Устройство для определения периодического электрического сигнала Советский патент 1992 года по МПК G01V3/02 G06F15/46 

(Л

С

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности может найти применение в цифровых вольтметрах, используемых при электроразведке рудных месторождений, залб ающих на глубинах до 1,5-2 км. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости. С этой целью в устройство для измерения периодического электрического сигнала, содержащее блок синхронизации, блок кодирования, первый регистр и блок вычитания, дополнительно введены блок памяти весовых коэффициентов, второй регистр, блок определения минимального сигнала, первый и второй блоки деления, регистр сдвига, блок умножения, первый и второй накапливающие сумматоры. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике низких и инфраиизких частот и может найти применение в цифровых вольтметрах, используемых при поисках рудных месторождений, залегающих на глубине до 1,5-2 км.

Известны измерительные устройства, в которых входной периодический электрический сигнал преобразуется в пропорциональные отклонения частоты, с дальнейшим преобразованием этих отклонений частоты в n-разрядный цифровой код (выборку сигнала) за каждый период сигнала и накоплением информации за целое число периодов входного сигнала.

Известные устройства помехоустойчивы при флуктуационной помехе, имеющей нормальное Гауссово распределение. Однако эти устройства имеют низкую помехоустойчивость по отношению к импульсным помехам с неизвестным законом распределения, в том числе гауссовским с большой

дисперсией и (или) ненулевым математическим ожиданием.

Известно также устройство для геоэлектроразведки, взятсо в качестве устройства- прототипа. В устройстве-прототипе накопление выборок сигнала осуществляется в интервалы времени отсутствия импульсных помех. Основным существенным недостатком устройства-прототипа является низкая помехоустойчивость из-за значительного влияния редких нестационарных помех, следующих со средним интервалом времени меньшим или равным интервалу времени накопления выборок периодического сигнала.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения периодического электрического сигнала, содержащем блок кодирования, первый и второй резисторы, блок вычитания, блок синхронизаvi

00

сЈ ел

CJ

ции. первый выход которого подключен к установочному входу блока кодирования, сигнальный вход которого является входом устройства подачи измеряемого сигнала, а выход подключен ко входу записи первого регистра, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу второго регистра, а управляющий вход - ко второму выходу блока синхронизации, дополнительно введены блок памяти весовых коэффициентов, блок определения минимального значения си гнйла, первый и второй блок деления, сумматор, первый и второй накапливающие сумматоры, блок умножения, регистр сдви- га, выход которого является выходом устройства, информационный вход подключен к выходу второго блока деления, установочный вход - к третьему выходу блока синхро- низации, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров, к тактовому входу второго блока деления, первый и второй информационным входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго накаплива1- ющих сумматоров, информационные входы которых подключены соответственно к первому информ ционному входу блока умножения, к выходу блока памяти весовых коэффициентов и к выходу блока умноже- ния, а вторые тактовые входы - соответственно к четвертому выходу блока синхронизации тактовым входам блока умножения и первого блока деления и к пятому выходу блока синхронизации, шестой выход которого подключен к установочному входу первого регистра, выход которого подключен соответственно к перв ому входу блока определения минимального значения сигнала, к первому входу сумматора, тактовый вход которого подключен ко второму выходу блока синхронизации, к установочному входу второго регистра, выход - ко второму входу блока умножения, второй информационный вход - к выходу второго регистра и ко второму входу блока определения минимального значения сигнала, выход которого подключен к первому информационному входу блока деления, второй информационный вход которого подключен к выходу бло- ка вычитания, а выход - ко входу блока памяти весовых коэффициентов, выход блока кодирования подключен ко входу записи второго регистра

На фиг, 1 изображена функциональная схема устройства. На фиг 2 даны диаграммы (эпюры), поясняющие принцип работы устройства. На фиг 3, 4 проводятся результаты математического Моделирования работы известного и предлагаемого устройства

Устройство содержит (фиг, 1) блок кодирования 1. первый регистр 2, блок вычитания 3, первый блок деления 4, блок памяти весовых коэффициентсв (БП) 5, второй регистр б, блок определения минимального сигнала 7, блок умножения 8, первый накапливающий сумматор 9, сумматор 10, второй накапливающий сумматор 11, второй блок деления 12, регистр сдвига 13, блок синхронизации (БС) 14, состоящий из задающего генератора 15, счетчика времени 16, инвертора 17, элемента И 18, распределителя импульсов 19, первого и второго элементов задержки 20 и 21, первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого выходов 22-1-22-6. На фиг. 2 изображены следующие эпюры: 23 - диаграмма сигнала на выходе счетчика времени 16, 24 - диаграмма сигнала на выходе задающего генератора 15, 25 - выходной код блока кодирования 1, 26 - выходной код первого регистра 2, 27 - выходной код второго регистра 6, 28, 29 - диаграммы выходного сигнала на первом и втором выходах распределителя импульсов 19, 30 - диаграмма выходного сигнала элемента И 18, 31 - диаграмма выходного сигнала первого элемента задержки 20, 32 - диаграмма выходного сигнала второго элемента задержки 21,

Блок кодирования 1 установлен на входе предлагаемого устройства и подключен выходом ко входам записи первого и второго регистров 2 и 6, подсоединенных выходами к информационным входам блока вычитания 3 и сумматора 10 ко входам блока определения минимального сигнала 7. Первый блок деления 4 установлен между входом БП 5 и выходами блока вычитания 3 и блока определения минимального сигнала 7 Блок умножения 8 подсоединен информационными входами к выходам сумматора 10 и БП 5 Выход БП 5 соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора 9 Информационные входы второго блока деления 12 подсоединены непос- редственно к выходу первого накапливающего сумматора 9 и через второй накапливающий сумматор 11 к выходу блока умножения 8 Выход второго блока деления 12 подключен к информационному входу регистра сдвига 13. БС 14 подсоединен первым выходом 22-1 к установочному входу блока кодирования 1, вторым выходом 22-2 ко входам управления блока вычитания 3 и сумматора 10 и к установочному входу второго регистра 6, третьим выходом 22-3 и установочному входу регистра сдвига 13, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров 9 и 11

и к тактовому входу второго блока деления 12, четвертым выходом 22-4 к тактовым входам первого блока деления 4 и блока умножения 8 и ко второму тактовому входу первого накапливающего сумматора 9, пятым выходом 22-5 ко второму тактовому входу второго накапливающего сумматора 11 и шестым выходом 22-6 к установочному входу первого регистра 2. В БС 14 элемент И 18 входами подключен непосредственно и через последовательную цепь, состоящую из счетчика времени 16 и инвертора 17 к выходу задающего генератора 15. Выход задающего генератора 15 подсоединен к тактовому входу непосредственно и через счетчик времени 16 к установочному входу распределителя импульсов 19. Первый элемент задержки 20 установлен между вторым выходом распределителя 19 импульсов и входом второго 21 элемента задержки. Выходы задающего генератора 15, первого и второго распределителя импульсов 19, первого и второго элементов задержки 20 и 21 и элемента И 18 подсоединены соответственно к первому, шестому, второму, четвертому, пятому и третьему выходам БС 14.

Устройство работает на основе алгоритма поларнрго весового накопления выборок периодического электрического сигнала, в котором при измерении периодического входного сигнала Ux(t) осуществляют выборки сигнала Ui, U2,...Un. каждая из которых представляет, например, интеграл от модуля за каждый период входного сигнала, где п - число накапливаемых выборок сигнала, при отсутствии помех выборки Ui, Ua,... Un за любой период входного равны между собой. При наличии нестационарных (импульсных) помех выборки становятся не равными друг другу.

Для каждой пары выборок, состоящей из U2H-1 (для нечетных номеров выборок) 1, 3, 5,,..а-- 1) и l)2i+2 (для четных номеров выборок 2,4,6,,.. п) определяют абсолютную разность AU2iM |U2H-1 - U2H-2 | , меньшую из выборок по абсолютной величине min iU2i+i (; i U2H-2J) и сумму U2i+i + U2J+2, а также

отношение P2iM -;-/,,, , „.

min (|U2i+,|;|U2i+i|)

где i 0, 1, 2,.. ( - 1). По значениям Р2|+1

для каждой пары определяют весовой коэффициент K2I+1 ехр(-11,1D2i+i2) или K2I+1 ,

1

%осуществляют накопление

сумм пар выборок (U2i+i +1)21+2) умноженных на весовой коэффициент kai+i, результат накопления U определяется следующим выГУ2-1

ражением: 1) - Y К21-н (U2I-H U2I+2). Ука5i 0

занную сумму (нормируют и регистрируют

ГУ2-1

полученный результат: U

2 k2i+l(U2H1 + 0

5

0

0

IV2-1

U2H-2)/2 У К2Н-1. В блоке 1 кодирования

периодический сигнал Ux(t) преобразуется в пропорциональные отклонения частоты с дальнейшим преобразованием этих откло- нений за каждый период Т входного сигнала в n-разрядный цифровой код (кодовое слово). Кодовые слова N21+1 изображены для наглядности на эпюре 25 (фиг. 2) в виде прямоугольных импульсов. Синхронизация

0 (запуск) работы блока 1 осуществляется прямоугольными импульсами (эпюра 24, фиг. 4), поступающим с первого 22-1 выхода 22-1 БС 14. Коэффициент преобразования блока 1 выбирается таким образом, чтобы численные значения N21+1, было равно выборке напряжения U2i+l, где i 0, 1, 2,... п. При отсутствии помех кодовые слова за любой период входного сигнала, без учета погрешности преобразования, должны быть равны между собой.

Первое кодовое слово NI блока кодирования 1 поступает на вход первого регистра 2. Запись NI в регистре 2 осуществляется передним фронтом импульса, поступающе- го с шестого выхода 22-6 БС 14 (эпюра 29, фиг. 2). Второе кодовое слово N2 записывается во втором 6 регистре передним фронтом импульса, поступающего со второго выхода 22-2 БС-14 (эпюра 28, фиг. 2). Содержимое NI и N2 регистров 2 и 6 (эпюры 26 и 27, фиг. 2) поступает на входы блока вычитания 3, блока определения минимального сигнала 7 и сумматора 10. Задним фронтом импульса, поступающего со второго выхода

5 22-2 БС 14 (эпюра 28, фиг. 2), в блоке вычитания 3 определяется абсолютная разность ANi fNi-N2|, а в сумматоре 10 сумма (Ni + N2). В блоке определения минимального сигнала 7 находится меньшее из кодовых слов по абсолютной величине min( j N1) ; |N2 |). Содержимое ANi iNi - N2 блока вычитания 3 и min( | N11; (N2 | ) блока 7 поступают на информационные входы пер- вого блока деления 4. Передним фронтом импульса, поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 28, фиг. 2), осуществляется деление абсолютной разности A IMi на минимальный из двух NI и N2, т.е. на

0 выходе первого 4 блока деления будет сниматься кодовое слово:

ANi

P1 min (|Ni ; N2) В БП 5 записаны значения функций

1

-- для разехр(-11,1р),или-111р, + 1

личных р. Следовательно, значение р является адресом записанного значения функции весовых коэффициентов в БП 5, Пусть для определенности, в БП 5 записаны значения функции ехр(-11,1р2). Выходной код Pi с выхода первого 4 блока деления поступает на вход БП 5 снимается значение весового коэффициента ki ехр(-11,1 pi ). Выходной код k1 поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 9 и на один из входов блока умножения 8, на второй вход которого подается кодовое слово с выхода сумматора 10. Задним фронтом прямоугольного импульса, поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 31, фиг. 2), разрешается умножение (Ni + N2) на ki в блоке умножения 8 и запись кода ki в первый накапливающий суммятор 9. Выходной код ki(Ni N2) блока умножения 8 поступает на информационный вход второго накапливающего сумматора 11, Передним фронтом импульса, поступающего с пятого выхода 22-5 БС 14 (эпюра 32, фиг. 2), код ki(Ni - N2) записывается во второй накапливающий сумматор 11.

Далее с блока кодирования 1 в первый и во второй регистры 2 и 6 поступают соответственно кодовые слова Мз и NA (эпюра 26 и 27, фиг. 2). Вновь определяется абсолютная разность Д N3 . N3 - N4J в блоке вычитания 8, меньшее из Мз и N4 по абсолютному значению в блоке 7 и сумма (N3 + N/J) в сумматоре 10 В первом блоке деления 4

ДМ3г

находят величину рз - -- едЩу С

выхода БП 5 снимается значение весового коэффициента ka - ехр(-11,1рз2). Выходной код кз поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 9 и на один из выходов блока умножения 8, на второй вход которого подается кодовое слово (N3 + N4) с выхода сумматора 10 Задним фронтом прямоугольного импульса поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 31, фиг 2), разрешается умножение (N3 N4) на кз в блоке умножения 8 и запись кода k в первый накапливающий сумматор 9. В первом накапливающем сумматоре 9 осуществляется определение суммы ki г N2. Выходной код кз (N3 N4) блока умножения 8 поступает на информационный вход второго накапливающего сумматора 11 Передним фронтом импульса, поступающего с пятого 22-5 выхода 22-5 БС 14 (эпюра 32, фиг 2} код ka(№ + N4) записывается во второй накапливающий сумматор

Далее процесс накопления повторяется до тех пор пока не накопится определенное п/2 пар кодовых слов. В результате за интервал времени At пТ , в первом накапливающем сумматоре 9, результат будет

гу2 -1

равен K2i + 1 а во втором накапливаю-

щем сумматоре 11 результат - Г

I-О k2i+l(N2i+1 + N2i+2).

Выходные коды первого и второго накапливающего сумматора 9 и 11 поступают на информационные входы второго блока деления 12, где осуществляется деление coдержимого блока 11 на содержимое блока 9. Разрешение на проведение операции деления осуществляется передним фронтом импульса, поступающего с третьего выхода БС 14 (эпюра 30, фиг. 2). В результате. на выходе второго блока деления 12 будет сниматьсякод2N

fV2-1

2 K2i + 1( N2i + 1 +N2i+2)

У2-1

I K2, + 1

поступающий на информационный вход регистра сдвига 13. Информация 2N записанная в регистре сдвига 13 подвергается

логической операции сдвига вправо (деление на 2). В результате в регистре сдвига 13 будет записан код N, который является выходным кодом предлагаемого устройства Задним фронтом импульса (эпюра 28, фиг.

2) накапливающие сумматоры 9 и 10 устанавливаются в нулевое состоян иё. После этого процесс весового накопления повторяется и так далееi

В БС 14 задающий генератор 15 выра

батываемый прямоугольные импульсы длительностью Ati и периодом Т входного сигнала (эпюра 24. фиг. 2). Эти импульсы поступают на вход управления блока кодирования 1 и на входы счетчика времени 16 и

распределителя импульсов 19. Счетчик времени 16 вырабатывает прямоугольные импульсы (эпюра 28, фиг. 2) длительностью A t nT, в течение которого осуществляется весовое накопление выборок сигнала Распределитель импульсов 19 формирует импульсы, которые применяются для выделения кодовых слов с нечетными номерами (эпюра 28, фиг. 2). Импульсы со второго выхода распределителя 19 импулыов е первом и втором элементах задержки 20 и

21, задерживаются на интервал времени Д ti, в котором (эпюра 31,32, фиг. 2), элементом И 18 выделяется (п + 1) - импульс (эпюра 30, фиг. 2). Сигналы, сформированные в БС 14, применяются для управления работы блоков 1-13.

Проводилось моделирование на ЭВМ и сравнение результатов работы предлагаемого устройства обработки сигналов при обоих вариантах вычисления весовых коэф- фициентов и известных устройств, в которых реализован способ простого накопления (среднего арифметического).

При проведении моделирования многократно повторяется сигнал а, содержащий небольшую флюктуационную помеху с нормальным центрированным распределением N(0, 7i2). В одних опытах заданный процент еслучайно взятых выборок сигнала поражался аномальной импульсной помехой# , также имеющий нормальное центрированное распределение, но гораздо большую, чем (1 , дисперсию а 2 . В других опытах все было аналогично но аномальная импульсная помеха бралась одного знака и равняласьj% | . Оба случая соответствуют помехам, действующим в геоэлектроразведке методом вызванной поляризации При заданном г проценте выборок сигнала, пораженных аномальной помехой, про- водилось по 50 опытов. Для каждого опыта по одним и тем же исходным выборкам сигнала, проводилась обработка выборок и получалась оценка сигнала (результаты измерений). Затем для всех 50 опытов, отдель- но для каждого способа, определялось среднее квадратическое отклонение (тполучаемых оценок а, от истинного сигнала

а

502

S,(a,-a)

i - I

50

На графиках фиг. 3 изображены примеры полученных зависимостей для аномальной помехи , фиг.4 - для аномальной помехи), , имеющей несимметричное распределение и ненулевое математическое ожидание.По вертикальной оси отложено среднее квад- ратичное отклонение результата, нормированное к величине сигнала а/а, по горизонтальной - доля выборок сигнала, пораженных аномальной помехой. Кривые 1 относят к известному устройству, а кривые 2, 3 - предлагаемому устройству соответственно при весовых коэффициентах К2н-ч

1

11,1 р + 1

и k2i+i ехр(- 11.1 р ). Кривые

(фиг. 3,4) получены при следующих парамет5

10

15 0 5 0 5

0

5 0 5

рах моделирования: число выборок п в каждом опыте 32, сигнал а равен 1 вольту, корень из дисперсии х/сп у флюктуационной помехи задавался равным 0,1 а, у аномальной помехи Vo% равным 2а. На кривых (фиг. 3,4) видно, что предлагаемое устройство дает заметный выигрыш по сравнению с известным устройством. Так, например, если аномально большой несимметричной помехой одного знака поражена четверть выборок (фиг. 4), то среднее квадратическое отклонение результата от истинного в предлагаемом устройстве примерно в десять раз меньше, чем в известных устройствах.

Опыты аналогичные описанным, проводились также для аномальной помехи, имеющей другую дисперсию О2, а также другое распределение. В частности сравнение осуществлялось также при Oi 0,5а. Распределение аномальной помехи, кроме описанного, принимались равномерным от -За до За, равномерным от 0 до За.

Во всех опытах относительные результаты были примерно аналогичными приведенным на фиг. 3, 4. При увеличении числа выборок искаженных аномальной помехой до 70-80% от общего числа выборок предлагаемое устройство всегда давало заметное преимущество перед известными.

Таким образом, в предлагаемом устройстве повышена помехоустойчивость путем введения дополнительных блоков и их связей.

По сравнению с измерительным устройством аппаратуры ЭВП-801 1, выбранным в качестве базового объекта, применение предлагаемого-устройства позволит значительно повысить помехоустойчивость измерений в районах со значительным уровнем импульсных помех.

Формула изобретения

Устройство для определения периодического электрического сигнала, содержащее блок кодирования, первый и второй регистры, блок вычитания, блок синхронизации, первый выход которого подключен к установочному входу блока кодирования, сигнальный вход которого является входом устройства подачи измеряемого сигнала, а выход подключен к входу записи первого регистра, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу второго регистра, а управляющий вход - к второму выходу блока синхронизации, отличающее- с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, дополнительно введены блок памяти весовых коэффициентов, блок определения минимального значения сигнала, первый и второй блоки деления, сумматор,

первый и второй накапливающие сумматоры, блок умножения, регистр сдвига, выход которого является выходом устройства, информационный вход подключен к выходу второго блока деления, установочный вход

-к третьему выходу блока синхронизации, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров, к тактовому входу второго блока деления, первый и второй информационные входы которого под- ключены соответственно к выходам первого

и второго накапливающих сумматоров, информационные входы которых подключены соответственно к первому информационному входу блока умножения, к выходу блока памяти весовых коэффициентов и к выходу блока умножения, а вторые тактовые входы

-соответственно к четвертому выходу блока синхронизации, тактовым входам блока умножения и первого блока деления и к пятому

выходу блока синхронизации, шестой выход которого подключен к установочному входу первого регистра, выход которого подключен соответственно к первому входу блока определения минимального значения сигнала, к первому входу сумматора, тактовый вход которого подключен к второму выходу блока синхронизации, к установочному входу второго регистра, выход - к второму входу блока умножения, второй информационный вход - к выходу второго регистра и к второму входу блока определения минимального значения сигнала, выход которого подключен к первому информационному входу блока деления, второй информационный вход которого подключен к выходу блока вычитания, а выход - к входу блока памяти весовых коэффициентов, выход блока кодирования подключен к входу записи второго регистра.

0.25o.50

фиг 3

0.75 Ј

0.5 О

0.75 I