Устройство для дискретного преобразования Фурье Советский патент 1987 года по МПК G06F17/14 

дискретного преобразования Фурье и может быть использовано для предварительной обраб.отки информации в изме- рительных системах различного назначения .

Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет уменьшения динамического диапазона ю изменения входного сигнала АЦП и блока умножения, путем центрирования и детектирования этого сигнала, а также за счет одновременного устранения влияния дрейфа нулевого уровня всего устройства на конечный результат путем учета постоянной составляющей сигнала на его выходе.

На фиг,1 представлена схема устройства; на фиг.2 - блок управления; 20 на фиг.З - блок детектирования,

Устройстйо содержит информационный вход 1, вход 2 запуска, блок 3 вычитания, блок 4 управления с входакирует элементы Р1 39 и 4J . Цепи сбро са упомянутых триггеров на схемах не обозначены.

Устройство начинает работать с п..-- ступлением сигнала запуска на вход 2. По этому сигналу переключается триггер 28, деблокируя соответствующий вход элемента И 29. Одновременно эточ сигнал запуска в блоке 4 управления подтверждает исх одное состояние триггера 42 и сбрасывает в нулевое состой ние счетчики 45 и 46. После этого с 15 задержкой в элементе 47 переключается триггер 42, чем деблокируются элементы И 39 и 41.

Выходные коды счетчиков 45 и 46 блока 4 управления (выходы 6 и 7 блока) представляют собой адреса, по которым в генераторе 22 гармонических функций выбираются соответствующие значения дискрет весовых функций.При этом счетчик 46 формирует адрес номи и выходами 5-12, блок 13 детекти-п 25 мер) гармоники, а счетчик 45 - адреса рования с входами и выходами 14-19, (номера) дискретных значений синусной

и косинусной составляющих этой гармоники. Кодированные значения гармонических составляющих передаются в умниумножители 20 и 21, генератор 22 гармоничё ских функций с выходами 23 i

и 24, накапливающие сумматоры 25 и 26,

элемент 27 задержки, триггер 28, эле- 30 жители 20 (синусная составляющая)

мент И 29, регистр 30 кода, цифроана- и 21 (косинусная составляющая).

логовый преобразователь (ДАЛ) 31, При сбросе счетчиков 45 и 46 блоделитель 32, аналого-цифровые преоб- Ка 4 в нулевое состояние с выхода 24

разователи (ЛЦП) 33 и 34, выходы 35 генератора 22 на умножитель 21 подаи 36 синусной и косинусной составляю- 35 ется код нулевой дискреты косинусной

:щих, выход 37. синхронизации выдачи и выход 38 окончания вычислений./

Блок 4 управления ( фиг.2 ) содер- жит элемент И 39, одновибратор 40, элемент И 41, триггер 42, генератор 43 тактовых импульсов, элемент ИЛИ 44, счетчик 45 номеров значений весовых функций, счетчик 46 номеров весовых функций, элемент 47 задержки

40

составляющей нулевой гармоники (постоянной составляющей), а на вход умножителя 20 с выхода 23 генератора 22 подается нулевой код. На другие входы умножителей при этом поступает с выхода 15 блока 13 нецентрированньй процесс, детектируемый в блоке 13 следующрш образом. В зависимости от полярности сигнала на входе J4 бло, формирователь 48 импульсов и эле- 45 ка 13 по сигналу компаратора 60 че- мент ИЛИ 4-9,рез переключатель 50 подаётся на выБлок 13 детектирования (фиг.З) со- ход 1-5 блока сигнал с операционнрго держит (аналоговый) переключатель 50 усилителя 51, когда сигнал положи- (прямой и инверсный), операционные тельный, или с усилителя 52, когда усилители 51 и 52, узлы 53 и 54 срав- .50 сигнал на входе 14 блока отрицательнения, состоящие из элемента 55, элемента ИЛИ 56, элементов НЕ 57 и 58 и.элемента И 59,« компаратор 60 (по-, лярности входного сигнала).

Устройство работает следующим об- 55 всегда однополярным. Благодаря инверразом,

В исходном (статическом) состоянии, которое устройство принимает после подачи питания, триггер 28 блоки

0

кирует элементы Р1 39 и 4J . Цепи сбро са упомянутых триггеров на схемах не обозначены.

Устройство начинает работать с п..-- ступлением сигнала запуска на вход 2. По этому сигналу переключается триггер 28, деблокируя соответствующий вход элемента И 29. Одновременно эточ сигнал запуска в блоке 4 управления подтверждает исх одное состояние триггера 42 и сбрасывает в нулевое состой ние счетчики 45 и 46. После этого с 5 задержкой в элементе 47 переключается триггер 42, чем деблокируются элементы И 39 и 41.

Выходные коды счетчиков 45 и 46 блока 4 управления (выходы 6 и 7 блока) представляют собой адреса, по которым в генераторе 22 гармонических функций выбираются соответствующие значения дискрет весовых функций.При этом счетчик 46 формирует адрес ноческих составляющих передаются в умни35 ется код нулевой дискреты косинусной

40

составляющей нулевой гармоники (постоянной составляющей), а на вход умножителя 20 с выхода 23 генератора 22 подается нулевой код. На другие входы умножителей при этом поступает с выхода 15 блока 13 нецентрированньй процесс, детектируемый в блоке 13 следующрш образом. В зависимости от полярности сигнала на входе J4 блоный,

Усилитель 51 является неинвертирующим, а усилитель 52 - инвертирующим. Поэтому на выходе I5 сигнал является

тированию отрицательной части сигнала сжимается динамический диапазон уровней этого сигнала сч (-Uwa«.,(«.) до (О; +и«а«).

Для учета знаков при перемножении мгновенных значений входного процесса и соответствующих дискретных значений весовых функций в блоке J3 использованы узлы 53 и 54 сравнения совпадения знаков.На один из входов этих узлов поступает с компаратора 60 сигнал полярности процесса, а на другой из входов - знак весовой функции из генератора 22 гармонических функций. При этом в узел 54 сравнения поступает знак синусной составляющей, а в узел 53 сравнения - косинусной. На выходе каждого узла сравнения сиг- нал равен 1, если знаки процесса и весовой функции совпадают, и нулю в противном случае, что обеспечивается логической схемой на элементах 55-59

Определенные таким образом знак-и произведений мгновенных значений процесса и дискрет весовых функций, получаемых в умножителях 20 и 2J, учитывают при суммировавши этих произведений в накапливающих сумматорах 25 и 26 соответственно..

Так как исходньш нецентрированный процесс характеризуется широким динамическим диапазоном изменения сигналов, то на вход АЦП 34, определяю- щего нулевую гармонику, подают масштабно преобразованный сигнал. Масштабное преобразование осуществляют умножением в умножителе 21 мгновенных значений сигнала нецентрирован- ного процесса не на единичное дискретное значение нулевой гармоники, а на значение,.меньшее единицы, записанное в генераторе 22 в соответствую ющих ячейках. Это значение (коэффи- циент масштабного преобразования.) выбирают таким, чтобы максимальное значение нецентрированного процесса не вьш1ло за допускаемьй диапазон входных сигналов-АЦП.

С передачей первого тактового сигнала генератора 43 тактовых импульсов через деблокированный элемент И 41 запускаются оба АЦП 33 и 34.. Запуск АЦП благодаря элементу 47 за- держки в блоке. 4 задерживается относительно момента сброса счетчиков 45 и 46, на время, достаточное для выбора кодов весовых функций и установления сигналов на выходах умножите-i; лей 20 и 21 .

Коды с выхода АЦП 34 по сигнал:1и конца преобразования суммируются в сумматоре 26. Частоту запуска АЦП

и,тем самым, дискретизации процесса задают частотой генератора 43 в блоке 4 управления. Каждый сигнал конца преобразования АЦП 34 с временной задержкой в элементе 27, необходимой для суммирования кодов в суммат.оре 26 передается через вход 10 блока 4 управления и деблокированньш элемент И 39 этого блока на вход- счетчика 45 При этом на кодовом выходе счетчика устанавливается код адреса очередного дискретного значения весовой функции. При определении нулевой гармоники дискретные значения косинусной со- ставляюш,ей весовой функции, как было отмечено, остаются постоянными, и рав- ньми выбранному масштабному коэффициенту, а коды синусной составляющей соответствуют нулю.

По мере формирования тактовых сигналов и запусков АЦП происходит накопление содержимого счетчика 45,емкость которого равна числу дискрет весовых функций.

С завершением цикла преобразования произведения текущего мгновенного значения процесса на последнее дискретное значение весовой функции гармоники, в данном случае нулевой,счетчик 45 переполняется и сигнал на его выходе,, подключенном к выходу 11 блока, становится единичным. Этот сигнал деблокирует по соответствующему входу элемент И 29.

С завершением указанного цикла преобразования задержанный в элементе 27 сигнал конца эГого цикла преобразования через деблокированный элемент И 29 поступает на вход переписи регистра 30 и одновременно переключает триггер 28, нулевым выходным сигналом которого блокируется элемент И 29 на все последующее время, в течение которого определяются все остальные г армонические составляющие Сумма кодов, соответствуюш 1х нулевой I гармонике, с учетом смещения нулевого уровня устройства переписьшается из сумматора 26 в регистр 30. Этот код в ЦАП 31 преобразуется в эквивалентное выражение. С выхода делителя 32 снимается напряжение, соответствующее постоянной составляющей и нормированное с учетом объема выборки. Масштабное преобразование входных сигналов АЦП 34 можно также учесть с помощью делителя 32 или (и) выбором коэффициента преобразования ЦАП 31.

Выходное напряжение делителя 32 вычитается в блоке 3 вычитания из исходного процесса, который тем самым центрируется.

Одновременно с переписью кода нулевой составляющей в регистр 30 сиг- HajioM элемента 27 счетчик 45 переполняется. С изменением сигнала на выходе этого счетчика суммируется единица в счетчике 46 с его содержимым а также запускается одновибратор 40. Формируемый этим одновибратором сигнал определеннсгй длительности (допускаемой для считьшания кодов из сумматора) передается через выход 37 во внешнее устройство регистрации в качестве сигнала считывания содержимого накапливаюцих сумматоров 25 и 26. С завершением сигнала одновибратора 40 из заднего фронта этого сигнала фор- миройателем 48 вырабатывается импульс который через выход 8 блока управления передается в цепь сброса сумматора.

С поступлением каждого выходного сигнала переполнения счетчика 45 в счетчик 46 на кодовом в 1ходе последнего формируются коды соответствующих номеров (адресов) гармоникj а счетчик 45 переключается в исходное нулевое состояние. По кодам счетчиков 45 и 46 выбираются значения весовых функций и описанным вьппе образом определяются составляюпще всех гармоник.Си- повьшения точности, в него введены

нусные составляющие считывают с выхода 35 накапливающего сумматора 25, а косинусные составляиицие - с выхода 36 накапливающего сумматора 26. С переполнением счетчика 46 его выходным сигналом в исходное состояние переключается триггер 42 и тем самым блокируются элементы И 39 и-41. При этом блокируется передача тактовых сигна- лов и устройство прекращает свою работу. Единичный сигнал триггера 42, переданный через выход 12 блока управления на выход 38 устройства является признаком окончания определения всех гармонических составляющих процесса.

Фор I мула изобретения

триггер, элемент И, элемент задержк делитель, цифроаналоговый преобразо ватель, регистр кода, блок детектирования и блок вычитания, выход кот

40 рого подключен к первому входу блок

детектирования, информационный выхо которого подключен к вторым входам первого и второго умножителей, выхо ды знаков синуса и косинуса генерат

45 ра. гармонических функций подключены соответственно к второму и третьему входам блока детектирования, первый и второй выходы признаков детектиро вания которого подключены к входам

50 знака соответственно первого и втор го накапливающих сумматоров, седьмо выход блока управления подключен к первому входу элемента И, выход кот

рого подключен к тактовому входу ре1. Устройство для дискретного пре- gg гистра кода и первому установочному

входу триггера, выход которого подключен к второму входу элемента И, третий вход которого соединен с входом задания режима блока управления

образования Фурье, содержащее блок управления, генератор гармонических функций, первый и второй накапливающий сумматоры, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй умножители, выходы которых подключены к информационным входам

соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы конца преобразований и информационные выходы которых подключены соответственно к тактовым входам и информационным входам соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых яйляются выводами соответственно синусной и косинусной составляющих устройства,

входом запуска которого является вход запуска блока управления, первый и второй выходы которого подключены к входам синхронизации выдачи соответственно синуса и косинуса генератора

гармонических функций, выходы синуса и косинуса которого подключены к первым входам соответственно первого и второго умножителей, входы обнуления первого и второго накапливающих cyMr.j

маторов подключены к третьему выходу блока управления, четвертьй выход которого подключен к тактовьш входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, пятый выход которого является выходом синхронизации выдачи устройства, выходом окончания вычислений которого является шестой выход блока управления, отличающееся тем, что, с целью

повьшения точности, в него введены

триггер, элемент И, элемент задержки, делитель, цифроаналоговый преобразователь, регистр кода, блок детектирования и блок вычитания, выход кото40 рого подключен к первому входу блока

детектирования, информационный выход которого подключен к вторым входам первого и второго умножителей, выходы знаков синуса и косинуса генерато45 ра. гармонических функций подключены соответственно к второму и третьему входам блока детектирования, первый и второй выходы признаков детектирования которого подключены к входам

50 знака соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, седьмой выход блока управления подключен к первому входу элемента И, выход кото 1

и подключен к ныходу элемента задержки, вход которого подключен к пыходу окончания преобразования иторого циф- роаналогового преобразователя, выход второго накапливающего сумматора подключен к информационному входу регистра кода, выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к вхо- ду делителя, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого является информационным входом устройства, вход запуска которого подключен к второму тактовому входу триггера.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок детектирования содержит первый и второй узлы сравнения, переключатель, компаратор, первый и второй операционные усилители, выходы которых подключены соответственно к первому и второму информационным входам переключателя, управляющий вход которого соединен с первыми входами первого и второго уз- лбв сравнения, и подключены к выходу компаратора, вход которого соединен с входами первого и второго операционных усилителей и является первым входом блока, вторым и третьим входами которого являются вторые входы соответственно первого и второго узлов tpaBHeHHH, а выходы переключателя первого и второго узлов сравнения являются соответственно информационным выходом и первым и вторым выходами признаков дет ектирования блока.

7

5

0

5

.768

3. Устройство по п.1, о т л и - чающее с я тем, что блок управления сод.ержнт триггер, два элемента li, два элемента ИЛИ, два счетчика, элемент задержки, одновибратор, формирователь импульсов и генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, второй вход котарого соединен с первым входом второго элемента И и подключен к прямому выходу триггера, первый и второй установочные В1:оды которого подключень соответственно к выходу элемента задержки и ВЫХОДУ первого элемента ИЛИ, первый вход .которого соединен с входом элемента задержки, входами обнуления первого и второго счетчиков и первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен со счетным входом первого счетчика и подключен к выходу переноса второго счетчика, счетный вход которого подключен к выходу второго элемента И, выходами блока управления с первого по седьмой являются соответственно информационные выходы второго и первого счетчиков, второго элемента ИЛИ, выход первого элемента И, выход одновибратора, инверсный триггер и счетный выход .. второго счетчика, а входом запуска и входом задания режима блока управления являются соответственно вход элемента задержки и второй вход второго элемента И.

IPU2.2

Редактор В.Бугренкова

Составитель А.Баранов

Техред А.Кравчук Корректор А.Зимокосов

Заказ 6292/49Тираж 67J Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий J13035, Москва, Ж-35, Раушскан наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород, ул.Проектная,4

(риг.З

Изобретение относится к технике дискретного преобразования Фурье и может быть использовано для предварительной обраб отки информации в измерительных системах различного назначения. Цель изобретения - повьшение точности. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входит информационный вход 1, вход запуска 2, блок вычитания 3,блок управления 4 с входами и выходами 5-1 2, блок детектирования 13 с входами и выходами 14-19, умножители 20,21, генератор гармонических функций 22 с выходами 23,24, накапливающие сумматоры 25, 26, элемент задержки 27, триггер 28, элемент И 29, регистр кода 30, цифроаналоговый преобразователь 31, делитель 32,аналогоцифровые преобразователи 33,34, выходы синусной и косинусной составляющих 35,36, выход синхронизации выдачи 37, выход окончания вычислений 38. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. 36 САЭ О СД 05