Устройство для дискретного преобразования Фурье Советский патент 1986 года по МПК G06F17/14 

1

Изобретение относится к анализа- торам частотного спектра сигналов и может быть использовано для их спектрального представления в аппаратуре обработки данных.

Цель изобретения - повышение точности дискретного преобразования Фурье за счет увеличения верхней граничной частоты анализируемого спектра.

На фиг. 1 приведена схема устройства с одним К-м фильтром} на фиг.2- схема генератора тригонометрических функций; на фиг.З - схема блока управления суммированием} на фиг.4 - схема блока постоянной памяти генератора кодов.

Устройство содержит информационный вход 1, блок 2 выборки, цифро- налоговый преобразователь 3, состоящий из цифроуправляемого резистора 4 и операционного усилителя 5 с масштабирующим резистором, блоки и 7 выборки группы, генератор 8 ригонометрических функций с входаи 9-11 и выходами 12-15, аналого- ифровые преобразователи (АЦП) 16 17 группы, генератор 18 тактовых мпульсов, элемент И 19, регистр 20 сдвига с выходами 21 - 26 и входами 27 и 28, триггер 29, элементы 30 и 31 задержки, элемент ИЛИ 32, формирователь 33 импульса, элемент И 34, распределители 35 - 38 импульсов, блоки 39 и 40 управления суммированием, сумматоры 41 и 42, информационные выходы 43 и 44, вход 45 запуска, выход 46 сигнала конца формирования гармоник, распределитель 47, первьш 48 и второй 49 блоки постоянной памяти, триггер 50, элементы И 51, элементы ИЛИ 52, группа ключей 53,группа элементов 54 задержки, элементы И 55 первой группы, группа триггеров 56, группа триггеров 57 блокировки, элемент ИЛИ 58, группа элементов ШШ 59, элемент ИЛИ 60, триггер 61 знака, деблокирующий триггер 62, элементы И 63 второй группы элементы И 64 третьей группы, ячейки 65 памяти кодов весовых функций, ячейки 66 памяти кодов знака, элементы И 67, элементы ИЛИ 68.

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

223248

N . 2iuk . А, ,

iiiiK .

В Х| cos

N

0

5

0

где А и Ъ

N

-соответственно синусная и косинусная составляющие k-и гармоники;

-число выборок (диск- рет);

i - текущий номер выборки; Устройство работает следующим

5 образом.

По внешнему сигналу запуска,поступившему на шину 45,устройство переключается в исходное состояние, в котором открывается первый выход

0 21 регистра 20, в распределителе 47 генератора 8 на первом его выходе устанавливается единичное значение сигнала, а триггер 50 переключается в состояние, при котором деблокируштся элементы И 51 в цепях управления считьшанием кодов первого блока 48 постоянной памяти, в распределителях 35 - 38 (фиг. 1) деблокируются первые выходы, содержимое сумма0 торов 41 и 42 становится нулевым, а в блоках 39 и 40 управления (см. черт. 3i) в исходное состояние переключаются все триггеры. Внешний сигнал запуска с задержкой в элементе

c 30 переключает триггер 29, который деблокирует элемент И 19. Тактовые импульсы генератора 18 начинают поступать в регистр 20. Первый появившийся на входе регистра 20 тактовый импульс передается в блок 2 выборки,, и одновременно этим импульсом закрывается выход 21 и открывается выход 22. Тактовым импульсом строби- руется блoJк 2 выборки, и в этом блоке запоминается первое дискретное значение измеряемой величины Х(х, которое передается на вход преобразователя 3. Напряжение на выходе резистора 4 определяется в соответствии с выражением

RH и,

М-1

R + R

.O- J 1

(3)

СЗ)

55 где сопротивление масштабирумщего резистора;

R - входное сопротивление резистора 4-,

.

8hix

м L,31

напряжение на выходе блока 2

выборки;

число разрядов двоичного

кода;

значение j-ro разряда,равно

нулю или единице.

Можно записать,

де

бых

М-1

..

1

что

UBX л м- 1

(Ь)

С

RH

: Corvst

и

Из этого вьфажения следует, что изменяется в соответствии со ,j

чением кода LJ- -, В данном слуВых

еь,х

было проy: -

Т

чае необходимо, чтобы U порционально произведению текущего значения U на текзлцие значения ве сйвых функций sin- JbjJi и cos

„ NN

ДЛЯ 1-й дискреты к- -и гармоник

М-1

.J Ug iTTjK ; м ,--Sin

т.е.

или

L..1

J-0 М-1

И

J:O

2. -1

N

и

6Х

L 1 к и

- Sih

211 I К

N

СМ

Аналогично для второй составляющей М-1

-Cos

t5)

Из последних выражений для каждой из гармоник вычисляют значения кодов

1

; синусоидальной и косинусоидальной

весовых функций. Эти коды хранят в блоке постоянной памяти генератора 8,

Таким образом, по мере поступления кодов из генератора 8 на выходе резистора 4 появляются напряжения,значения которых пропорциональны текущим произведениям дискретных значений измеряемой величины X,-на соответству- клцие значения весовых функций. В исходном состоянии генератор 8 выдает код, соответствукнций первому значе- нию синусоидальной функции. Поэтому при появлении на выходе блока 2 выборки напряжения X на выходе резистора 4 устанавливается напряжение, пропорциональное произведению X.

на величину sin .

N

С поступлением второго тактового импульса с генератора 18 этот импульс через открытый к этому моменту времени второй выход 22 регистра 30 передается на вход распределителя 36 и далее через его первый де1

я й- ,

223248

блокированный выход на соответ ствую- щий вход блока 39 и одновременно на вход стробирования соответствующего блока 6 выборки. Тем в ,

5 блоке выборки фиксируется выходное напряжение резистора 4, переданное через блок 5.

Вторым тактовым импульсом в регистре 20 закрывается второй выход

10 и открывается третий выход 23 этого блока. Третий тактовый импульс передается через открытый выход 23 регистра 20 на вход распределителя 35 и далее через его первый деблокиро15 ванный выход запускает соответствую- пщй АЦП 16. При этом кодируется выходное напряжение блока 6 выборки. Одновременно с запуском АЦП тактовый импульс с выхода 23 регистра 20

20 передается в генератор 8, на выходах 15 которого устанавливается код, соответствующий первому значению косинусоидальной функции. При этом аналоговые ключи резистора 4 переклю25 чаются и на его выходе устанавливается напряжение, пропорциональное произведению Х, на величину cos « После установления этого напряжения п-й тактовый импульс передается

3Q через предварительно открытый выход 24 регистра 20 на вход распределителя 38 и далее через его первый деблокированный выход на вход стробирования соответствующего блока 7 выборки. Интервал времени между третьим и п-м тактовыми импульсами обеспечивает задержку, необходимую для установления напряжения на выходе блока 5 после переключения резистора 4. Период этих импульсов задают в соответствии с временем установле-- ния выходного сигнала блока выборки.

35

40

Одновременно со стробированием блока 7 выборки п-м тактовым импульсом закрывается выход 24 и открывается выход 25 регистра 20. Очередной (п+1)-й тактовый импульс передается через выход 25 регистра 20 на вход распределителя 37 и далее через его

первьй деблокированный выход запускает соответствукицнй АЦП 17. При этом кодируется напряжение соответствующего блока 7 выборки, пропорциональное произведению Х на величину

cos г-р-. Одновременно (п+1)-й тактовый импульс передается в генератор 8, на выходах 15 которого устанавливается код, соответствующий второму

значению синусоидальной функции. По этому коду выходное сопротивление

резистора 4 устанавливается пронор 2Пк циональным величине sin--.

С задержкой н§ время переключе чя резистора 4 регистр 20 на предварительно открытом выходе 26 выдает импульс, которым после необходимого формирования в элементе 33 регистр 20 переключается в исходное состояние (открыт его первьй выход 21),. Указанная задержка достигается аналогично задержке в появлении импульсов на выходах 23 и 24 регистра 20. В каждом распределителе 35 - 38 прохождение соответствующего тактового импульса сопровождается блокированием открытого выхода и деблокирование следующего.

Таким образом, к началу следующег цикла оказываются деблокированными одноименные выходы (позиции) этих распределителей. Далее циклы получения дискретных значений Х-, , их умножения на соответствующие значения весовых функций cos

NN

И кодирования этих произведении повторяются аналогичное Генератор 8 (фиг. 2) 3 кахедом К-м фильтре содер жит два блока 48 и 49 достоянной па- мятно В первом кз них записаны коды, вычисленные по выражению (4), а во втором - вычисленные по выражению (5) для одной к й гармоники. Коды в блок постоянной памяти записывают в виде (М+1)разрядных слов (М разрядов код плюс 1 разряд знака в каждом слове). Каждое сдово хранится в группе (строке) из М одноразрядных ячеек 65 па- мяти и одной такой ячейки 66 для знака. Для считьшания кодов использован строки элементов И 64. Слова из каждого блока памяти выбираются последовательно по сигналам распределите- ля 47.

В каждом цикле умножения текущего значения Xj из каждого блока памяти выбирают по одному соответствующему слову, сначала из блока 48 памяти (sin ) по тактовому импульсу, поступившему на вход 10 генератора 8, а затем из блока 49 памяти по такте- нему импульсу, поступившему на вход 11 генератора 8. Эти тактовые импуль сы переключают триггер 50. Таким образом сигналы с выхода распределителя 47 задают код, соответствующий

0

5

0

5

0 5 5

0 5

i-му значению обеих-весовых функций, а триггером 50 выбирается сама весовая функция - синусная или косинусная. Количество кодов (слов) в каждом блоке постоянной памяти равно N.

Широкополосчость блока 2 выборки измеряемой величины предопределяет достижимую верхнюю граничную частоту анализа и соответственно шаг л t дискретизации по времени измеряемого сигнала. Однако при этом шаг ftt должен выбираться с учетом быстродействия всех элементов устройства,прежде всего АЦП и сумматоров.

Предлагаемое техническое решение позволяет свести к минимуму зависимость шага дискретизации &t от быстродействия АЦП и сумматоров. Это достигается применением группы последовательно запускаемых по времени АЦП с блоками выборки, количество которых в каждой группе можно выбирать из условия

где время преобразования одного АЦП,

t - время передачи и суммирования в сумматоре кода одного АЦП.

Скобки в приведенном выражении указывают на то, что от суммы отбрасьшают дробную часть. Однако следующий АЦП с блоком выборки запускается в группе через интервал времени 2At, так как в одном цикле работы устройства определя;отся значения двух состав- . ляющихК -и гармоники. Поэтому количество АЦП с блоками выборки в группе выбирают с учетом шага дискретизации, равного 2ut. С увеличением времени преобразования одного АЦП увеличивают их количество в группе .

Таким образом, каждый АЦП с блоком выборки запускается в группе через интервал времени d 2ut. АЦЦ кодируют произведения мгновенных значений X,- измеряемой величины на текущие значения весовых функций в соответствии С выражениями (1) и (2), а алгебраическое суммирование кодов этих произведений с учетом знака осуществляется сумматорами 41 и 42. Коды в сум7

маторы .передаются последовательно в соответствии с позицией АЦП через блоки 39 и 40 управления.

Блок управления (фиг. 3) работает следующим образом.

Сигналы кодов АЦП передаются в сумматор через группу ключей 53, одноименные разряды которых объединены элементами ИЛИ 58 блока. Выходные шины кодов разрядов блока элементов ИЛИ 58 подсоединены к кодовому выходу блока управления. Коды в блок элементов ИЛИ 58 передаются только от одного АДП.

Формула изобре

В исходном состоянии триггером 62, 15 щим триггером 62 или 57. который управляется через соответствующие элементы 54 и 59 сигналом конца преобразования АЦП последней позиции в группе, деблокирован элемент И 55 в цепи сигнала конца преобразования АЦП первой позиции в группе.Все остальные элементы И 55 первой группы блокированы сигналами триггеров 57, а элементы И 64 - сигналами триггеров 56 и 57. Триггер 61 в исходном состоянии выдает сигнал, соответст25

вующий знаку плюс. В исходное состояние указанные элементы переключаются по сигналу сброса устройства, который передается в блоке через элементы ИЛИ 59. По сигналу конца преобразования АЦП первой позиции, переданному через деблокированный триггером 62 элемент И 55, выполняется считывание и передача кода этого АЦП в сумматор и одновременно переключается триггер 62 и блокируется указанный элемент И 55. Этот же сигнал, но с задержкой в элементе 54, необходимой для выполнения операций в сумматоре, переключает соответст- вукяций триггер 57, который, в свою очередь деблокирует связанный с ним элемент И 55 в цепи сигнала конца преобразования АЦП соседней позиции. По сигналу конца преобразования этого АЦП выполняется считывание его выходного кода и передача этого кода в сумматор. Далее процесс передачи кодов из АЦП в сумматор последовательно повторяется аналогично описанному с переключением триггеров 57 и блокированием элементов И 55.

Триггеры 56 запоминают сигналы, соответствующие изменениям знака алгебраического суммирования кодов АЦП. Эти сигналы через элемент ИЛИ 60 переключают триггер 61. Каждый триггер

Устройство для дискре

20 разования Фурье, содержа тор тактовых импульсов, рого подключен к первому вого элемента И, выход к ключен к тактовому входу сдвига, второй вход перв та И подключен к выходу первый установочный вход подключен к выходу перво та задержки, вход которо

30 входом запуска устройств тригонометрических функц пуска которого объединен первого элемента задержк вого разряда регистра сд

35 чен к входу синхронизаци борки, информационный вх является информационным ройства, выходы третьего разрядов регистра сдвига

40 соответственно к входу в нометрической функции к гармоники генератора три ких функций, отлича с я тем, что, с целью

45 точности, в него введены вый преобразователь., вто И, второй элемент задерж ИЛИ, формирователь импул распределителя импульсов

50 вторая группы аналого-ци образователей, первая и пы блоков выборки, первы блоки управления суммиро вый и второй сумматоры,

55 торых являются соответст и вторым информационными устройства, причем выход ки подключен к информаци

223248

56 соответствует одноименной позиции АЦП. Запоминание сигнала изменения | знака триггером 56 данной позиции происходит по совпадению в соответ- 5 ствующем элементе И 63 единичного сигнала смены знака на выходе 13 или 14 генератора 8 и единичного импульсного сигнала на выходе соответствующей позиции распределителей 36 и 10 38. Выходные сигналы триггеров 56 передаются через соответствующие элементы И 64, каждьй из которых деблокируется только при считывании кода АЦЦ данной позиции соответствуюФормула изобретения

триггером 62 или 57.

щим триггером 62 или 57.

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, второй вход первого элемента И подключен к выходу триггера, первый установочный вход которого подключен к выходу первого элемента задержки, вход которого является

входом запуска устройства, генератор тригонометрических функций, вход запуска которого объединен с входом первого элемента задержки, выход первого разряда регистра сдвига подключен к входу синхронизации блока вы - борки, информационный вход которого является информационным входом устройства, выходы третьего и пятого разрядов регистра сдвига подключены

соответственно к входу выбора тригонометрической функции к входу номера гармоники генератора тригонометрических функций, отличающее- с я тем, что, с целью повышения

точности, в него введены цифроанало- вый преобразователь., второй элемент И, второй элемент задержки, элемент ИЛИ, формирователь импульса, четыре распределителя импульсов, первая и

вторая группы аналого-цифровых преобразователей, первая и вторая группы блоков выборки, первый и второй блоки управления суммированием,первый и второй сумматоры, выходы которых являются соответственно первым и вторым информационными выходами устройства, причем выход блока выборки подключен к информационному входу

цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к информационным входам блоков выборки первой и второй групп, выход третьего разряда регистра сдвига подключен к тактовому входу первого распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соот- ветствуюпсих аналого-цифровых преобразователей первой группы, выход вто рого разряда регистра сдвига подключен к тактовому входу второго распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствукщих блоков выборки перво группы, выход пятого разряда регистр сдвига подключен к первому входу второго элемента И и тактовому входу третьего распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих аналого-цифровых преобразователей второй группы, выход четвертого разряда регистра сдвига подключен к тактовому входу четвертого распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих блоков выборки второй группы, выход шестого разряда регистра сдвиг подключен к входу формирователя импульса, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к установочному входу регистра сдвига, второй вход элемента ИЛИ объединен с входами обнуления первого и второго сумматоров, первого, второго, третьего и четвертого распределителей импульсов и является входом запуска устройства выход окончания формирования гармо- ник генератора тригонометрических функций подключен к второму входу второго элемента И, выход которого подключен к второму установочному входу триггера и входу второго элемента задержки, выход которого является выходом окончания вычислений устройства, при этом блок управления суммированием содержит группу элементов задержки, группу ключей, первую и вторую группы триггеров, первую, вторую и третью группы элементов И, группу элементов ИЛИ, первый и второй триггеры, первый и второй элементы ИЛИ, причем выход i-ro (i 1,N-1) элемента задержки подключен к первому установочному входу i-ro триггера первой группы, выход которого подключен к первому входу (i+1)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

го элемента И первой группы и первому входу (i+1)-ro элемента И третьей группы, выход которого подключен к (1+1)-му входу второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу синхронизации первого триггера,выход j-ro (,N) элемента И первой группы подключен к первому входу j-ro ключа группы и первому входу j-ro элемента ИЛИ группы, выход которого подключен к первому установочному входу j-ro триггера второй группы, выход которого подключен к второму входу j-ro элемента И третьей группы, выход j-ro элемента И второй группы подключен к второму установочному входу j-ro триггера второй группы, вьпсод (j + 1)-ro элемента ИЛИ группы подключен к второму установочному входу j-ro триггера первой группы, выход j-ro ключа группы подключен к j-му входу второго элемента ИЛИ, выход N-ro элемента задержки группы подключен к первому входу (N+1)-го элемента ИЛИ группы, выход которого подключен к первому установочному входу второго триггера, выход которого подключен к первым входам первых элементов И третьей и второй групп, выход первого элемента И первой группы подключен к второму установочному входу второго триггера, выход окончания преобразования j-ro аналого-цифрового преобразователя первой группы подключен к входу j-ro элемента задержки группы и второму входу j-ro элемента И первой группы первого блока управления суммированием, выход окончания преобразования , -j-го аналого-цифрового преобразователя второй группы подключен к входу J-го элемента задержки группы и второму входу j-го элемента И первой группы второго блока управления суммированием, информационные выходы j -X аналого-цифровых преобразователей первой и второй групп подключены к вторым входам ключей групп соответственно первого и второго блоков управления сзгммирова- нием, вьгходы первых элементов ИЛИ которых подключены к первым входам соответственно первого и второго сумматоров, выходы второго и третьего распределителей подключены к вторым входам соответствующих элементов И вторых групп соответственно первого и второго блоков управления суммированием, выходы первых тригге11

ров которых подключены к вторым входам соответственно первого и второго сумматоров, выходы знаков синуса и косинуса генератора тригонометрических функций подключены к вторым входам элементов И вторых групп соответственно первого и второго блоков управления суммированием, а вторые входы элементов ИЛИ групп и ус-

1223248

12

тановочные входы первых триггеров первого и второго блоков управления суммированием объединены и являются входом запуска устройства, а,выход значений функций генератора тригонометрических функций подключен к входу задания опорного напряжения цифроаналогового преобразовате - ля.

Изобретение относится к анализаторам частотного спектра сигналов и может быть использовано для их спектрального представления в аппаратуре обработки данных. Целью изобретения является повьшение точности дискретного преобразования Фурье за счет увеличения верхней граничной частоты анализируемого спектра. Устройство содержит блок выборки, управляемый потенциометр, генератор тригонометрических функций, операционный усилитель, четыре распределителя импульсов, две группы аналого-цифровых преобразователей, две группы блоков выборки, два блока управления суммированием, два сумматора, два элемента задержки, два элемента И, элемент ИЛИ, триггер, формирователь импульса, регистр сдвига и генератор тактовых импульсов. 4 ил. Q S (Л

68

63

- S7

гФ

га

Составитель А.Баранов Редактор В.Пётраш Техред Н.Бонкало Корректор Е.Сирохман

Заказ 1716/53 Тираж 671Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ШШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4