Цифровой анализатор спектра Советский патент 1980 года по МПК G01R23/00 

1

Изобретение относится к специализированным- средствам вычислительной техники, предназначенным для спектрального анализа случайных процессов, и может использоваться при построении автоматизированных систем формирования и управления спектром случайного процесса.

Известны цифровые анализаторы спектра Г1, и зЗ.

Анализатор 1, содержит соединенные последовательно генератор тактовых импульсов и делитель частоты, выход которого соединен со входом блока ввода и первыми входами двух элементов И, вторые входы которых подключены к выходу генератора тактовых импульсов, соединенного со входом счетчика прямого счета; выход блока ввода через блок умножения, подключенный вторым входом к выходу счетчика обратного счета, соединен с первыми входами двух накапливающих регистров; последовательно соединенные блок установки номера гармо-

НИКИ и формирователь кода аргумента и знаков синуса и косинуса, а также две схемы сравнения и дешифратор пороговых значений. Выход делителя частоты соединен с импульсным входом формиро вателя кода аргумента и знаков синуса и косинуса, информационные выходы которого соединены с первыми входами схем сравнения, а знаковые выходы - с вторыми входами соответствующего накапливающего регистра. Третьи входы регистра подключены к выхо{Гу соответствующего злемен та И, третьи входы которого подключены к выходам соответствующих схем сравнения, вторые входы которых соединены со входом дешифратора пороговых значений и первым выходом счетчика прямого счета. Второй выход счетчика.соединен с с первым входом счетчика, обратного счета, подключенного вторым входом к выходу дешифратора пороговых значений.

Недостатком устройства является малое быстродействие, так как анализ ве-

3. 7

дется с постоянной абсолютной разреша- ющей способностЕ,ю.

Известно также устройство для спектрального анализа двумя каналами в каждый из которых входят блок преобразования, соединенный с квадратором, общий сумматор, соединенный с усредняющим блоком, генератор гармонического сигнала и схемы сравнения. Каждый блок преобразования содержит измери-

тельный блок, соединенный с накопителем, интегратор с ключом-разрядником, подключенный входом к одному из выходов генератора гармонического сигнала, а выходом ™ к двум схемам сравнения, вторые вх.оды которых подключены к ис точникам постоянных напряжений, и логи ческий элемент ИЛР1, Один вход элемента ИЛИ соединен с выходом первой схемы сравнения, другой -- с выходом вторей схемы сравнения и с управляющим входом накопителя; выход элемента ИЛИ подключен к измерительному блоку и ключу.азряднику.

Этот анализатор хотя и имеет более высокое быстродействие, чем анализатор |lj но тем не меиве и его быстродействие недостаточно.

Наиболее близким по технической су .цностк к нредложенному яшшется

анализатор спектра с5, содержащий блок управления, первый выкоа. которог-о совдинея со входом счетчика; преобра -. зователь аналог-код, первый вход ко о рого является входом анализатора, а РТО рой -- соединен с первым выходом блоке упрашшния; первый и второй блоки умно жения, первые входы которы с соединены с выходом преобразователя аналог .-1чод, а вторые с вь1ходом соответствук-щего преобразователя кода аргумента в значе ния фз-нкций скпуса и косинуса; первый и второй сумматоры, первые входы которых соединены с выходом соответствующго блока умножения; первый и второй блоки сдвигающих регистров, входы кото рых подключены к выходу соответствующего сумматора, а выходы - ко вторым входам соответствующих сумматоров; первый и второй блоки элементов И, первые входы которых соединены с выходами соответствующих сумматоров, вторые входы - с первым выходом двоичного счетчика, а выходы являются соответст венно первым и вторым выходами анали затора.

Анализ спектра в этом анализаторе ведется с постоя1тной абсолютной ра,зре

щающей способностью или с неременной относительной разрешающей способностью

Однако при постоянной абсолютной разрешающей способности анализа в высокочастотной части спектра берется значительно больше гармоник, чем это нужно для обеспечения заданной точности анализа, а это приводит к лишним вычислительным операциям (сложению, ум- нохлению), т. е. увеличению времени анализа и снижению быстродействия анализатора. Следовательно, для обеспечения заданной точности анализа можно в высокочастотной части спектра взять значительно меньше гармоник, т. е. вести анализ с постоянной относительной разрешающей способностью.

Таким образом, недостатком известных анализаторов спектр)а является низкое быстродействие вследствие ведения спектрального анализа с постоянной абсолютной разрешающей способностью.

Цель изобретения - повышение быстродействия цифрового анализатора спектра.

Для достижения поставленной цели в цифровой анализатор спектра введены третий блок умноншния, регистр константы и регистр кода аргумента, пульт управления, третий, четвертый и пятый блоки злеь ентов И и формирователь знак хосинуса.

При этом первый вход третьего блока умножения соединен с выходом регистра константы, вход которого соединен с выходом третьего блока элементов И. Первый вход третьего блока элементов И подключен к пульту управления, а второй ко второму выходу блока управления; первый вход регистра кода аргумента соединен с выходом четвертого блока элементов И, первый вход которого подключен ко второму выходу двоичного счетчика, а второй -- к первому выходу блока управления. Второй вход регистра кода apryi 4eHTa соединен с выходом пятого блока- элементов И, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, второй вход - к третьему выходу блока управления. Первый выход регистра кода аргумента соединен со вторым входом третьего блока умножения, второй и третий выходы - с первым и вторым входами формирователя знака косинуса, а четвертый В1,1х;од первыми входами преобразователей кода аргумента в значения функций синуса и косинуса. Второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции спну- са соединен со вторым выходом регистр кода аргумента, а второй вход преобраз вателя кода аргумента в значение функции косинуса подключен к выходу форми рователя. знака косинуса. Так как значение нового аргумента получается путем умножения на постоянное число, то отношение приращения час тоты к частоте будет постоянным во все диапазоне частот. Частота к-й гармоники будет определяться следующим образом: .uuc: (Y) п - некоторый постоянный коэф фициент. Тогда относительная разрешающая способнос будет постоянной , а) а абсолютная разрешающая способность будет изменяться дии йи;()с:|, Относительная разрешающая способность определяется через заданную добротность Q по следующей формуле: (Уш-Л.а)/ л;-1/Q. () Из формул (2) и (4) определяют введе ный ранее постоянный коэффициент . На этот коэффициент умножают значение аргумента одной гармоники, чтобы получить значение аргумента следующей гармоники. При этом добротность во всем частотном диапазоне будет равна 3 . Частсугы гармоник будут располагаться как показано на фиг. 2 и определяться по формулам (5) и (1), причем число их будет существенно меньше, чем при постоянной разрешающей способности. Если считать, что спектральный анализ с постоянной абсолютной разрешающей способностью является первым способом, а с посгоянной относительной разрешающей способносгью - вторым способом, го можно показать, что отношение числа частотных отсчетов в первом способе к аналогичному числу во втором способе составит (и;вК-00 (j м egru;e(uJ, I Шв верхняя частота спектра; Уг)ц - нижняя частота спектра. На фиг. 1 показано расположение гар- МОНИК при спектральном анализе с постоянной абсолютной разрешающей способностью; на фиг. 2 - расположение гармоник при спектральном анализе с постоянной относительной разрешающей способностью, на фиг. 3 - структурна я схема цифрового анализатора спектра. Цифровой анализатор спектра содержит блок управления 1, состоящий из генератора тактовых импульсов и дели- теля частоты, пульт управления 2, блок элементов И 3, двоичный счетчик 4, регистр 5 константы, блок умножения 6, блоки элементов И 7, 8 формирователь 9 знака косинуса, регистр 10 кода аргумента, преобразователи 11, 12 кода аргумента в значения функций синуса и косинуса соответственно, два идентичных канала пш1учения коэффициентов разложения Фурье Ак и Вк, каждый из кото- Рых cocTOiiT из блока умножения 13(14), сумматора 15(16), параллельно сдвигающего регистра 17(18), блока элементов И 19 (2О). Входной сигнал поступает на вход преобразователя 21 аналог-код. Двоичный счетчик 4 mvieeT два выхода а и б. По выходу б передается содержимое разрядов О - j , по выходу а - сигнал на разрешение вьщачи вычисленных очередных коэффициентов разложения Фурье А и сумматоров 15, 17. Регистр 1О кода аргумента имеет два входа а и б и четыре выхода в, г, д, е. Разрядность регистра р. По входу а, информация заносится в разряды -г4 , а по входу б - в разряды О -р. С выхода в снимается содержимое разрядов О4Р, а с с выхода г.- содержимое (г j )-гр разряда, выход д - выход () разряда, с выхода е снимается содержимое разрядов, (( )-й разряд - знаковый разряд аргумента функции синус). Пульт управления 2 предназначен для задания кода числа ( , которое определяет добротность . спектрального анализа. В качестве пульта управления может использоваться набор кнопочных переклю чателей иди микротумблеров, но если цифровой анализатор является модулем ЭиВМЯ или блоком автоматизированной системы виброиспытаний, то в качестве пульта управления применяют выходной регистр устройства сопряжения. Определение спектра исследуемого сигнала основано на реализации алгорит . ч -1 N А - 2кСит-)3 пс:у и v 1С IlKChT)coeq,. -г где А.и В(- коэффициенты Фурье исследуемого сигнала; X(hT) числовое значение дискретного отсчета сигнала; Т - период квантования; - порядковый номер дискре ного отсчета сигнала; )| - число дискретных отсчетов сигнала в выборке; определяемый по формуле (5)| ,1, ..., порядковый номер гармон УП - общее число rapMonvjKj f - емкость счетчика 4, без знакового разряда. С пульта управления 2, по разрешаю щему сигналу с выхода а блока управ ления 1 в регистр 5 константы заносит ся код числа Ц, . Исследуемый сигнал X (t) поступает на вход преобразователя 21 аналог-код, где происходит его дискретизация с частотой, задаваемой с выхода б, блока управления 1 и равной 1/Т, и преобразование дискретных отсчетов в цифровую форму. Коды дискретных отсчетов подаются на объединенные входы блоков умножения 13, 14, формирующих частные произведения , X (ит) S1V1 (q, ) их (пт) со5(ц Цифровые значения синуса и косинуса формируются преобразователями 11 и 1 аргумента в значение синуса и косинус по кодовым значениям аргументов .функ 98 ций синуса и косинуса, поданным на входы а, и их знаков, поданным на входы б этих преобразователей. Формирование кода аргументов и знаков си- нуса и косинуса осуществляется следующим образом. На вход двоичного счетчика 4 с выхода Q, блока управления 1 поступает импульс с частотой дискретизации 1/Т. Содержимое счетчика 4 с выхода б в начале каждого периода квантования, пе редается через блок элементов И 7 в регистр 10 кода аргумента по входу а а затем умножается раз на содержимое регистра 5 константы на блоке умножения 6. Результаты каждого умножения по сигналу в, блока управления 1, через блок элементов И 8, заносятся по входу б в регистр 10, При этом в pSiгистра последовательно образуются коды аргумента функций синуса и косинуса щ . Период первой гармоники определяется емкостью счетчика 4. Емкость счет- чика .без знакового разряда { j ) равна время заполнения ( j -1) разряда двоичного счетчика равно МТ, а это половина периода первой гармоники. При этом аргумент изменяется от 1 до М, на второй половине периода ар гумент . снова изменяется от 1 до М, но при этом в знаковом разряде j двоичного счетчика 4 будет I, что означает отрицательный знак синуса. Значение аргумента И знака синуса первой гармоники формируется счетчиком 4 ш передается в.регистр 10. Значение аргумента и знака функций g-iя и Cos последующих гармоник формируется в регистре 10 путем умножения его содержимого на код регистра 5 константы. Разряд (h j ) регистра Ю показывает, в четное или нечетное число раз содержимое регистра 10 больше числа М, т. е. формируется автоматически знак синуса. В разрядах ( Ч- j ) -р образуется число дС №:ll (здесь в квадратных скобках целая часть выражения), показывающее , во скааько раз содержимое регистра 10 бапьше величины М. Разряд ( ) принимается за разряд с нулевым весом. Аргументом функций синуса и косинуса является содержимое разрядов О-( r4j -1), равное (. Разряды О - нужны для правильного вычисления аргумента, т. е. число больше 1, но меньше 2. ( ). При этом в начале цикла в регистр 10 9 занесется в t -и разряд, а после умножения на q получится число мень ше двух и если не оставить разрядов справа от ( ( т. е. О 1 -.1),то дроб ная часть пропадет и останется та же что и до умножения. Число этих разрядов определяется точностью задания чи ла с, т. е. числом разрядов регистра 5 константы. Разряды ( +1) - р ну-жны для хранения полного аргумента ( И , который необходим для получени значения аргумента (к + 1)-й гармоник Количество этих разрядов определяется по следующей формуле: оп--№ в%, где 3 - целая часть выражения; ДОП количество разрядов от (r-vj +1) до р. Таким образом, во сколько раз боль ше частота, во столько раз больше и полный аргумент {т. е. без исключения целых периодов). Знаки функций синуса и косинуса формируются следующим образом:- знак синуса получается автоматически;- знак косинуса формируется формирователем 9, а это есть сумматор по модулю два, работа которого поясняетс таблицей. где ХУ - содержимое ( )-го разряд регистра 10с весом М, Xrt - содержимое ()-ro разряда регистра Юс весом М/2. 79 Значения Х совпадают со знаком синуса, а значения Х + Xj - со значением знака косинуса. Цифровые значения частных произведений со своими знаками поступают на сумматоры 15, 16. Знак частного произведения определяет переключение сумматора на суммирование или вычитание. В результате частное произведение, поступающее на сумматор, либо суммируется с предыдущим результатом, либо вычитается из него. Каждый сумматор. 15, 16 связан прямой и обратной связью с соответствующим сдвигающим регистром 17 или 18, что позволяет осуществлять циклическое движение сумм частных произведений соответствующих КвО,1,. . ., внутри сдвигающих регистров с возвращением в сумматоры сумм для КвО ко времени очередного (п + 1)-го дискретного отсчета сигнала. В сдвигающем регистре происходит движение разрядных слов, соответствующих суммам частных произведений по уровням параллельно сдвигающего регистру. Очевидно, что за время выдачи всех И отсчетов в разрядных цепочках параллельно сдвигающих регистров 17, 18 по всем уровням будут накоплены значения коэффициентов А|, и Bjj . В интервале времени между засылкой N -го дискрета исследуемого участка сигнала и первым отсчетом следующего его участка осуществляется выдача коэффвдиентов Фурье А к и Вк через открытые блоки элементов И 19, 20 на внешнее устройство в память ЭЦВМ, если цифровой анализатор является модулем машины. Использование новых элементов: блока умножения, регистра константы, регистра кода аргумента, формирователя знака косинуса, пульта управления, трех блоков элементов И позволяет повысить быстродействие цифрового анализатора спектра. В результате может быть расширена сфера применения анализатора например, использование его в качестве блока цифровой системы формирования и управления случайными вибропроцессами позволит существенно, уменьшить время такта управления и более эффективно настраиваться на заданную программу виброиспытаний. Формула изобретения Цифровой анализатор спрктра, соаер - ащий блок управленяя, первый выход которого соединен со входом счетчика, преобразователь аналог-код, первый вход которого является входом анализатора, а второй - соединен с первым вы ходом блока управления, первый и второй блоки умножения, первые входы которых соединены с выходом преобразователя аналог-«од, а вторые - с выходом соответствующего преобразователя кода аргумента в значения функции синуса и косинуса, первый и второй сумматоры, первые входы которых соедине ны с выходом соответствующего блока умножения, первый и второй блоки сдви гающих регистров, входы которых подключены к выходу соответствующего сумматора, а выходы - ко вторым вхо- дам соответствующих сумматоров, первый и второй блоки элементов И, первые входы которых соединены с выхода ми соответствующих сумматоров, вторые входы - с первым выходом двоичного счетчика, а выходы - являются соответственно первым и вторым выход ми анализатора, отличающий с я тем, что, с целью повыщения быс родействия, в анализатор спектра введены третий блок умножения, регистр константы, регистр кода аргумента, пульт управления, третий, четвертый и пятый блоки элементов И, формировател знака косинуса, причем первый вход третьего блока умножения соединен с выходом регистра константы, вход KdO рого соединен с выходом третьего бло ка элементов И, первый вход которого подключен ц пульту управления, а вто7912рой - ко второму выходу блока управления, первый вход регистра кода аргумента соединен с выходом четвертого блока элементов И, первый вход которого подключен ко второму выходу двоичного счетчика, а второй - к первому выходу блока управления, второй вход регистра кода аргумента соединен с выходом пятого блока элемента И, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, второй вход - к третьему выходу блока управления, первый выход регистра кода аргумента соединен со вторым входом третьего блока умножения, второй и третий выходы регистра кода аргумента соединены с первым и вторым входами формирователя .знака косинуса, четвертый выход регистра кода аргумента соединен с первыми входами преобразователей кода аргумента в значения функций синуса и косинуса, второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции синуса соединен со вторым выходом регистра кода аргумента, а второй вход преобразователя кода аргумента в значения функции косинуса соединен с выходом формирователя знака косинуса. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 377811, кл. 3 Об Q 7/52, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 47481О, кл. О 06 F 15/34, 1975. 3.Авторское свидетельство СССР № 446О63, кл. О Об F 15/34, 1974 (прототип).