Устройство для определения среднейМОщНОСТи и диСпЕРСии СлучАйНОгОпРОцЕССА Советский патент 1981 года по МПК G06F17/18 

второй блок сравнения, второй счетчик, второй сумматор, первый и второй дешифраторы, коммутатор, второй элемент И, элемент ИЛИ и линия задержки, причем первый вход второго блока сравнения подключен к выходу блока памяти, выход первого блока сравнения подключен к третьему входу первого элемента И, вы541рд которог соединен с первым входом элемента ИЛ и с нулевым входом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, Звторой выход блока управления подключен к третьему входу второго элемента И, четвертый вход которого соединен с выходом линии задержки, вход которой подключён к выходу генератора счетных импульсов , выход второго элемента И соединен с первым входом второго сче чика, выход которого подключен ко второму входу элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом первого счетчика, второй вход второго счетчика подключен к пятому выходу блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом втрого сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго блока сравнения, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом B-toporo сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, входы которого объединены с первыми входами коммутатора и соединены с выходами первого дешифратора, входы которого подключены к первой группе выходов блока пересчета, вторая группа выходов которого соединена со вторым входом ко мутатора, информационные выходы которого соединены с соответствукндими входами второго дешифратора, выходы которого подключены к соответствукядим входам второго цифроаЬалогового преобразователя, управляющий коммутатора соединен со входом блока управления.

Блок-схема устройства представлена на чертеже.

Устройство содержит блок 1 управления , блок 2 памяти, первый блок 3 сравнения, второй блок 4 сравнения, первый элемент И5, триггер .6, второй-элемент И7, элемент ИЛИ8,.первый счетчик 9, второй счетчик Ю, линию 11 задержки, генератор 12, счетных импульсов, блок 13 пересчета, первый дешифратор 14, коммутатор 15, -второй дешифратор 16, первый и второй цифроаналоговые преобразователи 17 и 18, первый и второй сумматоры 19 и 20.

Работа устройства основана на приципе нелинейного времяимпульоного преобразования.

Напряжение реализации x(t) исследуемого случайного процесса подается на вход устройства, работающего циклами.. За один цикл осуществляется N дискретных выборок. При i-ой выборке напряжение X (tj-) преобразуется в импульсы, число m которых пропорционально квадрату напряжения, т. е. т kxt(ti). В результате усреднения получается оценка средней мощности Р процесса, выделяемой на резисторе в 1 Ом, согласно выражению

л N „. JI )

««S/ «i-fi ;,,

(1)

Нелинейное времяимпульсное преобразование заключается в преобразовании напряжения x(t) в интервал времени 1 , пропорциональный квадрату напряжения, т. е. Й ), с последующим заполнением этого интервала счетными импульсами. Их число т Р(.цt , где F - частота следования счетных импульсов и, следовательно, гп J (y,x(t|) kx(t;j). Квадратичное преобразование на-пряжение-интервал времени достигается в результате сравнения напряжения x.(t) с образцовым развертывающим напряжением, изменяющимся по закону v(tj) с т/Ч где t - начало отсчета времени (момент i-ой выборки), длительность формируемого интервала времени tp- , где t р - момент, в который напряжение

l)(tp- t ) становится равным напряжению x(t). При этом L U(tp-t

В качестве образцового развертывающего напряжения в предлагаемом устройстве используется ступенчатое напрялсение, которое с требуемой точностью аппроксимирует напряжение U(t-t). Формирование ступенчатого напряжения основано на получении числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый сигнал, который аппроксимируется ступенчатой функцией, моделируемой путем цифроаналогового преобразования. Для получения высокой точности ступенчатой аппроксимсщии начального участка параболической кривой U(t-tj) с t-tj при значительном динамическом диапазоне требуется большое число ступеней. При этом аппаратурная реализации устройства получается сложной и дорогой. Сократить число ступеней позволяет применение линейноступенчатой аппроксимации, Формир емое напряжение состоит из крупных ступеней (большой длительности), заполняемых ступенями (малой длительности) , высоты кotopыx внутри ступеней изменяются по линейному закону, причем с каждой новой крупной ступенью изменяется наклон мелких линейно-изменяющихся) ступеней.

Однако при такой аппроксимации, использованной в известном устройстве, начальный участок параболического напряжения U() аппроксимируется с низкой точностью (грубая аппроксимация), следствием чего является большая погрешность измерения малых значений мощности. Уменьшение длительности крупных ступеней при фи сированном их числе приводит к сужению динс1мического диапазона измерений ,

Преодоление указанных трудностей, т. е. получение большого динамического диапазона и хорошей разрешающей способности устройства при оценке малых мощностей, обусловлено двумя особенностями предлагаемого устройст ва, отличающими его от известного: формированием крупных ступеней, увеличивающихся с переменным шагом, например соотношение длительностей 1:2:4:8:8:16:16 и наличием двух образцовых параболических напряжений, одно из которых используется для измерений при малых уровнях входного сигнала, а второе - при больших уровнях, причем значения первого напряжения остаются все время меньше значений второго напряжения; лишь начальное (минимальное) значение последнего равно конечному(максимальному) значению первого напряжения. Для сравнения измеряемого напряжения с двумя образцовыми предусмотрены два канала.

Работа устройства заключается в следующем.

Напряжение реализации x(t) иссле.дуемого случайного процесса, подводимое ко входу 1 устройства, поступает на первый вход блока 2 памяти, на второй вход которого в момент t подается из блока 1 управления импульс i-ой выборки. Блок 2 памяти запоминает напряжение x(tj) на . время длительности выборки и оно передается на входы блоков 3 и 4 сравнения. На вторые входы блоков сравнения подаются два различных образцовых линейно-ступенчатых напряжения, с которыми сравнивается напряжение x(t). Первое образцовое напряжение, изменяющееся от нуля до и, снимается с выхода второго сумматора 20, а второе образцовое напряжение, которое изменяется от поступает с выхода первого cyivMaTp- pa 19. До момента прихода импульса первой выборки на блок 2 памяти на выходах блоков 3 и 4 сравнения имеются высокие уровни напряжения и, следовательно, на третьем входе элемента И5 и на втором входе элемента И7 имеются разрезагацие потенциалы, На первый вход элемента ИЗ и третий вход элемента И7 .подается со второго

выхода блока 1 управления стробирующий импульс, задающий длительность цикла измерения (интервал усреднения) . С фронтом этого импульса синхронизирован первый импульс - выборка, поступакяций с первого выхода блока 1 управления на второй вход блока 2 памяти. Одновременно этот импульс подается на единичный вход триггера 6. Последний устанавливается в единичное состояние, в результате чего создается разрешающий потенциал на первом входе элемента И7. Таким образом, на всех входах элемента И5 и элемента И7 имеются разрешающие уровни. Вход 2 элемента И5 и вход 4 элемента И7 (через линию 11 задержки) подключены к выходу генератора 12 счетных импульсов. С приходом первого импульса - выборки в момент t на второй вход блока 2 памяти последний запоминает напряжение, значение которого x(t). В тот же момент времени t запускается генератор 12 счетных импульсов сигнсшом с третьего выхода блока 1 управления. Если x(t ) U , то сравнение этого напряжения с образцовым происходит только в первом блоке 3 сравнения. В этом случае первый импульс генератора 12 поступает чере элемент И5 на нулевой вход триггера ;6 и устанавливает его в нулевое состояние, т. е. снимается разрешающий потенциал с первого входа элемента И7, в результате чего запирается вход второго счетчика 10. Счетные импульсы проходят через элемент И5 и элемент ИЛИ 8 в первый счетчик 9. Если величина запомненного напряжения x(t) и, то в момент t/j прихода первого импульса - выборки образцовое напряжение на входе первого блока 3 сравнения оказывается больше запомненного. Выходное напряжение первого блока 3 сравнения и, следовательно, напряжение на третьем входе элемента И5 скачком уменьшается до запрещающего уровня, элемент И5 запирается и счетные импульсы через него не проходят. Сравнние запомненного напряжения x(t/f)U с образцовым напряжением происходит только во втором блоке 4 сравнения. До момента сравнения счетные импульсы генератора 12 поступают через линию 11 задержки и элемент И7 на второй счетчик 10. Время задержки, вносимое линией 11, выбрано равным половине периода следования счетных 1 мпульсов, Это сделано для того, чтобы в случае, когда сравнение происходит в первом блоке 3 сравнения, триггер 6 успевал запирать элемент И7 до момента прихода на него первого счетного импульса. Таким образом при условии x(t;()-U, т. е. когда сравнение происходит в первом блоке 3 сравнения, на выходе элемента И5 формируется пачка импульсов, длитель ность которой 1- определяется интервалом, разделяющим момент t выборки и момент tn равенства второго образцового напряжения напряжению x(t|). Полученная пачка импульсов т: поступает в счетчик 9. Если же выполняется условие x(t).U, т. е. сравне ние осуществляется во втором блоке 4 сравнения, то на выходе И7 формируется пачка импульсов, длительность которой равна интервалу, разделяющему момент выборки t j и момент tp равенства первого образцово го напряжения запомненному x(t|) напряжению. Сформированная пачка импульсов т проходит в счетчик 10. В течение цикла измерения, содержащего N выборок, счетчики 9 и 10 сбрасываются, и числа, фиксируемые при каждой выборке суммируются. Если с приходом пачки в т импульсов второй счетчик 10 переполняется, то. через элемент ИЛИ 8. передается едини ца в первый счетчик 9, а оставшаяся часть числа записывается во втором счетчике 10. После окончания каждой выборки триггер б возвращается в исходное состояние импульсом с первого выхода блока 1 управления. За N выборок в счетчике накапливается число N N В Е т. Z m (2) л согласно формуле (1) оценка средней мощности Р - NK , Количество выборок N (продолжительность цикла измерения) задается блоком 1 управления. Если выбрат числа N и К так, чтобы KN 10 (а - целое число), то Pj -&-lO-° и устройство получается прямопоказывакяцим.. Формирователь образцового напряжения состоит из генератора 12счет ных импульсов, блока 13 пересчетаj первого дешифратора (крупных ступеней) 14, коммутатора 15, второго де шифратора (мелких ступеней)16, первого (функционального) цифроаналогового преобразователя 17, второго (линейного) цифроаналогового преобразователя 18, первого сумматора 19 и второго сумматора 20. Формируемое линейно-ступенчатое напряжение сосзтоит из крупных ступе ней, длительность которых изменяется с переменным шагом по определенному закону, например по закону 1:2 :4: 8:8:16:16, причем высоты ступене пропорциональны корню квадцзатному из числа. Каждая крупная ступень заполняется одинаковым числом мелки ступеней, высоты которых изменяются по линейному закону. Работа формирователя начинается с момента поступления на управляющий вход генератора 12 счетных импульсов сигнала с третьего выхода а 1 управления. С зтим сигналом с:нхронизированы первый импульс опроса (импульс, -первой выборки) и фронт импульса, подаваемого на первый вход первого элемента И5 и третий вход второго элемента И7. с. первого выхода блока 1 управления. Счетные импульсы с периодом следования т,,., задающим наименьший шаг дискретизации, поступают в блок 13 пересчета, представляющий собой счетчик емкостью Р импульсов. Первая группа выходов блока 13 пересчета соединена со входами первого дешифратора 14. Он имеет п входов (при рассматриваемом чис,цовом соотношении п 8) , на которых соответственно появляются высокие потенциалы после поступления в блок 13пересчета первого, восьмого, двадцать четвертого, пятьдесят шестого, сто двадцатого, сто восемьдесят четвертого, триста двенадцатого и пятьсот сорокового счетных импульсов. Число выходных шин первого дешифратора 14 m равно числу крупных ступеней образцового напряжения (при рассматриваемых числовых соотношениях ). На выходных шинах первого дешифратора 14 последовательно появляются высокие потенциалы, причем высокий потенциал i-ой шины сохраняется в течение времени, равного длительности формируемой i-ой крупной ступени. Сигналы, образующиеся на выходе первого дешифратора 14 управляют входами первого цифроаналогового преобразователя 17, который производит функциональное преобразование по закону и (t -1 ) c-/t , в зависимости от номера формируемой крупной ступени. Выходные шины первого дешифратора 14 подключены также к первым входам коммутатора 15. Когда на i-ой выходной шине первого дешифратора 14имеется высокий потенциал, коммутатор 15 соединяет i-ой вход второго дешифратора 16 с той шиной из второй группы выходов блока 13 пересчета, на которой появляются импульсы с периодом следования в восемь раз меньшим длительности формируемой крупной ступени. Число выходных шин второго дешифратора 16, как и у первого, равно т. На них последовательно восемь раз появляется высокий потенциал, управляющий соответствующим входом второго линейного цифроаналогового преобразователя 18. На выходе последнего образуются напряжения мелкихступеней. Длительность мелкой ступени жестко связана с номером формируемой крупной ступени и равна i/8. Для получения линейно-ступенчатого образцового напряжения напряжения первого и второго цифроаналоговых преобразователей суммируются. Это осуществляется с помощью первого и второго сумматоров. Начальный учас ток образцового напряжения (от нуля до и) формируется во втором сумматоре 20, на второй и третий входы которого подаются напряжение мелких ступеней с выхода второго цифроанало гового преобразователя .18 и напряжение крупных ступеней с выхода первого цифроаналогового преобразователя 17, Выходное напряжение второго сум матора 20 поступает на второй вход блока 4 сравнения. Второй участок образцового напряжения (от до Uinc формируется в первом сумматоре 19, в котором суммируется постоянное напря жение, равное и, напряжение мелких ступеней, поступающих на третий вход с выхода второго цифроаналогового преобразователя 18, и напряжение крупных ступеней, подаваемого на второй вход с выхода первого цифроаналогового преобразователя 17. Выхо ное напряжение первого сумматора 19 подводится ко второму входу блока 3 сравнения. С каждой новой крупной ступенью изменяется наклон мелких линейно-изменяющихся ступеней. Для этого импульсы со второго выхода ком мутатора 15 поступают на вход блока 1 управления. Последний формирует сигналы, подаваемые с пятого выхода блока 1 управления на первый вход пе вого сумматора 19 и с шестого выхода блока 1 управления на первый вход второго сумматора 20. Эти СИГНЕШЫ управляют весами, с которыми выходное напряжение второго (линейного) цифроаналогового преобразователя 17 суммируется с выходным напряжением первого (функционального) цифроаналогового преобразователя 16 в каждом сумматоре 19 и 20. Устройство позволяет уменьшить погрешность аппаратурного опрвделвния средней мощности и дисперсии слу чайного процесса в широком динамическом диапазоне. Это существенно повышает эффективность использования устройства в системах автоматическог управления передачи информации, про изводственного контроля, информацион но-измерительных системах. Формула изобретения Устройство для определения средней мощности и. дисперсии случайного процесса, содержащее блок памяти, пе вый вход которого является входом ус рой,ства, второй вход блока памяти объединен.с единичным входом триггера и подключен к первому выходу блрк управления, второй выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен со входом блока пересчета и подключен к выходу генератора счетных импульсов, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход блока запоминания соединен с первым входом, первого блока сравнения, второй,вход которого подключен к выходу первого сумматора, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, второй вход первого сумматора подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, третий вход первого сумматора соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, первый вход первого счетчика подключен к пятому выходу блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона устройства, в него введены второй блок сравнения , второй счетчик, второй сумматор, первый и второй дешифраторы, коммутатор, второй элемент И, элемент ИЛИ и линия задержки, причем первый вход второго блока сравнения подключен к выходу блока памяти, выход первого блока сравнения подключен к третьему входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с нулевым входом триггера,, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, второй выход блока управления подключен к третьему входу второго элемента И, четвертый вход которого соединен с выходом линии задержки, вход которой подключен к выходу генератора счетных импульсов, выход второго элемента И соединен с первым йходом второго счетчика, выход коtoporo подключен ко второму входу элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом первого счетчика, второй вход второго счетчика подключен к пятому выходу блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго блока сравнения, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового прюобразователя, входы которого соединены с первыми входами коммутатора и соединены с шлходами первого дешиф ратора, входы которого подключены к . первой группе выходов блока пересчета, вторая группа выходов которого соединена со вторым входом коммутатора, информационные выходы которого соединены с .соответствующими входами второго.дешифратора, выходы которого 79 подключены к соответствующим входам второго цифроаналогового преобразователя, управляквдий выход коммутатора соединен со входом блока управления . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 55-12 1.Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов, М., Энергия, 1972, с.91. 2.Авторское свидетельство СССР , по заявке 2457807/18-24, 5 кл. G Об F 15/36, 1977.