Устройство для определения частоты Советский патент 1991 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к технике дискретного спектрального анализа и может применяться в измерительной технике, электросвязи, радиолокации.

Целью изобретения является расширение диапазона однозначного определения частоту

На фиг.1-3 представлены структурные схемы устройства для определения частоты и входящих в него блоков; на фиг.4 - частотные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для определения частоты. (фиг.1) содержит вход 1, входные блоки 2-5 каналов 6-9 вычисления спектральных составляющих, при этом входные блоки 2 и 3 включают также фильтры 10 нижних частот, а входные блоки 2-5 группы по m (,2,3,,,) полосовых фильтров 11 и сумматор 12. Первый и второй выходы тактового генератора 13 соединены соответственно с управляющими входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) каналов 6 и 8 и каналов 7 и 9, при этом каждый из каналов 6-9 вычисления спектральных составляющих состоит из последовательно включенных аналого-цифрового преобразователя 1 , влока 15 дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и блока 16 выделения номера максимальной спектральной составляющей, выход которого является выходом канала. Выходы каналов 6-9 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому информационным входам блока-17 селекции, выход которого через блок 18 определения частоты соединен с выходом 19 устройства, ВХОДЫ фИЛЬТрОВ 10 и полосовых фильтров 11 входных блоков 2-5 объединеО

о

00

со о

ны между собой и входом устройства, а их выходы подключены к входам соответствующего сумматора 12,выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя соответствующего из каналов 6-9. Пятый управляющий вход блока 17 селекции подключен к первому выходу тактового генератора 13.

Блок 17 селекции (фиг,2) содержит первый 20, третий 21 информационные входы, пятый 22 управляющий, второй 23 и четвертый 24 информационные входы, блоки 25- 27 сравнения, блоки 28-29 элементов И, управляющий вход 30, блок 27 сравнения, блоки 31-32 элементов И, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) 33-36, блоки 37-40 элементов ИЛИ, делитель 41 частоты и элементы 42-43 задержки.

Первый информационный вход 20 блока 17 селекции подключен к первому входу блока 28 и к первому входу блока 25 сравнения, третий информационный вход 21 блока 17 селекции объединен с вторым входом блока 25 сравнения и с первым входом блока 29, второй информационный вход 23 блока 17 селекции подключен к первому входу блока 31 и первому входу блока 26 сравнения, четвертый информационный вход 24 блока 17 селекции объединен с вторым входом блока 26 сравнения и первым входом блока 32, пятый управляющий вход 22 блока 17 селекции подключен к входу делителя 41 частоты, выход которого объединен с управляющими входами блоков 25-26 сравнения и входом элемента 42 задержки. Выход элемента 42 задержки соединен с управляющим входом блока 27 сравнения и входом элемента 43 задержки, выходом которого является восьмой вход 44 выходной шины 45 блока 17 селекции, Первый выход блока

25сравнения соединен с вторым входом блока 28 и через вход чтения ПЗУ 33 - с

первым входом блока 37, выход 46 которого является первым входом выходной шины 45. Второй выход блока 25 сравнения соединен с вторым входом блока 29 и через вход чтения ПЗУ 34 - с вторым входом блока

37.Первый выход блока 26 сравнения соединен с вторым входом блока 31 и через вход чтения ПЗУ 35 - с первым входом блока

38,выход 47 которого является вторым входом выходной шины 45. Второй выход блока

26сравнения соединен с вторым входом блока 32 и через вход чтения ПЗУ 36 - с вторым входом блока 38. Выходы блоков 28-29 подключены к входам блока 39, выходы которого объединены с первым входом блока 27 сравнения и с третьим входом 48 выходной шины 45. Выходы блоков 31-32 подключены к первому и второму входам

блока 40, выход которого объединен с вторым входом блока 27 сравнения и с четвертым входом 49 выходной шины 45.Первый 50, второй 51 и третий 52 выходы блока 27

сравнения являются пятым, шестым и седьмым входами соответственно выходной шины 45 блока 17 селекции.

Блок 18 определения частоты (фиг.З) содержит входную шину 45, усилитель-передатчик 53, шины 54-55 подключения к шинам данных, управления и адреса вычислителя 57 соответственно, буферный регистр 58, триггер 59 синхронизации, элемент И бО.элемент 61 задержки, дешифратор 62, инверторы 63-65, последовательно соединенные элемент 66 задержки и усилитель-формирователь 67, выход которого соединен через шину 55 с вычислителем 57. Шина 56 подключена к входу дешифратора 62, а шина 54 - к выходу усилителя 53 и выходу 19 блока 18 определения частоты. Кроме того, через шину 55 вычислитель 57 соединен с входами инверторов 63-65, выходы которых подключены к первому второму и третьему входам элемента И 60. Выход элемента И 60 подключен к управляющему входу усилителя-передатчика 53 и входу элемента задержки. Выход элемента 61 задержки подключен к входу установки R триггера

59, выход которого соединен с четвертым входом элемента И 60, при этом к пятому входу элемента И 60 подключен выход дешифратора 62. Выходы инверторов 65 и 64 подсоединены соответственно к входу элемента 66 задержки и входу установки D триггера 59, на синхровход С которого подключен выход 44 входной шины 45. Выходы 46-52 шины 45 подключены на вход буферного регистра 58, выход которого соединен

с информационным входом усилителя-передатчика 53.

Принцип работы устройства для определения частоты основан на том, что дискрети- зированное высокочастотное колебание fi

частотой PF± f (,2,3..., F -частота дискретизации) на выходе АЦП имеетчастоту f. Это позволяет осуществить перенос высокочастотных колебаний fi в область более низких частот f, а именно высокочастотные колебания, лежащие в одном

изпределовотРРдоРР40,5Р,перенссятсяоднозначно в область частоты от 0 до 0,5 F.

Если указанное явление рассматривать не относительно частот f 1 и f, а относительно номеров спектральных отсчетов М-точечного ДПФ, то можно сказать, что номера отсчетов К/, лежащие в пределах от PN до PN ± 0,5N, переносятся однозначно в область номеров K j от 0 до у (здесь учтено,

что частоте F соответствует N спектральных отсчетов ДПФ). Переход к истинным номерам Ki осуществляется путем анализа значений Ki и К2 для N-точечного и (М-1}-точечного ДПФ.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый сигнал, представляющий собой гармоническое колебание частотой f0 (фиг.2а), поступает на вход 1 устройства. Этот сигнал проходит через один из фильтров 10 и 11 (фиг.26) входных блоков 2 и 4 и через сумматор 12 поступает на вход одного из АЦП 14 каналов 6 и 8 вычисления спектральных составляющих. Продискретизиро- ванный сигнал подается на вход блока 15 ДПФ, с выхода которого N-точечный дискретный спектр поступает на вход блока 16 выделения номера максимальной спектральной составляющей. Выделенный номер (значение Ki) поступает на вход 20 или 21 блока 17 селекции. Аналогичным образом исследуемый сигнал проходит через один из фильтров входных блоков 3 и 5 и соответствующие каналы 7 и 9 вычисления спектральных составляющих. Разница лишь в том, что в этом случае получают (М-1)-точеч- ный дискретный спектр, а выделенный номер максимальной спектральной составляющей (значение К2) поступает на вход 23 или 24 блока 17 селекции. N-точечное и (Ы)-точечное ДПФ на одной и той же реализации исследуемого сигнала обеспечивается за счет различной тактовой частоты тактового генератора 13 по первому и второму выходам.

Блок 17 селекции производит сравнение значений Ki, приходящих с входов 20 или 21 каналов 6 и 7 вычисления спектральных составляющих, со значением «2, приходящих с входов 23 или 24 каналов 7 и 9 соответственно выделяет их и номера каналов, по которым они пришли, сравнивает величины Ki и Ка, формирует один из трех сигналов сравнения (Ki К2, Кч К2 или Кг К2) и синхросигнал передачи данных в блок 18 определения частоты. Вся эта информация поступает на вход блока 18 определения частоты.|

При определении частоты используются два каких-либо канала из четырех каналов 6 и 7, 8 и 9 вычисления спектральных составляющих. Полосы пропускания четырех групп фильтров, соответствующих этим каналам, показаны на фиг.4б, в, г, д,

Работу блока 17 селекции можно рассмотреть для первого случая, когда сигнал проходит по каналам 6 и 7 (фиг.4), Итак, сигнал проходит по частотным каналам 6 и 7. Причем Ki 2, а Ка 1. Значение этих

величин соответственного поступают одновре- менно на первые входы блоков 25-26 сравнения, на вторые входы которых поступят значения-Ki 0 и 0, так как фильтры 11 5 входных блоков 4-5 сигнал определяемой частоты f0 не пропустят. Синхроимпульс с первого выхода тактового генератора 13 поступает на делитель 41 частоты (коэффициент деления которого равен (N+1)), с выхода

0 которого синхроимпульс подается на третьи входы блока 25-26 сравнения, которые выдают соответствующий результат сравнения сигнала, в нашем случае сигнал поступите первого выхода блока 25 на вход

5 блока 28 элементов И и вход чтения ПЗУ 33, а также с первого выхода блока 26 сравнения на вход блока 31 элементов И и вход чтения ПЗУ 35. При этом значение Ki 2 пройдет через блок 28 элементов И на блок

0 39 и далее на вход 48 выходной шины 45 блока 17 селекции, а код номера канала, равный двум, пройдет с выхода ПЗУ 33 через блок 37 и далее поступит на вход 46 выходной шины 45.

5 Значение поступит при этом через блок 31 элементов И на блок 40 и далее на вход 49 выходной шины 45 блока 17 селекции, а код номера канала, равный единице, с выхода ПЗУ 35 через блок 38 поступает на

0 вход47зыходной шины 45. Кроме того, коды KI и К2 поступают одновременно на соответствующие входы блока 27 сравнения, который по синхроимпульсу, задержанному на элементе 42 на время срабатывания блоков

5 25-26 сравнения, выдаст сигнал сравнения (Ki К2), на вход 50 выходной шины 45 и синхросигнал передачи данных в блок 18 определения частоты НУ вход 44 выходной шины 45 блока 17 селекции.

0 Таким образом, блок 17 селекции выделяет непосредственно сами значения Ki и К2, номера каналов (1,2,3 или 4), сигнал сравнения их (Ki К2) по выходу 50, Ki К2 по выходу 51 и Ki К2 по выходу 52 и синхро5 сигнал передачи данных в блок 18 определения частоты.

Для второго случая, когда сигнал приходит, по каналам 6 и 9, работа блока 17селек- ции будет аналогична первому случаю, за

0 исключением того, что на выход 49 выходной шины 45 поступит значение К2 с выхода блока 32 элемента И через блок 40, а номер канала, равный четырем, с выхода ПЗУ 36 через блок 38 поступит на вход 47 выходной

5 шины 45.

Для третьего случая, когда сигнал проходит по каналам 8 и 7, работа блока 17 селекции будет аналогична первому случаю, за исключением того, что на вход 48 выходной шины 45 поступит значение Кч с выхода

блока 29 элементов И через блок 39, а номер канала, равный трем, с выхода ПЗУ 34 через блок 37 поступит на вход 46 выходной шины 45.

Для четвертого случая, когда сигнал проходит по каналам 8 и 9, работа блока 17 селекции аналогична предыдущему случаю с той лишь разницей, что на вход 49 выходной шины 45 поступит значение К2 с выхода блока 32 элементов И через блок 40, а номер канала, равный четырем, с ПЗУ 36 через блок 38 поступит на вход 47 выходной шины 45.

Блок 18 определения частоты работает следующим образом.

Выделенный номер Ki максимальной спектральной составляющей по шине 48 и номер К2 максимальной спектральной составляющей по шине 49 поступают на вход буферного регистра 58, Кроме того, на буферный регистр 58 по шинам 46 и 47 поступают цифровые коды номеров каналов, сформировавших Ki и К2 соответственно, код соотношения между Ki и «2 (Kt К2 по шине 50, Ki К2 по шине 51 и Ki К2 по шине 52). Сигнал загрузки (разрешающий потенциал) формируется триггером 59 по сигналу синхронизации, поступающему по шине 44 на С-вход и устанавливающему высокий потенциал на выходе триггера 59. Последний поступает на вход элемента И 60 и разрешает его работу. Операция обмена с вычислителем 57 начинается с того, что по шине 55 управления поступают сигналы У0 У1 0, которые разрешают работу элементу И 60. Адрес нашего устройства (регистра 58) поступает на шину 56 и с помощью де- шифратора 62 преобразует в код, который инициирует сигнал разрешения работы элементу И 60. После поступления от вычисли- теля57 сигнала СхЗ, элемент И 60 пропускает его и открывает усилитель-пере- датчик 53 и информация с буферного регистра 58 по шине 54 поступает в вычислитель .57. Этот же сигнал СХ3 после прохождения через элемент 66 задержки и усилитель- формирователь 67 поступает на вход готов- ности вычислителя 57. Сигнал с выхода элемента И 60, через элемент задержки 61 (время задержки определяется временем передачи и обработки данных в вычислителе 57) обнуляет триггер 59, приводя блок 19 в исходное состояние. Вычислитель 57 обрабатывает данные согласно представленного таблицей алгоритма и выдает по шине 54 на выход 19 значение f0.

Таким образом, введение четырех групп по m (m 1,2,3...) полосовых фильтров, четырех блоков элементов ИЛИ, третьего и четвертого каналов вычисления спектральных составляющих, а также блока селекции с соответствующими связями, позволило расширить диапазон однозначного определения частоты в 2(N-1) раз по сравнению с известными решениями.

Формула изобретения

1.Устройство для определения частоты, содержащее блок определения частоты, выход которого является выходом устройства, тактовый генератор, а также первый и второй каналы вычисления спектральных составляющих, каждый из которых состоит из последовательно соединенных аналого- цифрового преобразователя, блока дискретного преобразования Фурье и блока выделения номера максимальной спектральной составляющей, причем первый и второй выходы тактового генератора подключены соответственно к управляющим входам аналого-цифровых преобразователей первого и второго каналов вычисления спектральных составляющих, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона определения частоты, в него дополнительно введены блок селекции, третий и четвертый каналы вычисления спектральных составляющих, а также первый, второй, третий и четвертый входные блоки, каждый из которых содержит по m (nrl 1,2,3...) полосовых фильтров с объединенными входами и сумматор, подключенный своими входами к выходам m полосовых фильтров, причем входы всех полосовых фильтров объединены с входом устройства, а выходы сумматоров первого, второго, треть-era и четвертого входных блоков соединены с входами аналого-цифровых преобразователей соответствующих каналов вычисления спектральных составляющих, выходы которых подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому информационным входам блока селекции, первый и второй выходы тактового генератора соединены соответственно с управляющими входами аналого-цифровых преобразователей третьего и четвертого каналов вычисления спектральных составляющих, пятый управляющий вход блока селекции подключен к первому выходу тактового генератора, а выход блока селекции - к входу блока определения частоты.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что блок селекции содержит три блока сравнения, четыре блока элементов И, четыре постоянных запоминающих устройства, четыре блока элементов ИЛИ, делитель частоты и два элемента задержки, причем первый информационный вход блока селекции объединен с первым входом первого блока сравнения и первым входом первого блока элементов И, выход которого через третий блок элементов ИЛИ подключем к первому входу третьего блока сравнения и третьему входу выходной шины блока селекции, третий информационный вход блока селекции объединен с вторым входом первого блока сравнения и первым входом второго блока элементов И, выход которого подключен к второму входу третьего блока элементов ИЛИ, второй информационный вход блока селекции объединен с первым входом второго блока сравнения и первым входом третьего блока элементов И, выход которого через четвертый блок элементов ИЛИ подключен к второму входу третьего блока сравнения и четвертому входу выходной шины блока селекции, четвертый ин- формационный вход блока селекции объединен с вторым входом второго блока сравнения и первым входом четвертого блока элементов И, выход которого подключен к второму входу четвертого блока элементов ИЛИ, пятый управляющий вход блока селекции соединен с входом делителя частоты, выход которого объединен с входом первого элемента задержки и с управляющими входами первого и второго блоков сравнения, выход первого элемента задержки объединен с входом второго элемента задержки, выход которого соединен с восьмым входом выходной шины блока селекции, с управля

ющим входом третьего блока сравнения, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с пятым, шестым и седьмым входами выходной шины блока селекции, первый выход первого блока сравнения объединен с вторым входом первого блока элементов И и входом чтения первого постоянного запоминающего устройства, выход которого через первый блок элементов ИЛИ соединен с первым входом выходной шины блока селекции, а второй выход первого блока сравнения объединен с вторым входом второго блока элементов И и входом чтения второго постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к второму входу первого блока элементов ИЛИ, первый выход второго блока сравнения объединен с вторым входом третьего блока элементов И и входом чтения третьего постоянного запоминающего устройства, выход которого через второй блок элементов ИЛИ соединен с вторым входом выходной шины блока селекции, а второй выход второго блока сравнения объединен с вторым входом четвертого блока элементов И и входом чтения четвертого постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к второму входу второго блока элементов ИЛИ.

tO

со со а со

Фиг. 4

Изобретение относится к технике дискретного спектрального анализа и может быть использовано в измерительной технике, электросвязи, радиолокации. Целью изобретения является расширение диапазона однозначного определения частоты. Устройство для определения частоты содержит каналы 6 и 7 вычисления спектральных составляющих, тактовый генератор 13, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь 14, блок 15 дискретного преобразования Фурье и блок 16 выделения номера максимальной спектральной состав- :ляющей, образующие каждый из каналов б и 7, а также блок 18 определения частоты. Введение входных блоков 2-5, которые содержат фильтры 10 низкой частоты и группы полосовых фильтров 11с сумматорами 12, а также дополнительных каналов 8 и 9 вычисления спектральных составляющих с блоком 17 селекции позволило при N-и (N-1)- точечных дискретных преобразованиях Фурье расширить диапазон однозначного определения частоты в 2 (N-1) раз. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л С