Устройство для определения энергии сигнала гауссовой формы Советский патент 1991 года по МПК G06K9/00 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение при разработке устройств для автоматизированной обработки низкочастотных пикообразных сигналов, приближающихся функцией нормального распределения Гаусса.

Цель изобретения - повышение точности устройства, i

На Лиг. 1 изображена блок-схема устройства; нз фиг. 2 - блок-схема арифметического блока; на фиг. 3 - временная диаграмма, поясняющая сущность процесса нахождения площади; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу блок-схемы устройства ,

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 определения экстремума сигнала, генератор 3 импульсов, ключ 4, счетчик 5, первый 6 и второй 7 ди Ьференци- аторы, компаратор 8, первый 9 и второй 10 формирователи импульсов, триггер 11 и арифметический блок 2, причем вход аналого-цифрового преобразователя 1 является входом устройства, который также соединен через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 дифференциаторы с входом компаратора 8t выход которого подключен к входам первого 9 и второго 10 Формирователей импульсов, выход первого 9 из них соединен с единичным входом триггера 11 и первым вхо-

Р

Јь СД

СО

-vj J

дом разрешения записи арифметического блока 12, подключенного входом синхронизации к выходу указателя экстремума 2, соединенного входом с вы- ходом аналого-цифрового преобразователя 1, второй вход разрешения записи арифметического блока 12 подключен к выходу второго формирователя 10 импульсов, соединенного также с нуле- вым входом RS-триггера 11, единичный выход которого подключен к управляющему входу ключа 4, соединенного информационным входом с выходом генератора 3 импульсов, а выходом - с входом счетчика 5, выход которого подключен к второму информационному входу арифметического блока 12, соединенного первым информационным входом с выходом аналого-цифрового преобра- зователя 1, а выход арифметического блока 12 является выходом устройства„

Арифметический блок 12 содержит первый 13, второй 14 и третий 15 вы- читатели, первый 16, второй 17 и тре- тий 18 умножители и элемент 19 сложения, причем информационные входы первого 12 и второго 14 вычитателей соединены с первым входом арифметического блока 12, второй информацион- ный вход которого соединен с информационными входами третьего вычитателя 15 и первого умножителя 16, первый управляющий вход третьего вычитателя 15 и вход управления умножителя 16, а также первый вход управления второго вычитателя 14 и второй вход управления первого вычитателя 13 подключен к входу синхронизации арифметического блока 12, соединенного первым входом разрешения записи с первым управляющим входом первого вычитателя 13, а вторым входом разрешения записи с управляющими входами второго 14 и третьего 15 вычитателей. Выход первого вычитателя 13 подключен ко второму входу второго умножителя 17, соединенного первым входом с выходом третьего вычнтателя 15, выход второго вычитателя подключен к второму информационному входу первого умножителя 16, соединенного выходом с первы входом элемента 19 сложения, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя 17, а выход элемента 19 сложения соединен с одним из входов третьего умножителя, на втором входе которого установлено постоянное значение, а выход третьего умножителя

ю 15 20„

1645977л

18 является выходом арифметического блока.

5

о

5

0

5

0

5

Все блоки, входящие в состав арифметического блока 12, выполняют соответствующие вычисления только при условии наличия на их информационных входах обоих операционных членов. На входах каждого блока имеется пара регистров, в которые записывается необходимая информация0 Причем разряды обоих регистров в третьем вычита- теле 15 соединены с соответствующими разрядами счетчика 5, а разряды обоих регистров первого 13 и второго 14 вычитателей подключены к выходам разрядов выходного регистра аналого-цифрового преобразователя 1. Запись производится при поступлении управляющих сигналов на входы управления, которые соединены с соответствующими входами записи соответствующих регистров с В первом умножителе 16 один из сомножителей записывается аналогичным образом с выхода счетчика 5, а второй поступает непосредственно в регистр на второй вход с выхода второго вычитателя 14. Операционные члены второго 17 и третьего 18 умножителей и элемента 19 сложения записываются во входные регистры непосредственно с выходов соответствующих блоков, т.е0 разряды обоихвходных регистров умножителей 17-19 и разряды входного регистра первого умножителя 16 непосредственно подключены к соответствующим выходным разрядам соответствующих операционных блоков. Таким образом, информация на входы умножителей 17, 18, 19 и на один из входов умножителя 16 поступает с выходов соответствующих арифметических блоков после окончания вычислений„

Сущность определения энергии сигнала или площади под кривой Гаусса в предлагаемом техническом решении поясняется на фиг. 3„ Как известно, для кривой нормального распределения Гаусса существует однозначная взаимосвязь между ее амплитудой К и среднеквадратичным отклонением Со (фиг.За). В частности, на уровне 0,607 Н ширина пика соответствует двум среднеквадратичным отклонениям 20. Следовательно, отрезок высоты пика h (фиг. За) составляет 0,393 Н (Н принимается за 1), таким образом, зная величину этого отрезка можно легко

определить полную соотношению:

высоту пика Н по

Н

h - 0,393

П ирина пика, ранная 2#, соответствует точкам перегиба-кривой Ь{Ь„ (Лиг. За)„ Значит, зная точки перегиба и максимум функции, можно найти величину отрезка высоты h, а затем всю высоту.

При наличии дрейфа базисной линии задача несколько усложняется (иг„3б) Отрезок находится следующим образом:

h IWFn;

н„-нп,+№;

Сй-СН-п-ь-Нп,)

a.+ Ga

Отсюда

-5lIiDi.ifi.SM . П им СГ, + СГг

В результате получают выражение для определения площади, Для учета асимметрии G заменяют на ((f,+(Т,)/2

яа Надм-Рг.,).

&h

0,786 де Н

)

иг

Н

«5L

G,Uуровень, соответствующий максимальной точке пика; уровень, соответствующий точке перегиба на восходящей ветви пика; уровень, соответствующий точке перегиба на нисходящей ретви пика;

среднеквадратичное отклонение левой половины пика (расстояние от точки перегиба п до высоты пика); среднеквадратичное отклонение правой половины пика (расстояние от высоты пика до точки перегиба п.).

Для определения действительной высоты пика Н нет необходимости опреде-. лять начальную и конечную точки пика. В предлагаемом техническом решении для нахождения точек перегиба используются двойное дифференцирование сигнала. Как известно, в точках перегиба вторая производная обращается в ноль.

1645977

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГ,,1Г-.

сигнала гауссовой фор; тз°т следующим .

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

В исходном i остоячин к,:юч U з&- перт, трчггер 11 находится в пул -ом состоянии Генератор импульсов 3 запускается вручную или автоматически при поступлении сигналя на вход устройства о Аналого-цифровой преобр- деятель 1 преобразует поступичтиг сипи в цифровую форму. Одновременно ана- логовм 1 сигнал (фиг. Ј,) ждьергаст двойном ди 5-4 еронцир -,ррн то в первом 6 и втором 7 дифференциатор (tfhr. uб,в/. Компаратор 8 срабЕ-гч..- вает на отрицательную волну си--и а (фиг. Аг), поступившего с выхо;тс тл- рого 7 дифференциатора,, При первой точки перегиба п, (фиг, мл) вторая производная обращается в нуль (точка n HI фиг о Ав), срабатывает компаратор 8, Лормиронатель 9 импульсов ка отрицательный перепад жения с выхода компаратора Ј Ф- рует импульс (фиг„ Ад). Эти:; чмпуль- сом триггер 11 переключаете. з единичное состояние, отпирается ключ 4, счетчик 5 начинает заполняться импульсами с выхода генератора имп-лнь- сов 3 „ Одь оьременно сигнал с выхода Формиропзтеля 9 п ступп. т ил рервьп- вход упраглении -1г1 .фмстнчег- ксго блока 1/„ Информация с вих.да аналого-цифрового лреобразоялтсля 1 поступает на перт-ый инфпрмат Ионный вход арифметического Глока 12 и одновременно на вход блока 2 определения экстремума сигнала. Сигнал о зафиксированном экстремуме с выхода последнего поступггт ла второй управляющий вход арифметического блока 12, на третий вход управ тения которого поступает сигнал с выхода второго Формирователя 10 импульсов (Фиг. 4с) в момент Фиксации второй точки перегиба п„ (фиг. Да). Вторая производная при si ом вновь обращается в нуль л на 1аг„ 4в), на голожительный перепад напряжения с выхода компаратора 8 формирователь 10 Лорнирует импульс, которым триггер 11 переводится в нулевое состояние, ключ 4 размыкается счетчик 5 прекралает заполняться. Код с выхода счетчика 5 поступает на второй информационный вход арифметического блока 12„ Рассмотрим подробнее работу арифметического блока 12„ i I

Арифметический блок 12 (фиг. 2)

вычисляет площадь пика. При поступлении сигнала с момента фиксации первой точки перегиба на первый вход разрешения записи вычислительного блока 12 содержимое выходного регист- pa аналого-цифрового преобразователя 1 переписывается во входной регистр (вход вычитаемого) первого вычитате- ля 13„ Поступившая кодовая комбинация соответствует уровню Н П( (на Лиг. 36) первой точки перегиба. Следующий управляющий сигнал поступает на вход синхронизации блока 12 в момент обнаружения максимума пика„ По этому сигналу содержимое счетчика 5, соответствующее среднеквадратичному отклонению левой половины пика (Gf , на Лиг о Зб) переписывается во вход-, ной регистр (вход вычитаемого) третьего 15 вычитателя и в один из вход- ных регистров первого умножителя 16. Одновременно с этим сигналом содержимое выходного регистра аналого-цифрового преобразователя 1,соответствующее уровню максимума сигнала Ни (на Фиг Зб) переписывается во входной регистр первого 13 и второго 14 вычитателей (входы уменьшаются). В первом 13 вычитателе в обоих входных регистрах которого записана информа- ция, осуществляется операция вычитания „ Полученный результат поступает на второй вход второго умножителя 17. На второй вход разрешения записи арифметического блока 12 поступает сигнал формирующийся в момент фиксации второй точки перегиба. По этому сигналу во второй входной регистр третьего вычитателя 15 записывается содержимое счетчика 5, соответствующее ннтер валу между точками перегиба (нафиг. 36) „ Одновременно во второй входной регистр второго вычитателя 14 (вход уменьшаемого) записывается содержимое выходного регистра аналого- цифрового преобразователя 1, соответствующее уровню второй точки перегиба Нп (на фиг. Зб)„ Во втором вычитателе 14 производится операция вычитания HyjuH. , а в третьем вычитателе 13 определяется значение среднеквадратич ного отклонения правой половины пика (СГ на фиг. Зб) путем вычитания значения среднеквадратичного отклонения

j 0 5 0 д с

0

левой половины пика из интервала между точками перегиба (G, -СТл) .

Результат вычитания с выхода второго вычитателя 14 поступает на второй вход первого умножителя 16, где умножается на G, , т.е„ ()(зс. Полученное значение поступает на первый вход элемента сложения 19. Во втором умножителе 17 производится операция умножения С„ ( ), а результат поступает на второй вход элемента сложения 19, где складывается с G, (НЙ(-Н п) с Результат сложения умножается в третьем умножителе 19 на постоянный коэффициент На выходе третьего умножителя получают значение площади пика„ Возврат схемы в исходное состояние, т„е. обнуление счетчика 5, может быть произведен задержанным сигналом с выхода второго Формирователя 10 импульса (цепь на схеме не показана) .

Изобретение позволяет повысить точность определения энергии сигнала гауссовой формы не только за счет учета асимметрии реальных пилообразных сигналов и дрейфа базисной линии, но и за счет исключения операции нахождения начальной и конечной точек пика, что является наиболее трудоемким при проектировании и создании устройств подобного типа о Достоинство устройства в простоте алгоритма вычисления площади, в простой технической реализации о Повышение точности с одновременным упрощением операции определения площадей пиков, приближающихся кривой нормального распределения Гаусса, повышает эффективность спектрального анализа, результатом которого являются сигналы подобного типа.

Формула изобретения

1 о Устройство для определения энергии сигнала гауссовой формы, содержащее аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен с входом блока определения экстремума сигнала, генератор импульсов, выход которого подключен к информационному входу ключа, соединенного управляющим входом с единичным выходом триггера, а выход ключа соединен с входом счетчика, отличающееся тем, что, с целью повышения

точности устройства, в него введены два дифференциатора, два Формирователя импульсов, компаратор и арифметический блок, причем вход первого дифференциатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход через второй дифференциатор с входом компаратора, подключенного выходом к входам формирователей импульсов, выход первого из которых соединен с первым входом разрешения записи арифметического блока и с единичным входом установки триггера, нулевой вход установки которого подключен к выходу второго формировател импульсов, соединенного также с вторым входом разрешения записи арифметического блока, вход синхронизации подключен к выходу блока определения экстремума сигнала, а первый и второй информационные входы соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя и с выходом счетчика соответственно, установочный вход и выход арифметического блока являются установочным входом и выходом устройства

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что арифмети- ческий блок содержит три вычитателя, три умножителя и элемент сложения, причем первый управляющий вход перво

0

5

0

0

5

го рычитателя являг.тя первым лхс гч разрешения записи арифметического блока, первые управляют. вгоды второго и третьего вьгчи ателеь, управляю4- щий вход первого умножителя и второй управляющий вход первого вычитателя объединены и являются входом синхронизации арифметического блока, информационные входы первого н второго вы- читателей объединены и являются первым информационным входом арифметического блока, вторым информационным входом которого является информационный вход третьего вычнтателя и первый информационны вход первого умножителя, вторые управляющие входы второго и третьего вычи-. агелей объединены и являются вторым входом разрешения записи арифметического блока, второй информационный вход первого умножителя соединен с выходом второго вычитателя, а выход - с первым входом элемента сложения, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя, соединенного первым и вторым входами с выходами первого и третьего вычита- телей соответственно, выход элемента сложения подключен к первому входу третьего умножителя, второй вход которого является установочным входом арифметического блока, а выход - выходом арифметического бпока„

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть применено для автоматизации обработки низкочастотных пикообраз- ньгх сигналов. Пелью изобретения является повышение точности устройства. Поставленная цель достигается тем, что II устройство, содержащее аналого- цифровой преобразователь, блок определения экстремума сигнала, генератор импульсов, ключ, дополнительно вводится два дифференциатора, пва формирователя импульсов, компаратор и арифметический блок. Арифметический блок содержит т;и вычитателя, три умножителя, элемент сложения. Учет асимметрии реальных пило браз- ных сигналов и их дрейфа позволяет повысить точность устройства 1 э.п. ф-лы, 4 ил (Л

Фиг. 1

r г

O Ш

-3- VD

WH