Устройство для дискретного преобразования Фурье Советский патент 1985 года по МПК G06F17/14 

но первого и второго блоков памяти, выходы г-х разрядов которых подключены соответственно к первому и второму входам /-ГО элемента И третьей группы, вторые входы г-х элементов И первой и второй групп подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, первый установочный вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ,, первый вход которого соединен с тактовым входом распределителя импульсов и является первым входом генератора, второй установочный вход триггера

является вторым входом генератора, второй вход элемента ИЛИ и установочный вход распределителя импульсов которого соединены и являются третьим входом генератора, выходы (п + 1)-х разрядов соответственно первого и второго блоков постоянней памяти являются соответственно первым и вторым выходами генератора, выход первого элемента И второй группы которого является третьим выходом генератора, а выход /-ГО элемента И третьей группы является i-M выходом группы генератора.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, выход которого подключен к тактовому входу регистра сдвига, выход первого разряда которого подключен к входу синхронизации первого блока выборки, информационный вход которого является информационным входом устройства, второй вход первого элемента И подключен к выходу триггера, первый установочный вход которого подключен к выходу элемента задержки, вход которого является входом запуска устройства, генератор кодов, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности частотного анализа, в него введены первый и второй аналого-цифровые сумматоры, счетчик, второй элемент И, первый и второй элементы ИЛИ, формирователь импульса, второй и третий блоки выборки, операционный усилитель и масштабирующий потенциометр,, выход которого подключен к входу операционного усилителя, выход которого подключен к информационным входам второго и третьего блоков выборки, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго аналогоцифровых сумматоров, выходы которых являются соответственно выходами косинусной и синусной составляющих устройства, входы синхронизации второго и третьего блоков выборки подключены к выходам соответственно второго и четвертого разрядов регистра сдвига, выход третьего разряда которого подключен к выходу синхронизации первого аналого-цифрового сумматора, ввод обнуления которого соединен с входом обнуления второго аналого-цифрового сумматора, установочным входом счетчика, первым входом первого элемента ИЛИ, входом элемента задержки и первым входом второго элемента ИЛИ, первый, второй и третий выходы генератора кодов подключены соответственно к вторым входам первого и второго аналого-цифровых сумматоров и второму входу второго элемента И, выход второго элемента ИЛИ подключен к установочному входу регистра сдвига, выход пятого разряда р & которого подключен к входу синхронизации второго аналого-цифрового сумматора и пер(Л вому входу второго элемента И, выход которого подключен к второму входу первого элемента ИЛИ и счетному входу счетчика, выход переполнения которого подключен к второму установочному входу триггера, первый, второй и третий входы генератора кодов подключены соответственно к выходам пятого и третьего разрядов регистра сдвига 00 и выходу первого элемента ИЛИ, а выход ас шестого разряда регистра сдвига подключен ел к входу формирователя импульса, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, г-й выход (/ 17, п - разрядность) группы генератора подключен к г-му управляющему входу масштабирующего потенциометра. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор кодов содержит первый и второй блоки постоянной памяти, первую, вторую и третью группы элементов И, триггер, элемент ИЛИ и распределитель импульсов, выход (-го (L ГГТг; п - разрядность) разряда которого подключен к первым входам /-Х элементов И первой и второй групп, выходы которых подключены к входам i-x разрядов кода адреса соответствен

Изобретение относится к анализаторам частотяого спектра сигналов и может быть использовано для их спектрального представления в аппаратуре обработки данных.

Цель изобретения - повышение точности частотного анализа.

На фкг. 1 приведена схема устройства с одним к-м фильтром; на фиг. 2 - схема генератора кодов устройства; на фиг. 3 - схема аналого-цифрового сумматора устройства; на фиг. 4 - схема блока постоянной памяти генератора кодов; на фиг. 5 схема дешифратора аналого-цифрового блока суммирования.

На фиг. 1 обозначены информационный вход 1, блок 2 выборки (измеряемой величины), масштабирующий (цифровой) потенциометр 3, масштабируюш.ий резистор 4 в составе операционного усилителя 6, блоки выборки 6 и 7, генератор кодов 8 с первым 9, вторым 10 и третьим 11 входами, первым 12, вторым 13, третьим 14 выходами и 15 - кодовыми выходами, сумматоры 16 и 17, генератор тактовых импульсов 18, элемент И 19, регистр сдвига 20 с первого 21 по шестой 26 выходами и первым 27 и вторым 28 входами, триггер 29, элемент задержки 30, элементы ИЛИ 31 и 32, формирователь сигнала 33, элемент И 34, счетчик 35, вход 36 сигнала запуска, выходы 37 и 38 синусной и косинусной составляющих.

На фиг. 2 обозначены распределитель импульсов 39, блоки 40 и 41 постоянной памяти, триггер 42, элементы И 43, элементы ИЛИ 44.

На фиг. 3 обозначены однодекадный резистивный делитель 45 и источники 46 и 47 опорного напряжения от младщего до старщего п-го разряда соответственно, компараторы 48, коммутатор 49, цифроаналоговый преобразователь 50 п-1 старших разрядов кода в напряжение, регистр кода 51, блок ключей переписи кода 52, распределитель 53, дешифратор 54, тактовый генератор 55, первый и второй элементы временной задержки 56 и 57, первый и второй элементы И 58

и 59, элементы управления И 60, первый элемент ИЛИ 61, реверсивные счетчики 62, первый и второй триггеры 63, 64, 65, второй элемент ИЛИ 65.

На фиг. 4 обозначены ячейки памяти кодов весовых функций 66, ячейки памяти кодов знака 67, элементы И 68, элементы ИЛИ 69.

На фиг. 5 обозначены элементы ИЛИ 70, элементы И 71, элементы НЕ 72.

Устройство определяет синусную и косинусную составляющие гармоник разложения измеряемой величины в дискретный ряд Фурье в соответствии с известными выражениями

Л, 2х,.,

(1)

Я

2nik

х,

Вь

(2).

COS

К

где Aft, Bk - соответственно синусная и косинусная составляющие к-й гармоники;N - число выборок (дискрет);

5i - текущий номер выработки.

Устройство работает следующим образом. По внешнему сигналу запуска, поступившему на вход 36, устройство переключается в исходное состояние, в котором открывается первый выход 21 блока 20, в

0 генераторе 8 кодов (фиг. 2), в распределителе 39 на первом его выходе устанавливается единичное значение сигнала, а триггер 42 переключается в состояние, при котором деблокируются элементы И 43 в цепях считывания кодов первого блока 40 постоянной памяти, содержимое счетчика 35 устройства становится нулевым, в аналогоцифровых блоках 16 и 17 (см. фиг. 3) сбрасываются в нулевое состояние регистр 51 кода и реверсивные счетчики 62, триггер 64 переключается в положение, при котором деблокируются элементы И 60 управления в цепях прямого счета счетчиков 62, триггер 63 блокирует элемент И 58, коммутатор 49 подключает параллельно делителю 45 источник 47 опорного напряжения старшего разряда, а распределитель 53 подключает дешифратор 54 к входам ключей считывания блока 52 старшего разряда регистра 51. Внешний сигнал запуска (фиг. 1) с задержкой в элементе 30 переключает триггер 29, который деблокирует элемент И 19. Тактовые импульсы генератора 18 начинают поступать в блок 20. Первый появившийся на входе блока 20 тактовый импульс передается в блок 2 выборки и одновременно этим импульсом закрывается выход 21 и открывается выход 22. Тактовым импульсом стробируется блок 2 выборки и в этом блоке запоминается первое дискретное значение измеряемой величины х; хь которое передается на вход цифрового потенциометра 3, выполненного, например, по известной схеме R-2R, резисторы которой коммутируются аналоговыми ключами по сигналам кода. Напряжение UBUX на выходе потенциометра определяется в соответствии с выражением К„+к где - сопротивление масштабирующего резистора 4; R - входное сопротивление потенциометра;UBX- напряжение на выходе блока 2 выборки, т. е. на входе потенциометра;М - число разрядов двоичного кода; L; - значение -го разряда, равно нулю или единице. Можно записать, что 7/..,.. Г . S А . 2 . ивых с А1 i., / RHT-R ° Из этого выражения следует, что Увых изменяется в соответствии со значением кода Г В нашем случае необходимо, чтобы U было пропорцлонально произведению текущего значения UBX на текущие значения весовых функций sin - и cos -,, т. е. для t-й дикреты к-й гармоники 2/ - sm Аналогично для второй составляющей Из последних выражений для каждой из гармоник вычисляют N значений кодов L,-; синусоидальной и косинусоидальной весовых функций. Эти коды хранят в блоке постоян ной памяти генератора 8 кодов. Таким образом, по мере поступления кодов из генератора 8 на выходе цифрового потенциометра 3 появляются напряжения, значения которых пропорциональны текущим произведениям дискретных значений измеряемой величины X; на соответствующие значения весовых функций ((1) и (2)). В исходном состоянии генератор 8 выдает код, соответствующий первому из значений синусоидальной функции. Поэтому при появлении на выходе блока выборки 2 напряжения Хь на выходе потенциометра 3 устанавливается напряжение, пропорциональное произведению Х| на величину sin -. С поступлением второго тактового импульса генератора 18 этот импульс через открытый к этому моменту времени второй выход 22 блока 20 будет передан на вход блока 6 выборки. Тем самым в этом блоке выборки будет зафиксировано выходное напряжение потенциометра, переданное через операционный усилитель 5 (блок может представлять собой операционный усилитель с отрицательной обратной связью, в частности повторитель напряжения). Вторым тактовым импульсом в блоке 20 закроется второй выход, и откроется третий выход 23 этого блока. Третий тактовый импульс передается через открытый выход 23 блока 20 и запускает первый аналогоцифровой блок 16. В этом блоке кодируется выходное напряжение блока выборки 6 и полученный код суммируется с суммой кодов предыдущих значений сигналов блока выборки - 6 (в рассматриваемом первом цикле умножения - с нулевой суммой). Одновременно с запуском блока 16 тактовый импульс с выхода 23 блока 20 передается в генератор кодов, на выходах 15 которого теперь устанавливается код, соответствующий первому значению косинусоидальной функции. При этом аналоговые ключи цифрового потенциометра 3 переключаются и на его выходе устанавливается напряжение, пропорциональное произведению Х| на величину cos-. После установления этого напряжения п-м тактовым импульсом, переданным через предварительно открытый выход 24 блока 20, стробируется блок 7 выборки. Интервал времени между третьим и п-м тактовыми импульсами обеспечивает задержку, необходимую для установления упомянутого напряжения на

выходе потенциометра и блока согласования. Период этих импульсов задают в соответствии с временем установления выходного сигнала блока выборки. Одновременно со стробированием блока 7 выборки п-м тактовым импульсом закрывается выход 24 и открывается выход 25 блока 20. Очередным, п -|- 1-м тактовым импульсом, переданным через выход 25 блока 20, запускается блок 17, в котором выполняется кодирование и накопление кода произведения xi на величину cos- аналогично описанному выше для блока 16. Одновременно тактовый импульс передается в генератор кодов, на выходах 15 которого устанавливается теперь код, соответствующий второму значению синусоидальной функции. По этому коду выходное сопротивление потенциометра устанавливается пропорциональным величине sin - С задержкой на время переключения потенциометра блок 20 на предварительно открытом выходе 26 выдает импульс, которым после необходимого формирования в элементе 33 блок 20 переключается в исходное состояние, в котором открыт его первый выход 21. Упомянутая задержка достигается аналогично задержке в появлении импульсов на выходах 23 и 24 этого же блока 20.

Далее циклы получения дискретных значений X; их умножения на соответствующие значения весовых функций sin - и cos -, кодирования этих произведений и накопления текущих сумм для каждой из гармоник повторяются аналогично описанному выше.

Генератор 8 кодов (фиг. 2) в каждом к-м фильтре содержит два блока 40 и 41 постоянной па.мяти. В первом из них записа}1Ь коды, вычисленные по выражению (4), а во втором - вычисленные по выражению (5) для одной к-й гармоники. Коды в блок постоянной памяти (фиг. 4) записывают в виде М-f- 1-разрядных слов (М разрядов кода L,-; плюс 1 разряд знака в каждом слове). Каждое слово хранится в группе (строке) из М одноразрядных ячеек памяти 66 и одной такой ячейки 67 для знака. Для считывания кодов использованы строки элементов И 68.

Слова из каждого блока памяти выбираются последовательно по сигналам распределителя 39 (фиг. 2). В каждом цикле умножения текущего значения х/ из каждого блока памяти выбирают по одному соответствующему слову, сначала из блока памяти 40 () по тактовому импульсу, поступившему на вход 10 генератора кодов, а затем из блока памяти 41 по тактовому импульсу, поступившему на вход 11 генератора кодов. Эти тактовые импульсы пере ключают триггер 42. Таким образом сигналы с выхода распределителя 39 задают код, соответствующий г-му значению обеих весовых функций, а триггером 42 выбирается

сама весовая функция - синусная или косинусная.

Количество кодов (слов) в каждом блоке постоянной памяти равно N. Блоки выборки реализуют по известной схеме, содержащей ключ и последовательно соединенные интегратор и расширитель (элемент аналоговой памяти). Аналого-цифровой блок суммирования (фиг. 3) содержит кодирующую и накапливающую сумму кодов части и работает следующим образом.

Переключение элементов блока в исходное состояние по сигналу запуска всего устройства описано выше. Блок в каждом цикле работы устройства запускается тактовым импульсом блока 20. По этому импульсу коммутатором 49 параллельно делителю 45 подключается источник 47 старщего разряда; распределитель 33 устанавливается в первое положение, при котором код дешифратора 54 может быть считан в ячейки первого (старщего) разряда регистра 51; содержимое регистра 51 становится нулевым. При это.м на ступенях делителя 45 образуется ряд параллельных уровней напряжения (квантования) с шагом, равным . Напряжение блока выборки, поступившее на аналоговый вход блока суммирования, сравнивается в компараторах 48 с уровнями квантования. Число сработавщих компараторов, напряжение на измерительном входе которых превышает напряжение уровня квантования на их опорном входе, оказывается равным значению старшего разряда кода.

Единичный код компараторов преобразуется дешифратором 54 в старший разряд двоично-десятичного кода.

Тактовый импульс блока 20 с задержкой во времени в элементе 56; необходимой для формирования старшего разряда кода, переключает триггер 63, чем деблокируется элемент И 58. Первый появившийся после этого тактовый импульс генератора 55 поступает в блок 52 ключей для переписи кода первого (старшего) разряда цифрового эквивалента кодируемого произведения на соответствующее значение весовой функции. Код с выхода дешифратора через установленный в первое (исходное) положение распределитель 53 переписывается в ячейки старшего разряда регистра 51. Этот код преобразуется ЦАП 50 в эквивалентное напряжение, смещающее уровни напряжения на ступенях делителя.

0 Одновременно сигналы кода старшего разряда (тетрады) с выходов распределителя 53 через ключи считывания блока 52 передаются на входы соответствующих счетчиков 62 (к каждому выходу одного двоичного разряда блока 52 ключей считывания подсоединен отдельный счетчик), в которых происходит разрядное алгебраическое суммирование тетрад кода. Знак суммирования определяется сигналом генератора кодов, поступившим на соответствующий вход блока суммирования. Этот сигнал характеризует изменение знака весовой функции и отображается единичным значением. Поэтому каждое появление единичного сигнала знака приводит к переключению в блоке суммирования триггера 64, который блокирует или деблокирует соответствующие элементы И 60 в целях прямого и обратного счета счетчиков 62. С задержкой по времени в элементе 57, необходимой для переписи кода разряда в регистр 51, тактовый импульс генератора 51 в этом же такте переключает распределитель 52 в положение, при котором код после дешифратора можно записать в ячейки второго разряда регистра 51, а коммутатор - в положение, при котором вместо источника 57 старшего разряда к делителю подсоединяется источник соседнего младшего разряда, эквивалентного . Тем самым на ступенях делителя устанавливаются уровни напряжения с шагом, равным теперь 10, а каждый из уровней смещен на величину напряжения ЦАП, эквивалентную старшему разряду кода. К появлению второго тактового сигнала генератора 55 на выходах компараторов 48 оказывается сформирован единичный код второго П-1-ГО разряда. Далее операции определения последующих разрядов двоичнодесятичного кода-повторяются аналогично описанному выше. Интервалы тактирования задают периодом следования тактовых импульсов генератора 55, исходя из суммарного времени задержек времени, необходимого для установления сигналов кода на вь1ходах компараторов в такте. Задержка компараторов в первом такте кодирования учитывается элементом 56. По мере переписи тетрад разрядов кода проходит их алгебраическое суммирование в счетчиках 62. С переключением распределителя 53 в последнее положение, в котором на его выходах появляются сигналы кода младшего разряда, единичный сигнал, соответствующий этому положению, с выхода распределителя передается на вход элемента И 59. Поэтому текущий тактовый импульс, по которому в счетчики 62 младшей тетрады считывается код младшего разряда, происходит через элемент И 59 и элемент ИЛИ 65 и переключает триггер 63. Тем самым блокируется элемент И 58 и оканчивается цикл суммирования текущего произведения на соответствующее значение весовой функции. ЦАП должен преобразовывать только п-1 старших разрядов кода. Дешифратор (фиг. 5) преобразует единичный код компараторов в одну тетраду двоично-десятичного кода. Этот код позволяет по сравнению с единичным кодом уменьшить количество разрядов и соответственно весовых резисторов и ключей в ЦАП 50, а по сравнению с двоичным обойтись без суммирования в отедльном сумматоре двоичных кодов формируемых разрядов, так как суммирование тетрад двоично-десятичного кода сводится к сдвигу позиций, осушествляемому распределителем 51. Каждый цикл определения составляющих одной гармоники фиксируется по совпадению сигналов, появляющихся на выходе 12 генератора 8 кодов (признак считывани.я кода, соответствующего последнему значению косинусоидальной функции) и на выходе 25 блока 20 (запуск блока 17). Совпадение сигналов фиксирует элемент И 34, выходным сигналом которого, переданным через элемент ИЛИ 31, генератор кодов в каждом цикле переключается в исходное состояние. Количество циклов подсчитывает счетчик 35. После Р циклов выходным сигналом счетчика перек тючается триггер 29, блокируется передача тактовых импульсов через элемент И 19 и работа устройства заканчивается. По выходному сигналу счетчика 35 выполняется считывание кодов из аналого-цифровых блоков суммирования по шинам 37 и 38 во внешнее устройство, например, в процессор для вычисления комплексных коэффициентов гармоник. В счетчиках 62 аналого-цифровых блоков накапливаются суммы отдельных двоичных разрядов тетрад кода. Поэтому в процессоре программным путем должно выполняться преобразование сумм указанных двоичных разрядов в требуемый код, отображающий найденное значение составляющей гармоники. Например, преобразование в десятичный код выполняется в соответствии с выражением А ( + т§2 + т§2- + ) --- 10°+ ... + (mi2° -Ь + тз2 + ) Ш, где т, - содержимое /-го счетчика (/ 1,4) г-й тетрады (/ 1, п). Указанное преобразование выполняется независимо от работы предлагаемого устройства и поэтому не влияет на его быстродействие. Благодаря использованию счетчика 35 и рассмотренной организации многократного накоплен1 я гармонических составляющих в р раз увеличивается разрешающая по частоте способность фильтрации, так как X: Sin с/« 2,iK /, . 2У(Рк) где знаменатель аргумента синуса показывает разрешающую способность фильтрации в частотной области. Количество таких устройств (фильтров) равно числу анализируемых гармоник. При этом тактовый генератор 18, счетчик 35, элемент И 19 и 34, триггер 29, блок 20 (регистр сдвига), элементы ИЛИ 31 и 32,-формирователь 33 и элемент 30 являются общими для всех фильтров, а в блоки постоянной памяти генератора кодов каждого из фильтров записывают коды соответствующих значений весовых функций.

11

10

15 15

фиг. г

i

«J :э

8