Цифровой анализатор спектра Советский патент 1981 года по МПК G01R23/00 

(54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

1

Изобретение относится к специализированным средствам измерительновычислительной техники, предназначенным для исследований частотных свойств случайных электрических сигналов, характеризующих, например биологические структуры в медицинских эксперимен тах или технические объекты в промышленности.

Анализ ряда ортогональных составляющих спектра производится аппаратурой с использованием илаи одной из модификаций дискретного преобразования Фурье (ДПФ)- с разложением сигнала в ряд Фурье (при использовании тригонометрических базисных функций) или с использованием разложения в ряд Уолша-фурье (при использовании кусочно-постоянных базисных функций ; Уолша, простых для генерирования и умножения).

Известен ортогональный анализатор спектра содержащий блок выборки и распределения сигнала, состоящий на генератора тактовых импульсов с послеаб-

вательно соединенным устройством дискретной выборки и коммутатора; постоянного запоминающего устройства, подключенного входом к третьему выходу генератора тактовых импульсов, -.а выходом к выходам двух цифроаналоговых преобразователей , другие входы которых объединены и соединены с выходом коммутатора, при этом выходы цифроаналоговых преобразователей, через интегрирукицие усилители, соединены с выходами анализатора спектра l.

Недостатками такого анализатора явЛ5потся трудности вычисления одновременно нескольких сотен составляющих спектра и невысокое быстродействие в реальном масштабе времени.

Известно более быстродействующее цифровое устройство для вычисления ,спектра, содержащее последовательно бое- диненные коррелятор, первый переключатель, запоминающее i устройство, второй переключатель, умножитель и интегратор, ко второму выходу второго переключателя подключен управляемый регистр; к выходу

интегратора - последовательно соединенные блок весовых коэффициентов , цщфратор и схема сравнения, а ко второму входу умножичеля - блок памяти базисных функций. Управление гфоцедурой формирования спектра осуществляется блоко синхронизации через делители частоты, счетчик гармоник, счетчик ординат, дешифратор и переключатель кода 2.

Недостаток цифровых анализаторов в необходимости наличия входного (буферного) запоминающего устройства на большое количество выборок; наличия многоканального умножителя и блока памяти базисных функций, а также сложные связи элементов управления блоком памяти при одновременном считывании ряда отсчетов базисных функций.

Стремление к минимизации связей устройств и элементов -управления, а также к простоте процедуры обработки сигнала и преобразования промежуточных результатов - выполнения умножения, формирования сетки частот базисных функций,, приводит к разработке анализаторов с комбинированным принципом действия с применением операций, эквивалентных сжатию сигнала или сжатию базисных функций. Наиболее близким по технической сущно-30

сти к предлагает лому яйляется автоматический анализатор, спектра с цифровой обрабокой информации, содержащий квантователь управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, и последовательно соединенные переключатель, ждущий генератор, аналого-цифровой преобразователь и сумматор-накопитель, при этом второй выход блока управления соединен со входом тактового генератора импульсов переменной (управляемой) частоты повторения, выход которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, а к выходу ждущего генератора подключен ключ, соединенный выходом с шиной нулевого потенциала з.

Недостатком является анализ в реальном масштабе .времени только низкочастотных сигналов - вфхней частотой не более нескольких сотен Гд, так как для достаточно вьгсокой точности формирования Ьценкй спектра -необходимо увеличивать количество входных выборрк сигнала. Но это приводит к такому же увеличению необходимого количества периодов гармонической функции, которые определяют быстродействие анализатора.

Цель изобретения - повышение быстродействия анализатора.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра, содержащий накапливающий сумматор, квантователь, первый выход которого является входом анализатора, а выход подключен к информационному входу переключателя, выход которого соединен с первым

входом ждущего генератора-гармонических колебаний, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора,

управляющие входы квантователя и переключателя подключены к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен со вторым входом жпущего генератора гармонических колебаний,

введены блок памяти произведений и блок формирования, вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, а выходы подключены соответственно к к первым входам накапливающего сумматора и блока памяти произведений, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом аналого-цифрового преобразователя и тактового генератора, вход которого соединен с четвторой вход накапливающего сумматора подключен к выходу блока памяти произведений. К первому управляющему входу которого и к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя подключен выход тактового генератора.

На чертеже представлена блок-схема цифрового анализатора спектра.

Цифровой анализатор спектра содержит последовательно соединенные квантователь I, переключатель 2, ждущий, генератор 3 гармонических колебаний, аналого-цифровой преобразователь 4, а также блок 5 синхронизащи, тактовый

5 генератор 6, блок .7 памяти произведений, накапливающий сумматор 8, блок 9 формирования адреса, первый выход которого соединен с управляющим входом накапливающего Сумматора 8, второй

0 выход - со вторым управляющим входом блока 7, к первому входу которого и к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 4 подключен выход тактового генератора 6.

Цифровой анализатор спектра работает следующим образом.

Перед началом работы все устройства анализатора установлены в исходное нувертым выходом блока синхронизации. 57 левое состояние, переключатель 2 разомк нут., Исследуемый электрический случайны сигнал X { Ь ) подается на вход кван тователя I и по командам с блока 5 управления преобразуется в дискретную форму X (tiivt). Одновременно с получением первого отсчета блок 5 управления переводит подвижный контакт переключателя 2 в замкнутое положение и мгновенно возвращает в исходное, благодаря чему на управляющий вход ждущего генератора 3 поступает возбуждаю щий импульс: в генераторе 3 возбуждае ся гармоническое колебание частоты с амплитудой, равной амплитуде возбуждаю щего импульса. Одновременно в блок 9 от блока 5 отравления синхронизации передается код соответствующий С 1, для задания порядка считывания данных с блока 7 памяти произведений. На тактовый генератор б подается команда о начале дискре тизации гармонического колебания с пре образованием его в последовательность кодов. Гармоническое колебание с выхода ждущего генератора 3 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 4 и в точение 1/4 периода (или полупериода) преобразуется в кодовую последовательность с постоянной частотой F. Частота P-j при этом является частотой записи кодов с выхода аналого-цифрового преобразователя 4 в устройство 7 запоминания произведений, в ячейках которого запоминается следующее произведениеп )/ Sad)) - количество вычисляемых ординат спектра; t/B foCOhSt- заданная частота возбуждения колебаний; Вг - масщтабный коэффициент шкалы частот; ATjoip - время записи кода одной выборки произведения { l) .в устройство запоминания. По другой команде с блока 5 синхронизации срабатывает блок 9 формировани адреса,, формируя с частотой Fc4последовательность кода адресов считывания выборок произведения (I) из ячеек уст5ройства 7 запоминания произведений. .Так как F(; ьаи (практически многие импульсные устройства имеютFQH( Ю+ЗО.,), то считывание выборок произведения 1/4 - периода базисной функции на один отсчет входного сигнала X (Вл) производится в ускоренном ритме. В накапливающем сумматоре 8 кз произведения (l) формируется полный период базисной функции с амплитудой, пропорциональной X (lAt), а изменение знака для задания отрицательного полупериода этого произведения, перед его записью в К ячейки сумматора, осуществляется по команде со второго выхода счетно-адресного устройства 9. Таким образом, первый цикл обработки сигнала и накапливания информации производится за время |/ I/I/ Т.- где dv) - коэффициент ускс реАналогично осуществляются операции преобразования при втором цикле и последующих циклах. После М-ого цикла обработки в накапливающем сумматоре 8 формируется сумма, описывающая спектп сигнала л,46 р., е 5( S(Hf цпд Ст-иед-г,-,), р-чf %) гже Р - номер полупериода базисной функции. При этом каждый из М циклов выполняется за одинаковое время, равное Т , так они состоят из одинакового количества операций - записи 1/4 периода произведения П ; формирования кодов адресов считывания К выборок этого произведения; запись этих К выборок в накапливающий .сумматор. Таким образом, если в прототипе М-ый цикл выполняется за время в М раз больщее, чем при первом цикле, то в описываемом цифровом анализаторе время вычисления Ьпектра уменьшено в h раз, т.е. АЛТ M-K.t,,oiv, Г- - t &tj.4(d,v3) тсюда следует, . ..что в ЗМ увеичивается быстродействие 1вычисленнй и ерхняя частота анализа в реальном N Cштабе времени.. При М 5О это составяет более, чем в 15О раз повыение верхней частоты диапазона анализа, что в нестоящ еей время (при современном состоянии микроэлектронной (Элементной базы) достигает бОЮО кГц. Сокращение времени выполнения каждого цикла обработки сигнала при М поpHfXKa нескольких десятков, увеличивает быстродействие анализа и реализуется на микропроцессорных элементах. Формула изобретения Цифровой анализатрр спектра, содержащий накапливающий сумматор, квантов тель, информационный вход которого является входом анализатора, а выход под ключен к информационному входу переклю чателя, Выход которого соединен с первым входом ждущего генератора гармонических колебаний, выход которого соединен с nepBbnvi входом аналого-чшфрово го преобразователя, второй вход которого соединен выходом тактового генера тора, управляющие входы квантоВ1ателя и переключателя подключены к первому вйхоДу блока синхронизации второй выхо которого соединен со вторым входом

X(t)

1 ждущего генератора гармонических колебаний, отличающийся, тем, что, с целью увеличения быстродействия, в анализатор спектра введены блок памяти произведений и блок формирования, вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации, а выходы подключены Соответственно к первым входам накапливающего сумматора и блока памяти произведений, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом аналого-цифрового преобразователя и тактового генератора, вход которого соединен с четвертым выходом блока синхронизации, второй вход накапливающего сумматора подключен к выходу блока памяти произведений. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе t. Авторское свидетельство СССР MO 55О522, кл, G 01 R 23/16 1976. 2.Авторское свидетельство СССР № 532863, кл.СОб -F 15/34, 197-4. 3.Авторское свидетельство СССР М 525895 кл. G О1 R 23/ОО, (прототип).