализа состояния счетчика, блок 25 сравнения кодов, подключенный к выходу элемента И 26, счетчики 27 и 28, подключенные к элементам 17 и 18 задержки соответственно, и накапливающий сумматор 29.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый сигнал, содержащий субгармоники, можно представить в виде

ilO--Cp a; i(

, . f 2ffK X ,5..),

()

где Ср - амплитуда субгармоники;

р - номер субгармоники; 6р - начальная фаза субгармоники, Для устранения влияния субгармоник необходимо расширять интервал анализа от Тд до mXg, где ,2,...р. Погрешности вычисления коэффициентов Фурье а„ и Ь в этслм случае определяются выражениями

гср-р . . /7 - /„V

) 2 . 2Cp. . 7 1 Qp). ( .7) и равняются нулю при . Такое расширение интервгша интегрирования с одной стороны приводит к резкому уменьшению быстродействия анализатора, а с другой - не позволяет определить наличие субгармоники и, как следствие, субгармонический резонанс. Для сохранения быстро действия необходимо в процессе вычисления а у, и bf определять наличие субгармоники и ее номера р, а предусмотреть средства уменьшения ее влияния на точность определения коэффициентов. С этой целью параллельно с вычис лением коэффициентов Фурье а и Ь, вычисляются оценки а и Ь. Оценки а и bjjвычисляются со сдвигом интервала суммирования на Tg/2 по формулам (приведен предельный случай - интегрирование) iTiTgTal2+ftiTe ao |iWa, i 1 в j10 J/ °Tgl2 и связаны с погрешностями ийЬ, соотношениями . . . .. r - . P Отсюда, задаваясь допустимой величи ной погрешности д А. вычисления коэффициентов Фурье, получают вьфажения для допустимых по модулю значений оценок )/ /г ( . (о, /ОО/ ОСАОЛ й олопИ-г,р /Ьо/- Ьс т-я тг р Если значение какой-либо из оце нок превышает заранее установленный допустимый уровень, то это дает информацию о наличии в анализируекаж сигналах значительного уровня субгармоники. В этом случае производит ся последовательное расширение интервала суммирования (интегрировани в предельном случае) от ,Те до тТ, где ,2...,р. При каждом увеличеНИИ интервала на Tg осуществляется вычисление новых оценок а и Ь и их сравнение с допустимьЕми значениями. Вычисления производятся до тех пор, пока при , в силу свойств ортогональности оценки не превышают допустимые значения. По значению m определяется номер субгармоники р. Анализируемый сигнал f(t) с объекта исследования подается на вход преобразователя 2 аналог - код, который преобразует мгновенные значения f(t) в N точках периода Т„ .cинycoидального сигнала возбуждения объекта в код и подает их в вычислитель 3 коэффициентов Фурье и в первый 14 и. четвертый 29 накапливающие сумматоры. Моменты преобразования f(t) в код задаются блоком 1 управления, который формирует последовательность коротких по длительности импульсов,, поступающих с его второго выхода с периодом следования Tg/N на управляющий вход преобразователя 2 аналог код. Эти же импульсы подаются на второй управляющий вход вычислителя 3 коэффи щентов Фурье и используются в качестве тактовых для его работы. Вход блока 1 управления является управляющим входом 30 анализатора, на который подается опорный синусоидальный сигнал, являющийся сигналом возбуждения объекта, период которого равен Т-. На первом выходе блока 1 управления формируются короткие по длительности импульсы, соответствующие началу и концу периода Tg, которые подаются на первый управляющий вход вычислителя 3 коэффициентов Фурье и служат для управления началом и концом вычисления коэффициентов. За каждый период Tg вычислитель 3 производит вычисление коэффициентов Фурье. По окончанию периода Tg по сигналу с первого выхода блока 1 управления производится форьдарование результатов вьпшсления а и Ь в виде кодов на выходе вычислителя 3 коэффициентов Фурье, затем, с некоторой задержкой DiiTg/N, задаваемой элементом 17 задержки, коды а и Ъ через эле- мент И 4 поступают во второй накапливггющий сумматор 5, а вычислитель 3 начинает вычисление коэффициентов а и Ьу для следующего периода Т. Одновременно с вычислением коэффициентов а и bf, в накапливающих 7 сумматорах 14 и 29 происходит получение оценок -irL«4i «тЕо Ь где K,K-N/2. Оценка Ь получается со сдвигом интервала суммирования на Тд/2 (сдвиг номеров отсчетов на N/2), что обеспечивается процессом сброса накапливающего сумматора 29. Управление процессами получения оценок а и Ьд и их сравнения с допустимыми значениями осуществляется при помощи счетчика 27. По началу (или концу) периода Т по сигналу : С первого выхода блока 1 управления поступающему через элемент 17 задержки на установочный вход счетчика 27, осуществляется сброс счетчика 27 в нулевое состояние. На вход счетчика 27, работающего в режиме суммирования, подаются импульсы с второго выхода блока 1 управления, следующие с периодом . Состояни сч. гчика 27 (код) анализируется дву ЬжЯ блоками 23 и 24 анализа состояни счетчика, подключенными к его выход Когда значение кода в счетчике 27 станет равным , на выходе блока 23 анализа состояния счетчика появляется сигнал, который сначала переписывает полученное в накапливающем сумматоре 14 значение кода, соответству1)щее величине а, через злемент И 7 в накапливаюп(ий сумматор 8, затем с задержкой CxTg/N, определяемой элементом 13 задержки сбрасывает накапливающий сумматор 14 в нулевое состояние, подготавливая его для получения оценки а для следующего периода Тд. Блок 24 анализа состояния счетчи ка вырабатывает импульс, когда код в счетчике 27 равен K N/2-1, т.е. если рассматривать два соседних периода TQ, то за это время на выходе блока 24 появляются два импульса, соответствующие серединам этих пери дов. Если накапливающий сумматор установился в нулевое состояние после появления первого импульса, т с приходом второго импульса в нем получается код, соответствующий оце 2 ке Ь, причем первым отсчетом, участвующим в получении оценки Ь, является отсчет с номером , а К изменяется в пределах О - (N-1). Таким образом, к моменту пояшения импульса на выходе блока 24 анализа состояния счетчика в накапливающих сумматорах 5 и 8 находятся соответственно коды коэффициентов а и bft и код оценки а,, полученные в предыдущем периоде, а в накапливающем сумматоре 29 одновременно находится код оценки Ьд. Поэтому по каждому выходному импульсу блока 24 коды оценок а и Ьд соответственно через элементы И 9 и 26 подаются на первые входы блоков 10 и 25 соответственно сравнения кодов, на вторые входы которых подаются с первого и второго выхода постоянного запоминающего устройства 19 коды, соответствующие допустимым по модулю значениям оценок Зд (га) и Ьодоп(п)(6) Если оба условия (6) выполняются, то на первых выходах блоков 10 и 25 сравнения кодов одновременно возникают сигналы, что приводит к появлению сигнала на выходе элемента И 11, который через элемент ИЛИ 20 производит сброс накапливающих сумматоров 8 и 29 в нулевое состояние, подготавливая их для получения оценок a,j и Ьд для следующих периодов Тд, передачу кодов коэффициентов а и bf, с выхода накапливающего сумматора 5 через элемент И 6 на вход блока 15 вычисления амплитуды и фазы гармоники, передачу кода, полученного к этому времени в счетчике 28, через элемент И 12 на выход, являющийся выходом кода номера субгармоники анализатора, затем с некоторой задержкой ,определяемой элементом 18 задержки, производит сброс в нулевое состояние накапливающего сумматора 5 и установку в исходное состояние блока 16 устранения первого импульса из последовательности и счетчика 28. Исходное состояние счетчика 28 код . Если хотя бы одно из условий (6) не выполняется, что говорит о наличии в анализируемом сигнале субгарМОНИКИ, то на одном либо на обоих вторых выходах блоков 10 и 25 одновременно при невыполнении двух условий (6) возникают сигналы, что приводит к появлению сигнала на выходе элемента ИЛИ 21 и отсутствию сигнала на выходе элемента И 11. Сигнал с вы хода элемента ИЛИ 21 подается на вхо счетчика 28, увеличивая его код тна 1. Счетчик 28 по управляющему входу постоянного запоминающего устройства 19 производит выборку новых значений кодов, соответствующих следующим (6) допустимым по модулю значениям оценок Задл|„() которые подаются на блоки 10 и 25 сравнения кодов для проверки условий (6) . При отсутствии сигнала на выходе элемента И 11 сброс накапливающих сумматоров 8 и 29 и счетчика 28 не происходит, поэтому ,в них последовательно накапливаются суммы, соответствующие оценкам а и Ьд , для m пери одов Т„, которые сравниваются последовательно с ) и Ьод(т), а в счетчике 28 накапливается значение га. Этот процесс продолжается до тех пор, пока при не выполняются условия(6). При этом сигнал с выхода элемента И 11 производит через элемент И 12 передачу кода соответствующего номеру присутствующей гармоники в анализируемом сигнале, на выхО|Ц, являющийся выходом кода номера субгармоники анализатора Повышение точности вычисления ко эффициентов а и Ь производится путем усреднения результатов вь чисЛенин коэффициентов за периодов Т„ в накапливающем сумматоре 5, Последовательное расщирение интерва ла вычисления коэффициентов до pTg позволяет использовать для получени усредненньк результатов а и Ь последовательное применение операций сложения и сдвига. Сдвиг результатов производится за счет работы блока 16 устранения первого импульса из последовательно ти. Если в ..иализируемом сигнале отсутствует субгармоника, то кавдый период Тд сигнала с выхода элемента И 1 1 через элемент ИЛИ 20 производится сначала передача кодов а, и Ь в блок 15, затеям с задер)ской (элемент 18 задержки) сброс накапливающего сумматора 5 в нулевое сос тояние и установка блока 16 в исход ное состояние, поэтому с приходом каждого импульса по концу Tg с бло- ка 1 управления на вход блока 16,. на его выходе не появляется импульс,. осуществляющий сдвиг результата в накапливающем сумматоре 5, так как при установке блока 16 в исходное состояние он исключает первый импульс из последовательности. При отсутствий сигнала с выхода элемента И 11 блок 16 в исходное состояние не устанавливается, а накапливающий сумматор 5 не сбрасывается, поэтому по приходу следующих импульсов с блока 1 управления в накапливающем сумматоре 5 производится сначала суммирование, а затем по сигналу с выхода блока 16 сдвиг результата. Этот процесс продолжается пока не появится сигнал с выхода элемента И 11 при , по которому точные значения кодов а и Ь передаются в блок 15, который о перирует-.с точными значениями кодов а и Ь и выдает на выход анализатора точные значения амплитуды и фазы гармоники. Если процесс расширения интервала суммирования в анализаторе не прекращается при заранее установленном значении , т.е. если условия (6) не выполняются то, очевидно, это дает информацию о присутствии в анализируемом сигнале либо постоянной составляющей, либо низкочастотной составляющей (например, помехи), природу которых необходимо выяснить дополнительными исследованиями. Для этого случая в анализаторе применяется блок 22 анализа состояния счетчика, подключенный к выходу счетчика 2В. Если в счетчике 2В значение кода станет равным + 1 , то на выходе блока 22 анализа состояния счетчика появляется сигнал, который через элемент ИЛИ 20 производит те же действия, что и сигнал с выхода элемента И 11, т.е. анализатор начинает вычисление коэффициентов . Этот же сигнал подается на выход сигнализации анализатора. В анализаторе не предусмотрена начальная установка сдвига получения оценок по времени на Tg/2,. так как этот сдвиг автоматически устакавливается самостоятельно максимум за периодов Tg после включения анализатора. Таким образом, введенные изменения позволяют noBbictfrb точность вычисления коэффициентов при исследовании объектов, сигнал реакции которьлх содержит субгармоническую составляющую, и определить номер субгармоники, что выгодно отличает предлагаемый анализатор от анализаТоров подобного типа.