Анализатор дискретного спектра Советский патент 1980 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для исследования случайных элек рических сигналов, например в акустике, технической и медицинской диагностике и др. Современные наушые и технические эксперименты, в которых информация об объекте получается при обработке электрических сщналов случайного характера, часто требуют сочетания широкого диапазона частот анализа - ряда 100 - 500 ортотональных составляющих, точности работы аппаратуры, при ее конструктивной компактности и логической простоте структуры. Известен безрезонансный анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные преобразователь напряжение-частота, умножитель частоты, ключ и счетчик. На второй вход умножителя частоты от генератора подаются импульсы с синусным законом изменения их частоты, а счетчик и ключ управляются формирователем периода исследуемого сигнала 1. Недостаток такого анализатора - увеличение погрешностей вычислений спектра при расширении диапазона частот анализа, что определяется трудностями генерирования ряда импульсных последовательностей при соблюдении условия синусного закона изменения частот импульсов в каждой из этих последовательностей. Необходимость упрощения процедуры вычисления спектра и требований к блокам, аппаратуры способствовали разработке анализаторов аналого-цифрового типа, вьшолняющих математические операции в дискретных устройствах с активным (управляемым) и пассивным принципом действия. К такой аппаратуре относится многоканальный анализатор Спектра, являющийся наиболее близким.к предлагаемому анализатору, содержащий квантователь, первый вход которого является влодом анализатора, второй вход квантователя соединен с первым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен со входом анализатора, а выход через

блок стробирования подключен ко входу коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами накопителя ординат корреляционной функции, выходы которого соединены с информационными входами соответствующих ключей первой группы, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам первого регистра опроса1Ч.

Существенными недостатками указанного многоканального анализатора являются ограниченные значения нижних частот анализа (от единиц Гц и выще) из-за использова1шя многоканальных сумматоров, которые могут быть) только аналогового типа, что приводит к существенным токам утечки при ольших длительностях реализаций сигнала; громоздкость аппаратуры при большом количестве в ычисля- емых ординат спектра, так как каждый масщтабный блок содержит ряд из М-пассивных аппроксимирующих злементов (один ряд аппрюксимирует одну базисную функцию), вследствие чего общее количество аппроксимирующих злементов равно М 2000-10000 штук, что уменьпиет и экономическую эффективность аппаратуры; небольшой диапазон частоты анализа, так как при М 30-50 начинают проявляться взаимные влияния сигналов в каналах, что уменьшает точность вычисления ординат спектра.

Цель изобретения -- расширение диапазона частот анализа исследуемых сигналов при миниатюризации аппаратуры вычисления спектра.

Поставленная цель достигается тем, что в анализатор дополнительно введены три регистра опроса, три группы ключей, делители напряжения, преобразователь напряжение-код, накопитель ординат спектра и формирователь импульсных последовательностей, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами регистров опроса и преобразователя напряжение-код с инвертором знака, информационный вход которого соединен с выходом делителей напряжения, входы которых соединены с выходами соответствующих ключей второй группы, входы которых объедашены и подключены к объединенному выходу ключей первой группы, управляющие входы ключей второй группы соединены с соответствующими выходами второго регистра опроса, управляющие входы ключей третьей и четвертой группы подключены к соответствующим выходам соответственно третьего и четвертого регистра опроса, информационные входы ключей третьей группы объединены и подключены к выходу преобразователя напряжение-код с инвертором знака а их выходы соединены с соответствующими входами накопителя ординат спектра, выходы которого соединень с информационными входами соответствующих ключей четвертой группы, выходы которых объединены и являются выходом анализатора, а управляющий вход формирователя импульсных последовательностей подключен ко второму выходу блока управления.

На фиг. Г приведена блок-схема предлагаемого анализатора дискретного спектра; на фиг. 2 - временная диаграмма.

Анализатор дискретного спектра содержит последовательно соединенные квантователь 1, блок 2 умножения, блок 3 стробирования, первый распределительный коммутатор 4, Nканальный накопитель 5 ординат корреляцнон-

ной функции,коммутатор вывода с ключами б и регистром 7 опроса, второй распределительный коммутатор с регистром 8 опроса, ключами 9 и одним рядом делителей напряжения 10о, 10|, выходной преобразователь

11 напряжение-код, третий распределительный коммутатор с регистром 12 опроса и ключами 13, накопитель 14 ординат спектра; коммутатор вьгеода с ключами 15 и регистром 16 опроса, при этом каждый ключ 9 второго распределительного коммутатора соединен с одним аппроксимирующим :шементом , значение которого равно значению выборки базисной функции на четверти периода разложения сигнала, а управляющие входы ключей каждого

коммутатора соединены с выходами соответствующих регистров 7, 8, 12 и 16 опроса, входы которых, и управляющий вход выходного преобразователя 11 с инвертором знака, подключены к соответствующим выходам формирователя 17 импульсных последовательностей, соединенного входом с выходом устройства управления 18.

Анализатор дискретного спектра, осуществляющий измерение спектра через Фурье-преобразование корреляционной функции, работает следующим образом.

Перед началом работы все устройства анализатора установлены в исходное состояние, ключи 6, 9 и 13 распреде.1штельных коммутаторов, и ключ 15 коммутатора вьшода- - разомкнуты; при этом коэффициент передачи выходаого преобразователя 11 с инвертором знака - установлен равным i KI +1. Измерение спектра производится в два этапа. На первом зтапе из входного исследуемого сигнала Xjft) формируется корреляционная функция С-т, представленная N-ординатами (т 0, 1, 2, ..., N-1). Для этого входной сигнал поступает через квантователь 1 и блок 2 умножения на блок стробирова}шя. Период схробирования определяет дискретность (шаг аргумента) коррелятшонной функции, а число тактов стробирования за о/шн цикл определяет количество ординат корреляционной фза1кЦИИ.

Дискреты с амплитудами, пропорциональными произведениям текущего значения сигнала на задержанный, распределяются коммутатором 4 в соответствующие ячейки накопителя 5 корреляционной функции (фиг. 2а).

Таким образом, введение накопителя 5 в анализатор позволяет в явном виде иметь информацию о временных связях сигнала и су- щественно упростить устройства, предназначенные непосредственно для измерений спектра.

Второй этап обработки состоит непосредственно в измерении спектра, для чего осуществляется последовательность математических one- 15 раций, составляющих дискретное преобразование Фурье. Использование второго распределительного коммутатора лишь с одним рядом делителей 10к напряжения (например резисторов Pj, значения которых пропорциональны значе- 20 нням выборок базисной функции - см фиг. 2е), позволяет в 5-10 раз расширить диапазон частот анализа благодаря изменяющейся от цикла к циклу кратности частот управляющих импульсов, подаваемых на регистр 9 опроса по отношению к частотам управляющих импульсов подаваемых на регистр 7 опроса. Используя свойство равенства выборок крат ных частот базисных функций С Сц , при помощи одного ряда аппроксимирующих элементов 12 формируется система из N 100200 базисных функций. Вычисление дискретного преобразования Фурье для Q ординат спектра осуществляется за Q циклов (q 1,2, ..., Q) при этом на регистр 7 опроса от формирователя 17 импульсных последовательностей подаются управляющи импульсы (импульсы опроса) постоянной частоты FI, на регистр 8 опроса - с частотой, различной в каждом q цикле и равной qF,, а на регистр 12 опроса - с частотой -Fj, для пределения выборок, через ключи 13, в определенные ячейки накопителя 14 ординат спектра. Для q 1 вычисляется первая ордината спектра, что достигается благодаря х;инхронному открыванию ключей 6 (от 1 до N-ro) и ключей 9 (от 1 до М-го и от M-fo до 1-го, если М ЗС N) с частотой Fj; через открытый ключ 13 1-го канала соответствующего распределитeльнoJ o коммутатора выборки временной функции С, каждая из которых по амплитуде промодулирована соответствующим аппроксимирующим элементом 10, поступают в 1-уюячейку накопителя 14 ординат спектра (фиг. 26); причем выходной преобразователь 11 с инвертором знака производит инверсию знака выборок временной функции и преобразует форму этих

выборок (например амплитуда - код или амплитуда количество импульсов), что позволяет анализировать инфранизкочастотные сигналы с част«тнь1ми составляющими до сотых

долей Гц с накоплением в компактных счетчиковых структурах.

Для q 2 вычисляется вторая ордината спектра - S(f2), благодаря изменеш1ю лишь частоты управления регистром 8 окрюса rtspsoго распределительного коммутатора (фиг. 2в), т.е. выборки с О, 1, 2, ... (N-1) каналов накопителя 5, через ключи 6, поступают на входы ключей 9, открываемых регистром 8 опроса в 2 раза чаще, вследствие чего эти выборки проходят через О, 2, 4, ... аппроксимирующие элементы 10 и далее через выходной преобразователь 11с инвертором знака -и второй из ключей 13 во 2-ую ячейку накопителя 14 ординат спектра. Для q Q процедуры производятся аналогично предыдущим циклам, лишь с изменением частоты управляющих импульсов; большая кратность частот управления регистрами опроса 7 и 8 приводит к тому, что выборки временой функции проходяг только через первый люч 9 и нулевой делитель напряжения OQ, то соответствует умножению функции С на азисную функцию (например. Со представленую на фиг. 2е); результат накапливается в .OH ячейке накопителя 17. в итоге после О-циклов преобразование урье в накопителе 14 накапливаются потен.олы, характеризующие действительную и мнимую компоненты да1скретного спектра /л...р-д Sti)((t-rnAT)(rnu-i:)l, I . G.apri« 2:Rl где G - значерше проводимости аппроксимирующего элемента с номером, равным произведению (q х т; б - импульсы опроса; f - значение частоты первой ординаты спектра; Р - номер полупериода базисной функции, аппроксимируемой при вы-, числении каждой q-ой ординаты спектра (фиг. 2е); В - масштабный множитель. При этом для вычисления мнимой компоненты (f) опрос ключей 9 производят в. обратном порядке по отношению к вь1числе нию действительной компоненты Re S(f), т.е. начиная с номеров (М-1), (М-2), ... и т.д., что соответствует умножению временной функции на sin-функцию. Таким образом, введение в анализатор вто рого накопителя с коммутатором вывода, второго распределительного коммутатора (с ключами и лишь одним рядом аппроксимирующих элементов) и последовательно соединенных с ним выходного преобразователя II с инвертером знака и третьего распределительного коммутатора, благодаря управлению режимами их работы при помоихи дельта-импульсов кратных частот, подаваемых от формирователя импульсной последовательности, по воляют получить существенный совокупный гехнико-экономический эффект. Формула изобретен Анализатор дискретного спектра, содержащий квантователь, первый вход которого является входом анализатора, второй вход квантователя соеданен с первым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен со входом анализатора, а выход череэ блок стробирования подключен ко входу коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами наполнителя ордиHEir корреляционной функщш, выходы которо го соединены с информавдонными входами со ответствующих ключей первой группы, управл ющие входы которых подклюшкь; к соответствующим выходам первого регистра опроса, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона, в анализатор, дополнительно введены три регистра опро са, тригруппы ключей, делители напряжения, преобразователь напряжение-код.накопитель ординат спектра и формирователь импульсных последовательностей, соответствующие входы которого соединены с управляющими входами регистров опроса и преобразователя напряжениекод, информационный вход которого соединен с выходом делителей напряжения, входы которых соединены с выходами соответствующих ключей второй группы, входы которых объединены и подключены к объединенному выходу ключей первой группы, управляющие входы ключей второй группы соединены с соответствующими выходами второго регистра опроса, управля ю1Щ1е входы клю-;сй третьей и четвертой группы подключены к соответствующим выходам соответствен(ю третьего и четвертого регистра опроса.инфоркагщокные входы ключей третьей группы объединень: к подключены к выходу преобразователя напряжение-код, а их выходы соединены с соответствующими входами накопителя ординат спектра, выходы которого соединены с информационными входами соответствующих ключей четвертой группы, выходы которых объединень . .гьлякзтся выходом анализатора, а управляющий вход формирователя импульсных последовательностей подключен ко второму выходу блока управления. Источники информации, принять е во вииманисп при экспертизе 1.Авторское свидетельстпо СССР № 453645, кл. G 01 R 23/16, ,1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 382111, кл. G 06 G 7/52, 1971 (прогтип).

К. ./i.

2 |3 У ...

чУ

di

г

т-л1

Л/i

1 I Ml I I II .

s

liiiiiinii li

о i 2 5 Ц 56

liiinliiiiiiii

О 1гЗЧ 567S9

i I I I I

iOO

i

j/-y

I

6)

2(А/-/)

гу

э)

e/