СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА В КОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК H03M1/60 G01V3/08 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение при разработке аппаратуры для электрических, акустических и т.д. исследований. Область преимущественного использования изобретения цифровые фазочувствительные вольтметры, применяемые при поисках рудных месторождений, залегающих на глубинах 1,5-2 км.

Цель изобретения повышение помехоустойчивости преобразований периодического сигнала при заранее неизвестном законе распределения импульсных помех, особенно при наиболее неблагоприятном для известных способов и устройств распределений импульсных помех антисимметричным с ненулевым математическим ожиданием.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 изображены эпюры, поясняющие принцип работы устройства.

По способу при измерении периодического входного сигнала U_x(t) осуществляют выборки U_i, каждая из которых представляет, например, интеграл от модуля за каждый период входного сигнала, где i номер выборки. Процесс получения выборок и запоминания выборок продолжают до тех пор, пока не будет получено заданное число выборок n. По полученным выборкам путем накопления определяют их среднее арифметическое значение (среднее значение)
U_i и медиану U. Полученная медиана U и среднее значение U сравнивают с заданной степенью точности δ, для чего проверяют нестрогое равенство
U- ≅ δ
Если неравенство не выполняется, т.е. сравнения с заданной точностью не происходит, то проверяют неравенство
U < или, что все равно, анализируют знак Δ= U-. Если неравенство U< выполняется (Δ< 0), то исключают максимальную из запомненных выборок U_i. Если неравенство U< не выполняется (Δ> 0), то исключают минимальную из запомненных выборок. Знак разности Δ запоминают или, что все равно, запоминают, какую их выборок исключают, минимальную или максимальную, т.е. была медиана больше или меньше среднего арифметического. По оставшимся n-1 выборкам повторно определяют медиану и среднее арифметическое. Осуществляют их сравнение с той же заданной степенью точности δ. Если сравнение с заданной точностью не происходит, а разность новой медианы и нового среднего арифметического не изменяет свой знак по сравнению с этой разностью на предыдущем шаге (т. е. если новая медиана по-прежнему больше или по-прежнему меньше среднего арифметического), из оставшихся выборок опять исключают максимальную выборку, если медиана меньше среднего арифметического, или минимальную выборку, если медиана больше среднего арифметического. И так процесс исключения выборок продолжается до тех пор, пока очередные медиана и среднее арифметическое не совпадут с заданной степенью точности δили пока их разность на очередном шаге не изменит свой знак, т.е. пока соотношение между медианой и средним арифметическим не изменится с большего на меньшее или наоборот. Исключение выборок также прекращается, если отбраковано определенное число выборок, например, 2n/3 выборок. За окончательную оценку сигнала принимается последняя полученная медиана или последнее среднее арифметическое.

Необходимо отметить, что определение медианы и исключение максимальной или минимальной выборки значительно упрощаются, если выборки U_i ранжировать в процессе их получения или после их запоминания в памяти. В частности, исключение минимальной или максимальной выборки сводится к исключению очередной выборки с того иди другого конца ряда, а получение очередной медианы сводится к определению центральной выборки из ряда, если число остающихся выборок нечетное, или полусуммы центральных выборок, если их число четное.

Необходимо также отметить, что в процессе определения очередных средних арифметических можно не получить каждый раз суммы всех остающихся выборок, а вместо этого из предыдущей суммы достаточно вычесть исключаемую выборку.

Величина порога сравнения δопределяет, сколько при прочих равных условиях отброшено выборок. Если δ взять большую, то часть выборок, искаженных импульсной помехой, не отброшена, если δ взять слишком маленькую, то начинают отбрасываться и не искаженные выборки. Экспериментально установлено, что, если задать δ в виде δ , где U текущее значение медианы, а n количество первоначально накопленных выборок, то отбраковывается около 90% пораженных импульсной помехой выборок при условии, что в первоначально полученных выборках процент пораженных не превышает 50-70%
Устройство для осуществления способа содержит блок 1 кодирования, коммутатор 2, накапливающий сумматор 3, блок 4 деления, блок 5 элементов ИЛИ, блок 6 ранжирования, второй коммутатор 7, блок 8 инверторов, блок 9 вычитания, блок 10 сравнения, сумматор 11, блок 12 выделения медианы, третий коммутатор 13, первый 14 и второй 15 элементы И, суммирующий 16 и вычитающий 17 счетчики, первый 18 и второй 19 дешифраторы, первый 20 и второй 21 элементы ИЛИ-НЕ, блок 22 управления, состоящий из элемента И 23, счетчика 24 времени, инвертора 25, задающих генераторов 26, 27, элемента 28 задержки, элемента И 29, элемента ИЛИ 30, элемента 31 задержки, первого 32, третьего 33, второго 34, пятого 35, четвертого 36 выходов и входа 37 "Остановка", регистр 38 памяти.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени t₁ (эпюры а-м, фиг. 2) положительным перепадом выходного напряжения счетчика 24 времени осуществляется установка в исходное состояние блока 6 ранжирования, накапливающего сумматора 3, суммирующего 16 и вычитающего 17 счетчиков. В результате блок 6 ранжирования и накапливающий сумматор 3 обнуляются, в суммирующем счетчике 16 устанавливается нулевой код, а в вычитающем счетчике 17 код N_E n, где N_E емкость счетчика; n целое число. При сигнале логической "1" (эпюра в фиг. 2) выходные импульсы с периодом следования Т первого задающего генератора 26 (эпюра а, фиг. 2) через элемент И 23 (эпюра е, фиг. 2) поступают на вход блока 1 кодирования. В блоке 1 кодирования периодически с периодом Т входной сигнал U_x(t) преобразуется в пропорциональные отклонения частоты с дальнейшим преобразованием этих отклонений в цифровой код (кодовое слово) N_i путем нахождения интеграла модуля отклонений частоты на период Т входного сигнала. Коэффициент преобразования блока 1 кодирования выбирается так, что цифровой код N_iчисленно равен выборке U_x, представляющей собой интеграл модуля входного напряжения за период. Кодовые слова N_i для наглядности изображены на эпюре д, фиг. 2, в виде прямоугольных импульсов. Синхронизация (запуск) работы блока 1 кодирования осуществляется положительными перепадами прямоугольных импульсов с периодом Т (эпюра е, фиг. 2) с выхода элемента И 23 блока 22 управления. Количество импульсов, поступающих с первого 32 выхода блока 22 управления, определяется длительностью импульса Δt nT (эпюра в, фиг. 2), вырабатываемого счетчиком 24 времени. За интервал времени Δt nT с момента времени t₁ до момента времени t₂ с выхода блока 1 кодирования снимается n кодовых слов. Эти выходные коды блока 1 поступают через первый вход первого коммутатора 2 кодов на информационный вход накапливающего сумматора 3 и на вход блока 6 ранжирования. В накапливающем сумматоре 3 происходит суммирование кодовых слов N_i и по истечении интервала времени Δt nT в накапливающем сумматоре будет написан код N_E1 N_i. Разрешение на суммирование i-кодового слова в накапливающем сумматоре 3 задается отрицательными перепадами импульсов, поступающих на вход управления сумматора 3 с элемента И 23 (эпюра е, фиг. 2) через элемент ИЛИ 30 (эпюра к, фиг. 2). В блок 6 ранжирования за интервал времени Δt записывается n кодовых слов и располагаются в нем в порядке возрастания их величин. По окончании интервала времени Δt nT на выходе счетчика 24 времени в течение интервала времени Δt₁ kT (эпюра в, фиг. 2) формируется низкий (нулевой) сигнал, где k целое число, а k < n. Положительным перепадом выходного напряжения инвертора 25 в первом элементе 28 задержки формируется отрицательный импульс (эпюра з, фиг. 2), который блокирует прохождение импульса второго задающего генератора 27, совпадающего по времени с моментом положительного периода выходного напряжения инвертора 25 (эпюра г, фиг. 2) через дополнительный элемент И 29. Второй элемент задержки формирует последовательность импульсов (эпюре л, фиг. 2), задержанных относительно выходных импульсов (эпюра и, фиг. 2), формируемых дополнительным элементом И 29. В результате операции логического сложения, выполняемого элементом ИЛИ 30, формируется сигнал, изображенный на эпюре к (фиг. 2). Задними фронтами импульсов (эпюра к, фиг. 2) в регистре 38 памяти записывается код вычитающего счетчика 17.

Положительным перепадом первого импульса (эпюра и, фиг. 2) дополнительного элемента И 29 в сумматоре 11 образуется сумма, а в блоке 9 вычитания разность содержимых счетчиков 16 и 17.

Так как в счетчиках 16 и 17 были 0 и n, то первым импульсом будут записаны в сумматоре 11 и блоке 9 вычитания коды N_E n. Выходной код сумматора 11 поступает на вход управления блока 12 выделения медианы. С выхода блока 12 выделения медианы снимается срединный (медианный) отсчет N_m1 под номером n/2, определяемый как полусумма двух срединных кодовых слов при четном числе ряда, находящихся в блоке 6 ранжирования, и срединного отсчета при нечетном числе ряда. Выходной код медианного значения поступает на один из входов блока 10 сравнения.

Выходные коды накапливающего сумматора 3N_E1 и блока 9 вычитания n поступают на информационные входы блока 4 деления. В блоке 4 деления задним фронтом первого импульса (эпюра и, фиг. 2), поступающего на выходы управления, осуществляется деление содержимого накапливающего сумматора 3 на содержимое блока 9 вычитания, т.е. определяется среднее арифметическое . Так, после поступления первого импульса (эпюра и, фиг. 2) определяется первое среднее арифметическое = N_i Выходные коды блоков 4 и 12 среднего арифметического и медианы N_m+1поступают на входы блока 10 сравнения. При сравнении N_m1 и в блоке 10 возможны три случая:
-N_m1> δ; N_m1-> δ и U_m1- ≅ δ где δ- заданный порог сравнения. Если выполняется нестрогое неравенство N_m1- ≅ δ то на первых двух выходах блока 10 сравнения будут низкие потенциалы, а на третьем выходе возникает высокий потенциал, который через второй элемент ИЛИ-НЕ 21 запрещает дальнейшее прохождение импульсов через дополнительный элемент И 29 и разрешает выдачу кода N_m1через блок 5 элементов ИЛИ на выход устройства. В этом случае N_m1принимается за истинную измеряемую величину. При выполнении неравенства N_m1 > δ на первом и третьем выходах блока 10, будут низкие потенциалы, а на втором выходе сигнал логической "1", который разрешает прохождение первого импульса с второго элемента 31 задержки (эпюра л, фиг. 2) через второй элемент И. Выходной импульс элемента И 15 поступает на вход вычитающего счетчика, уменьшая его содержание на единицу. В регистр 38 положительным перепадом напряжения (эпюра и, фиг. 2) в это время записывается код n предыдущего состояния счетчика 17. Этот код n и код с выхода суммирующего счетчика 16 поступают на информационные входы третьего коммутатора 13 кодов, на вход управления которого подается управляющий потенциал с первого дешифратора 18. На входе управления коммутатора 13 будет сигнал логической "1" только при нулевом коде в суммирующем счетчике. При единичном управляющем сигнале с выхода коммутатора 13 кодов снимается код n, записанный в регистре 38 памяти. Этот код является адресом максимального кода N_n в блоке ранжирования. Максимальный код N_n через второй коммутатор 7 кодов, блок 8 инверторов и первый коммуматор 2 кодов поступает на вход накапливающего сумматора 3. Задним фронтом первого импульса в интервале времени Δt₁ (эпюра к, фиг. 2) разрешается вычитание N_n из N_Σ1. В результате в накапливающем сумматоре 3 записано
NΣ ₂= N_i
Положительным перепадом второго импульса (эпюра и, фиг. 2), поступающего на входы управления с дополнительного элемента И 29, в сумматоре 11 снова образуется сумма, а в блоке 9 вычитания разность содержимых счетчиков 16 и 17. Так как в счетчиках 16 и 17 были 0 и n-1, то в сумматоре 11 и блоке 9 вычитания будет записано N_E-1 n-1. Выходной код сумматора 11 поступает на вход управления блока 12 выделения медианы и выбирается следующая медиана N_m2 из n-1 членов ряда отсчетов.

Выходные коды накапливающего сумматора 3N_Σ2 и блока 9 вычитания n-1 поступают на информационные входы блока 4 деления. В блоке 4 деления задним фронтом второго импульса (эпюра и, фиг. 2), поступающего на входы управления, осуществляется деление содержимого сумматора 3N_Σ2 на содержимое блока 9 вычитания n-1, т.е. определяется среднее арифметическое.

= N_i
Выходные коды блоков 4 и 12 среднего арифметического и медианы N_m2 поступают на входы блока 10 сравнения. При сравнении N_m2 и в блоке 10 возможны три случая:
-N_m2 > δ, N_m2- > δ и N_m2- ≅ δ
Если выполняется нестрогое неравенство N_m2- ≅ δ, то на первых двух выходах блока 10 сравнения будут низкие потенциалы, а на третьем выходе возникает высокий потенциал, который через второй элемент ИЛИ-НЕ 21 запрещает дальнейшее прохождение импульсов через дополнительный элемент И 29 и разрешает выдачу кода N_m2 через блок 5 элементов ИЛИ на выходе предлагаемого устройства. В этом случае N_m2 принимается на истинную измеряемую величину напряжения. При выполнении неравенства N₂-N_m2 > δна первом и третьем выходах блока 10 будут низкие потенциалы, а на втором выходе потенциал логической "1", который разрешает прохождение через второй элемент И 15 второго импульса. Выходной импульс элемента И 15 уменьшает содержимое вычитающего счетчика 17 на единицу. В регистр 38 памяти в это время записан код предыдущего состояния счетчика 17; n-1. Выходные коды регистра 38 и суммирующего счетчика 16 поступает на информационные входы третьего коммутатора 13 кодов, на вход управления подается сигнал логической "1" с первого выхода первого дешифратора 18. Код регистра 38 памяти через третий коммутатор 13 кодов поступает на вход управления второго коммутатора 7 кодов. Кодовое слово N_n-1 из блока ранжирования поступает через второй коммутатор 7 кодов, блок 8 инверторов и первый коммутатор 2 кодов на вход накапливающего сумматора 3. Задним фронтом второго импульса в интервале времени Δt₁(эпюра к, фиг. 2) разрешается вычитание N_n-1 из суммы N_Σ2 В результате в накапливающем сумматоре 3 будет записана сумма NΣ ₃N_i. Далее вновь определяется среднее арифметическое и медиана N_m3 и осуществляется их сравнение до тех пор, пока абсолютная разность между текущими средним арифметическим и медианой N_mp не будет меньше заданного порога сравнения δ, либо их разность меняет знак, где Р целое число, P 2 ≅ Т₁ период следования выходных импульсов второго задающего генератора 27. При смене знака разности N_mp на вход суммирующего счетчика 16 с первого элемента И 14 поступает импульс и изменяет его состояние, т.е. в младшем разряде суммирующего счетчика 16 появляется сигнал логической "1". На первом выходе первого дешифратора 18 появляется сигнал логического "0" и подается на первый вход первого элемента ИЛИ-НЕ 20, на второй вход которого также поступает сигнал логического "0" с первого выхода второго дешифратора 19, так как вычитающий счетчик 17 в это время находится не в исходном состоянии. В результате логического сложения, выполняемого первым элементом ИЛИ-НЕ 20, на его выходе будет сигнал логической "1", который запрещает прохождение импульсов через дополнительный элемент И 29 и разрешает выдачу кода N_mp на выход устройства через блок 5 элементов ИЛИ.

При выполнении, начиная с первого шага, неравенств N_m1- > δ, N_m2- > δ. N_mp- >δ, предлагаемое устройство работает аналогично, только в исходном состоянии n остается вычитающий счетчик 17, а содержимое суммирующего счетчика 16 увеличивается с каждым шагом сравнения текущих среднего арифметического и медианы, принимая значения 0,1, F-1. При этом, так как суммирующий счетчик 16 будет не в исходном состоянии, на выходе первого дешифратора 18 будет сигнал логического "0", и через третий коммутатор 13 кодов на управляющий вход второго коммутатора 7 кодов передаются коды суммирующего счетчика 16 (после их увеличения на единицу), а не регистра 38 памяти, что обеспечивает последовательное исключение из медианы и среднего арифметического ранжированных выборок не с максимальными, а с минимальными номерами 1,2,Р.

При сравнении текущих среднего арифметического и медианы может наступить момент, когда число шагов р≥2n/3, в этом случае на вторых выходах либо первого 18, либо второго 19 дешифраторов появляется сигнал логической "1", который через второй элемент ИЛИ-НЕ (эпюра м, фиг. 2) запрещает прохождение импульсов через дополнительный элемент И 29 и разрешает выдачу кода N_mp через блок 5 элементов ИЛИ на выход предлагаемого устройства в качестве истинного значения измеряемой величины.

По окончании интервала времени Δt₁kT положительным перепадом выходного напряжения счетчика 24 времени осуществляется установка блоков 6, 3, 16 и 17 в исходное состояние. Процесс накопления автоматически повторяется и т.д.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Область преимущественного применения - цифровые фазочувствительные вольтметры, используемые при поисках рудных месторождений, залегающих на глубинах до 1,5-2 км. Цель изобретения - повышение помехоустойчивых преобразователей. Для этой цели по способу преобразования периодического электрического сигнала в код, заключающемуся в периодической выборке сигнала и запоминании конечного числа выборок, по определенным выборкам определяют и сравнивают среднее значение и медиану, при этом для медианы меньшей среднего исключают максимальную из выборок, а для медианы, превосходящей среднее, - минимальную из выборок, и вновь определяют медиану и среднее значение и осуществляют их сравнение, причем сравнение и исключение максимальной или минимальной из оставшихся выборок повторяют до тех пор, пока медиана и среднее значение не совпадут с заданной точностью или их разность не изменит свой знак, или не будет исключено заданное число выборок. В устройство для осуществления способа, содержащее первый, второй и третий коммутаторы, блок кодирования, блок ранжирования, блок выделения медианы, накапливающий сумматор, первый и второй элементы И и блок управления, введены регистр памяти, блок элементов ИЛИ, блок инверторов, блок вычитания, сумматор, суммирующий и вычитающий счетчики, первый и второй дешифраторы, первый и второй элементы ИЛИ-НЕ и блок деления. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ преобразования периодического электрического сигнала в код, заключащийся в формировании группы последовательных выборок электрического сигнала путем его аналого-цифрового преобразования, выделении среди них медианной выборки, исключении части выборок, формировании результата преобразования из части оставшихся выборок, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости преобразования, кроме выделения медианной выборки определяют среднее значение всех выборок группы, которое используют для сравнения с медианной выборкой, при этом в случае, если медианная выборка меньше среднего значения группы, исключают максимальную из выборок, а если она больше, то исключают минимальную из выборок, после чего операции определения среднего значения и выделения медианной выборки среди оставшихся выборок группы, исключения следующей максимальной или минимальной выборки продолжают до тех пор, пока при сравнении очередного среднего значения с очередной медианной выборкой абсолютное значение их разности не станет меньше абсолютного значения допустимого порога сравнения или пока эта разность не изменит свой знак, или не будет исключено заданное число выборок, а в качестве результата преобразования используют значения последней медианной выборки или среднего значения оставшихся выборок. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что абсолютное значение допустимого порога сравнения выбирают равным

где U текущее значение медианной выборки;
n количество выборок в группе, причем заданное число исключенных выборок должно быть ≅ 2n/3. 3. Устройство преобразования периодического электрического сигнала в код, содержащее блок кодирования, информационный вход которого является входной шиной, управляющий вход соединен с первым выходом блока управления, первый элемент И, первый вход которого подключен к первому выходу блока сравнения, блок вычитания, управляющий вход которого соединен с вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с входом установки суммирующего счетчика, выход которого соединен с первым информационным входом первого коммутатора, блок выделения медианы, второй коммутатор, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введены накапливающий сумматор, блок деления, блок элементов ИЛИ, блок ранжирования, блок инверторов, сумматор, третий коммутатор, второй элемент И, вычитающий счетчик, первый и второй дешифраторы, регистр памяти, первый и второй элементы ИЛИ НЕ, выход первого из которых подключен к входу блока управления и первому входу блока элементов ИЛИ, второй вход которого объединен с первым входом блока сравнения и подключен к выходу блока выделения медианы, первый вход которого соединен с входами второго коммутатора и подключен к выходам блока ранжирования, информационный вход которого подключен к выходу блока кодирования и объединен с первым информационным входом третьего коммутатора, второй информационный вход которого через блок инверторов соединен с выходом второго коммутатора, а управляющий вход объединен с управляющим входом блока ранжирования и подключен к третьему выходу блока управления, который и четвертый выход блока управления подключен к первому и второму управляющим входам накапливающего сумматора соответственно, информационный вход которого соединен с выходом третьего коммутатора, а выход подключен к первому информационному входу блока давления, второй информационный вход которого соединен с выходом блока вычитания, а управляющий вход объединен с управляющими входами сумматора и регистра памяти и подключен к второму выходу блока управления, а выход блока деления соединен с вторым входом блока сравнения, второй и третий выходы которого соединены с первым входом второго элемента И и первым входом первого элемента ИЛИ НЕ соответственно, второй и третий входы которого подключены к первым выходам первого и второго дешифраторов соответственно, а четвертый вход соединен с выходом второго элемента ИЛИ НЕ, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторыми выходами первого и второго дешифраторов, входы которых подключены соответственно к выходам вычитающего и суммирующего счетчиков, информационные входы которых подключены соответственно к выходам второго и первого элементов И, вход установки вычитающего счетчика соединен с третьим выходом блока управления, а выход подключен к информационному входу регистра памяти, первому информационному сумматору, второй информационный вход которого соединен с выходом суммирующего счетчика и объединен с вторым информационным входом блока вычитания, при этом второй выход второго дешифратора соединен с управляющим входом первого коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу регистра памяти, а вторые входы первого и второго элементов И соединены с пятым выходом блока управления, выход первого коммутатора соединен с управляющим входом второго коммутатора, а выход блока элементов ИЛИ является выходной шиной. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок управления выполнен на первом задающем генераторе, первом и втором элементах И, инверторе, счетчике времени, первом и втором элементах задержки, элементе ИЛИ и втором задающем генераторе, установочный вход которого подключен к выходу первого задающего генератора и объединен с первым входом первого элемента И и входом счетчика времени, выход которого является третьим выходом блока и соединен с вторым входом первого элемента И непосредственно и через инвертор подключен к первому входу второго элемента И и через первый элемент задержки к второму входу второго элемента И, третий вход которого соединен с выходом второго задающего генератора, четвертый вход является входом блока, первым выходом которого является выход первого элемента И, который подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого является пятым выходом блока и подключен через второй элемент задержки к выходу второго элемента И и является вторым выходом блока, четвертым выходом которого является выход элемента ИЛИ.