Устройство для определения среднеквадратического значения переменного сигнала Советский патент 1992 года по МПК G06F15/36 G01R19/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении измерительных модулей и цифровых вольтметров, работающих в составе информационно-измерительных систем и предназначенных для измерения средне- квадратического значения напряжения периодических сигналов произвольной формы в широком диапазоне частот, включая инф- развуковой.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - весовая

функция g(t) для обработки измеряемого сигнала и ее компоненты gi(t)...g4(t); на фиг. 3 - спектры Gi(f)...G4(f) компонент gi(t)..,g4(t) весовой функции.

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 постоянного напряжения, генератор 2 псевдослучайных чисел, генератор 3 тактовых импульсов, блок 4 масштабирования, блок 5 вычисления оценки квадратичного значения, сумматор 6, регистр перезаписи 7, счетчик переноса 8, регистр сдвига 9, узел 10 взвешенного накопления, состоящий из блока 11 умножения на весовые коэффициенты, блока 12 параллельного обмена, эле00

мента ИЛИ 13, регистра 14, мультиплексоров 15, 16, 17, блоков 18, 19 памяти, шинного формирователя 20, дешифратора 21, вход 22 устройства, тактовый вход 23 генератора 2, выход 24 источника 1, выходы 25.1-25.2 генератора 2, выход 26 генератора 3, выход 27 блока масштабирования, выход 28 блока 5, выход 29 сумматора 6, выход 30 старшего разряда и информационный выход 31 регистра 7, выход 32 счетчика, выход 33 сигнала начала работы, выход 34 сигнала запроса записи по информационному входу, тактовый выход 35 записи информации, информационный вход 36, адресный вход 37, шина 38 данных, выход 39 сброса адреса, выход 40 обращения к первому блоку памяти, выход 41 разрешения записи, выход 42 разрешения считывания умножителя 11, шину 43 младших разрядов адреса, первый 44, второй 45, третий 46, четвертый 47 выходы интерфейса, шину 48 данных, вход 49 разрешения записи, вход 50 разрешения чтения, пятый 51 выход интерфейса, выходы 52, 43, 54 соответственно первого, второго и третьего мультиплексоров, выход 55 элемента ИЛИ, шину 56 данных, адресный вход 57 и выход 58 окончания вычислений.

Блок 5 предназначен для стохастического квантования входного сигнала по уровню и формирования выходного кода, математическое ожидание которого пропорционально квадрату (мощности) измеряемого сигнала. Блок 5 полностью соответствует одному вычислительному блоку 5, описанному в прототипе.

Узел 10 предназначен для формирования управляющих сигналов для блоков 7...9, приема и обработки измерительной информации с регистра 9 с центральной ЭВМ через соответствующие входы и выходы устройства. Блок 11 выполнен в виде однокристальной микроЭВМ и является центральным процессором с портами ввода-вывода микропроцессорного узла 10. МикроЭВМ может быть выполнена на микросхеме КР 1816 BE 35, блок 12 - на микросхеме КР 580 ВВ 55, а шинный формирователь 20 - на микросхеме КР 580 ВА 86.

Блок 12 предназначен для передачи данных, адресных сигналов и выработки управляющих сигналов при обращении центральной ЭВМ информационно-измерительной системы к блокам памяти 18 (ОЗУ) программ и 19 ОЗУ данных.

Работа устройства начинается С загрузки управляющей программы и данных из центральной ЭВМ информационно-измерительной системы в ОЗУ программ 18 и ОЗУ данных 19 узла 10 Протокол записи или чтения бпйта ОЗУ 18 и 19 формируется при

записи байтов в четыре порта блока 12. Для записи байта в порты блока 12 дешифратор 21 анализирует группы адресных выходов 57 от центральной ЭВМ и вырабатываетсигнал ВЫБОР КРИСТАЛЛА 51 для блока 12 и шинного формирователя 20. Управляющий сигнал по линии записи ввода/вывода 49 от центральной ЭВМ настраивает шинный формирователь 20 на нужное направление

передачи информации, По управляющим

сигналам 50 или 49 информационный байт

по шине 48 читается или пишется в блок 12.

Перед началом загрузки информации в

ОЗУ 18 и 19 блок 12 программируется путем

записи байта в порт управления так, что все его порты настраиваются на вывод. При этом на выходе 44 блока 12 появляется сигнал низкого уровня, который переводит микроЭВМ 11 в режим сброса и работы от

внутреннего блока памяти ПЗУ. Такой режим отключает микроЭВМ 11 от шины данных 38 и шины адреса 37. Выходы регистра 14 переводятся в высокоимпедансное состояние. Мультиплексоры 15, 16 и 17 переключаются на передачу управляющих сигналов 45. 46 и 47 от блока 12. После перевода узла 10 на работу от центральной ЭВМ информационно-измерительной системы производится запись информации в

ОЗУ 18 и 19. Запись информационного байта в ОЗУ 18 и 19 производится по следующему алгоритму:

-в порт адреса блока 12 записывается адрес загружаемого байта, который через

шины адреса 43 и 37 подается на адресные входы ОЗУ 18 и 19;

-в порт данных блока 12 записывается информационный байт, который по шине данных 38 подается на входы/выходы ОЗУ

18 и 19;

-с помощью сигнала 46 устанавливается режим записи в ОЗУ;

-при записи информационного байта в ОЗУ 18 по линии 45 вырабатывается сигнал

выборки ОЗУ 18, а при записи информационного байта в ОЗУ 19 по линии 47 вырабатывается сигнал выборки ОЗУ 19.

После загрузки ОЗУ 18 и 19 центральная ЭВМ перестраивает блок 12 в режим ввода по всем линиям ввода/вывода путем записи байта в порт управления. При этом блок 12 отключается от шины данных 38 и адреса 37, 43 узла 10. Выход 44 переводится в состоя- ние логической единицы, что включает выходы регистра 14 младшего байта адреса, подключает мультиплексоры 15, 16, 17 на работу от микроЭВМ 11 и запускает узел управления 10 на выполнение управляющей программы с 0 го адреса

Обработка измеряемого сигнала происходит следующим образом. Сигнал x(t) по входу 22 в блоке 4 масштабирования приводится к требуемому масштабу.

Преобразование сигнала в блоке 5 происходит таким образом, что на вход комбинационного сумматора 6 поступает сигнал, математическое ожидание которого пропорционально квадрату (мощности) входного сигнала x(t). Стохастическое квантование производится в блоке 5 с частотой F. которая определяется частотой генератора 3. С этой же частотой происходит накопление преобразованного сигнала, пропорционального квадрату входного сигнала, на сумматоре 6, регистре перезаписи 7 и счетчике переноса 8. Накопленные здесь частичные суммы на некоторых интервалах времени ДТ пересылаются в параллельном коде по шинам 31 и 32 в регистр 9 сдвига с последующей передачей в последовательном коде в узел 10.

Процесс обработки сигнала на интервале измерения Т происходит по следующему алгоритму:

1)узел 10 вырабатывает сигнал 33 СБРОС, по которому регистр 7 перезаписи и счетчик 8 переноса устанавливаются в нулевое состояние.

2)после окончания импульса НАЧАЛО РАБОТЫ, формируется задержка, которая равна п периодам импульсов генератора 3, во время которой в регистре 7 и счетчике 8 производится накопление частичной суммы;

3)после окончания задержки узел 10 формирует импульс параллельной записи 34, по которому информация переписывается из регистра 7 и счетчика 8 по шинам 31 и 32 в регистр 9;

4)после импульса 34 параллельной записи узел 10 вырабатывает импульс 33 НАЧАЛО РАБОТЫ, после окончания которого начинается накопление новой промежуточной суммы и формирование очередной задержки;

5)во время формирования задержки узел 10 вырабатывает пакет импульсов, по которому содержимо.е сдвигового регистра 9 пересылается в микроЭВМ 11, затем переписывается в ОЗУ 19 данных, и по программе, записанной в ОЗУ 18, микроЭВМ 11 проводит умножение частичной суммы на вес данной суммы, который записан в ОЗУ 19;

6)пункты 3...5 повторяются N раз, причем произведение частичной суммы на вес накапливается в виде суммы в ОЗУ 19;

7)после окончания измерения по линии 58 вырабатывается сигнал КОНЕЦ ИЗМЕРЕНИЯ, по которому центральная ЭВМ информационно-измерительной системы производит чтение результата весового усреднения, записанного в ОЗУ 19 данных узла 10.

5Информационный байт читается из ОЗУ

19 данных и ОЗУ 18 программ по следующему алгоритму:

-блок 12 программируется путем записи байта в порт управления так, что порт

0 данных, подключенный к шине 38, настраивается на ввод информации; порт адреса, подключенный к шине 43 и 37, настраивается на вывод; линии 44...47 настраиваются на вывод. При этом на выходе 44 блока 12 по5 является сигнал низкого уровня, который останавливает работу микроЭВМ;

-в порт адреса блока 12 записывается адрес, считываемого байта, который через шину адреса 43 и 37 подается на адресные

0 входы ОЗУ 18 и 19;

-с помощью сигнала 46 устанавливается режим чтения из ОЗУ 18 и 19;

-при чтении информационного байта из ОЗУ 18 программ по линии 45 вырабаты5 вается сигнал выборки ОЗУ 18, а при чтении информационного байта из ОЗУ 19 данных вырабатывается по линии 47 сигнал выборки ОЗУ 19;

-через порт данных с шины данных 38 0 осуществляется чтение информационного

байта.

1Взвешивание частичных сумм преобразованного сигнала с последующим накоплением дало возможность увеличить

5 время умножения на весовые коэффициен ты и использовать для этого относительно

медленную однокристальную микроЭВМ.

Использование микроЭВМ для весового ус реднения позволяет выбирать сложные и

0 эффективные весовые функции.

Преобразования, проведенные над сигналом Рх, поступающим на вход комбинационного сумматора 6 на интервале измерения О...Т, описываются выражением

5

N -1

Р S 9 С П J ) х

50

х ПЈ Px(n(i+nj))l ;

Ll о-

(1)

где n - количество суммирований при формировании одной частичной суммы; N - количество частичных сумм; т - период стохастического квантования т - F 1; g(n т j) - вес j-й частичной суммы.

Устройство ориентировано для реализации решетчатых ступенчатых весовых

функций, где высота ступеньки соответствует весу промежуточной суммы. Наличие ступенек предполагает неравномерность спектральной характеристики весовой функции на частотах, кратных частоте ступеньки, что ухудшает ее фильтрующие свойства.

Оптимизацию весовой функции следует вести в частотной области, добиваясь равенства максимумов боковых лепестков в полосе непрозрачности на уровне не более допустимой погрешности усреднения 5у .

Пример конструирования весовой функции для преобразователя в диапазоне частот 1 Гц ... 1 мГц при подавлении в полосе непрозрачности до уровня 5у 5 10 приведен ниже.

Весовую функцию g(t) конструируют как свертку решетчатых прямоугольных компонент gk(t)

gk N k 5(t r m)

где k 1...4; m 1 ... Nk; fy. - расстояние между дельта-функциями решетчатой последовательности gk(t); Nk - количество дельта-функций в решетчатой последовательности Qk(t).

Оптимизация весовой функции проводилась в частотной области и после преобразования спектральная характеристика G(f) весовой функции g(t) принимает вид:

,„ sin 6if Тк Nk) Gk(f) (jtfTk)

Проводят подбор параметров Tk и Nk для каждой компоненты с учетом взаимной интерференции спектральных характеристик компонент Gk(f) при их перемножении, при этом необходимо стремиться к тому, чтобы максимум спектральных характеристик одних компонент попадал на нули других, и выполнялось ограничение на уровень подавления. При конструировании весовой функции следует учитывать дополнительное ограничение - расстояние между дельта- функциями, образующими ступеньки в результирующей весовой функции должны соответствовать времени, необходимому для умножения при помощи однокристальной микроЭВМ частичной суммы на весовой коэффициент этой суммы.

На фиг. 2,э ... 2,г приведены компоненты весовой функции, на фиг. 3,д- искомая весовая функция как результат свертки компонент gi(t) .. g/i(t). Длительность весовой функции g(t) равна 4,744 а (время измерения Т).

На фиг. 3 представлены спектры Gi(f) G4(f) компонентов gi(t) . g4(t), использованных для конструирования искомого спектра G(f).

При переходе в другой частичный диапазон (например, 0,1...106 Гц) из центральной

ЭВМ в ОЗУ 18 и 19 узла 10 записываются значения коэффициентов весовой функции, сконструированные подобным образом для нового частотного диапазона.

Взвешивание частичных сумм преобразованного сигнала с последующим накоплением вместо взвешивания каждого отсчета дало возможность увеличить время, отведенное на умножение на весовые коэффициенты, и проводить обработку сигнала в

реальном масштабе времени. Использование относительно медленно действующей однокристальной микроЭВМ для умножения и весового усреднения позволяет выбирать сложные и эффективные весовые

функции и тем самым уменьшить время измерения в диапазоне звуковых и инфразву- ковых частот. Данные сопоставления устройства и прототипа сведены в таблицу.

25

Формула изобретения

Устройство для определения средне- квадратического значения переменного сигнала, содержащее блок масгитабирова30 ния, источник постоянного напряжения, генератор псевдослучайных чисел, генератор тактовых импульсов, блок вычисления оценки квадратичного значения, сумматор, счетчик переноса и регистр сдвига, причем вход

35 блока масштабирования является информационным входом устройства, выход блока масштабирования соединен с информационным входом блока вычисления оценки квадратичного значения, входы постоян40 ного напряжения, прямого и дополнительного псевдослучайных сигналов, выход и тактовый вход блока вычисления оценки квадратичного значения соединен и соответственно с выходом источника постоянно45 го напряжения, с первым и вторым выходами генератора псевдослучайных чисел, с первым входом сумматора и с первым выходом генератора тактовых импульсов, второй выход которого соединен с тактовым

50 входом генератора псевдослучайных чисел, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены регистр перезаписи и узел взвешенного накопления, содержащий

55 блок умножения на весовые коэффициенты, блок параллельного обмена, регистр, два блока памяти, три мультиплексора, шинный формирователь, дешифратор и элемент ИЛИ, причем выход сумматора соединен с информационным входом регистра перезэписи, выход которого соединен с вторым входом сумматора и входом младших разрядов регистра сдвига, вход старших разрядов которого соединен с выходом счетчика переноса, счетный вход которого соединен с выходом старшего разряда регистра перезаписи, тактовый вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, адресный вход и выход блока умножения на весовые коэффициенты соединены с адресными входами первого и второго блоков памяти и выходом и входом старших разрядов адреса блока параллельного обмена, выходу первого и второго блоков памяти через монтажное ИЛИ соединены с входами-выходами умножителя, с информационным входом регистра и входом и выходом данных блока параллельного обмена, выход строба адреса блока умножения на весовые коэффициенты соединен с входом разрешения записи регистра, вход разрешения считывания которого соединен с входами останова и задания режима работы блока умножения на весовые коэффициенты, с управляющими входами первого, вто- рого и третьего мультиплексоров и подключен к выходу задания режима блока параллельного обмена, выход обращения к первому блоку памяти умножителя соединен с первым информационным входом первого мультиплексора, выход разрешения записи блока умножения на весовые коэффициенты соединен с первым информационным входом второго мультиплексора и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом разрешения считывания блока умножения на весовые коэффициенты, выход регистра соединен с информационными входами блоков памяти и входом младших разрядов адреса блока параллельного обмена, адресный выход, выход разрешения чтения и выход разрешения накопления блока

параллельного обмена соединены соответственно с вторыми информационными входами первого, второго и третьего мультиплексоров, вход и выход данных блока параллельного обмена соединены с выходом и входом данных шинного формирователя, вход разрешения записи блока параллельного обмена соединен с первым управляющим входом шинного формирователя и является входом разрешения записи устройства, вход разрешения считывания блока параллельного обмена является входом разрешения считывания устройства, вход разрешения работы блока параллельного обмена соединен с выходом дешифратора и подключен к второму управляющему входу шинного формирователя, выход первого мультиплексора соединен с входом разрешения работы первого блока памяти, выход второго мультиплексора соединен с входами разрешения считывания второго и третьего блоков памяти, выход и третий информационный вход третьего мультиплексора соединены соответственно с входом разрешения работы второго блока памяти и выходом элемента ИЛИ, информационный вход-выход шинного формирователя подключен к входу-выходу данных устройства, вход дешифратора является адресным входом устройства, выход окончания вычислений блока умножения на весовые коэффициенты является выходом окончания вычислений устройства, выход сигнала начала работы блока умножения на весовые коэффициенты соединен с входами сброса регистра перезаписи и счетчика переноса, выход сигнала прерывания и тактовый выход записи информации блока умножения на весовые коэффициенты сое- динены соответственно с входом разрешения записи и тактовым входом регистра Сдвига, выход которого соединен с информационным входом узла взвешенного накопления.

i

I uxpo-3fff

-, -.,.. V

: . -.л -. - . 1 .- .. .: -. - .. .. :- .. .-1 / . : ;- л

WJ

Изобретение относится к Измерительной технике и может быть использовано при построении измерительных модулей и цифровых вольтметров, работающих в составе информационно-измерительных систем. Цель изобретения - повышение быстродействия. Устройство содержит источник постоянного напряжения, генератор псевдослучайных чисел, генератор тактовых импульсов, блок масштабирования, блок вычисления оценки квадратичного значения, сумматор, регистр перезаписи, счетчик переноса, регистр сдвига, микропроцессорный узел взвешенного накопления, содержащий блок умножения на весовые коэффициенты, блок параллельного обмена, элемент ИЛИ, регистр, мультиплексоры, блоки памяти, шинный формирователь, дешифратор. Применение стохастического квантования с высокой предельной частотой, накопление промежуточных сумм с последующим их взвешиванием при помощи блока умножения на весовые коэффициенты, выполненного в виде микроЭВМ, позволяет проводить обработку сигнала в реальном масштабе времени, выбирать сложные и эффективные весовые функции и тем самым уменьшить i время измерения в диапазоне звуковых и инфразвуковых частот. 3 ил., 1 табл. (Л С

i

ЙВ

9,t)

№1 II

0.728с

s&

0,52 с

Фиг 2

,5c

t/ffe

8)