Устройство для анализа электрических сигналов Советский патент 1981 года по МПК G06F17/18 

1

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной , техники и может быть использовано при создании устройств распознавания, контроля, диагностики и оценки уровня подготовки человека-оператора.

Известно устройство для анализа корреляционных функций электрограмм, содержащее квантователь случайного входного сигнала, схему определения знака сигнала, устройство задержки, генератор импульсов сдвига, частотно-импульсный модулятор, утроитель импульсов г каскады совпадения и антисовпадения знаков, счетчики импульсов и логические cxeNW. Устройство работает по алгоритму Стильтеса, то есть определяет корреляционную функцию как среднее по времени значение произведения входного сигнала на второй, квантованный по некоторому количеству уровней 13Корреляционная функция является интегральной характеристикой случайного сигнала и содер;кит о сигнале сжатую информацию, представленную также в виде кривой, поэтому дальнейшее ее применение в автоматическихсистемах затруднительно. Кроме того, иногда необходимо провести детальный

внешний анализ формы случайных сигналов, например выделение и подсчет .ха рактерных составных колебате74ьных движении на протяжении всего сигнала, то есть компонентный анализ элсктрограмм, которого часто бывает достаточно для принятия решения. Для этой цели данное устройство, а также другие нам известные устройства для анализа

10 сигналов не применимы.

Наиболее близким к предложенному является устройство, содержащее дифференцирующий блок, блок выделения модуля, счетчики, квантователь, элементы И . .

15

Однако это устройство относится к анализаторам распределения экстремумов и не позволяет производить компонентный анализ сигнала.

В электрограммах (особенно это ка20сается электрограмм управляющих действий человека-оператора) можно выделить три составЛЯ1СЯДИХ; определяющие, корректирующие и фоновые движения.

В электрограммах управляющих дей25ствий человека-оператора определяющие движения обычно называют управляющими движениями. Для выделения этих компонентов не применимы также 30 и специализированные фильтры, так как

компоненты сигнала Moiyr иметь одинаковые спектры частот.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет компонентного разделения сигнала.

Поставленная цель достигается тем что в устройство для анализа электрических сигналов, содержащее блок дифференцирования, блок выделения модуля, входы которых объединены с первым входом блока квантования и являются входом устройства, второй вхо блока квантования соединен с выходом блока выделения модуля, выход блока дифференцирования через нуль-орган с счетным входом первого счетчика, введены второй счетчик, триггер,блок регистрации, первый и второй блок ключей, блок элементов И и блок управления счетчиком, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу уставки ну;ш первого счетчика и к установочнььм входам первого счетчика, первый выход которого соединен с первыми входами блока регистрации и первого блока ключей, второй выход liepBoro счетчика подключен к второму входу блока регистрации и к первому входу блока управления счетчиком, третий вход блока регистрации подключен к выходу второго блока ключей, выход второго счетчика соединен с вторым входом блока управления счетчиком, с первым входо блока элементов И, с nepaiJM входом второго блока ключей и с четвертым входом блока регистрации, пятый вход которого об-ьединен с вторым входом первого блока ключей и соединен с выходом блока элементов И, второй выход которого подключен к первому выходу блока управления счетчиком, выход триггера подключен к третьим входам блока управления с 1етчиком и блока элементов И, первый выход блока квантования соединен с четвертым входом блока управления счетчиком, с третьим входом первого блока ключей, с первым входом триггера и с счетным входом второго счетчика,второй выход блока квантования соединен с входом установки для второго счетчика, с вторьлм входом триггера и с вторым входом блока элементов И, выход первого блока ключей соединен с вторым входом второго блока ключей.

Блок управления счетчиком содержит три элемента И и элемент ИЛИ,первые входы первого и второго элементов И объединены и являются первым входом блока, первый вход элемента ИЛИ и второй вход первого элемента И объединены и являются вторым входом блока, третьим и четвертым входами которого являются второй вход второго элемента И и первый вход третьего элемента И, второй вход которого подключей к выходу элемента ИЛИ, втор{эй вхсш KOTOpoio подключен к выходу второго элемента И, первым и вторым выходами блока являются соответственно выходы третьего и первого элементов И.

На фиг. 1 приведена структурная схема описываемого устройства (двойными линиями обозначены векторные связи ме;кду блоками). На фиг. 2 пример анализа устройством типового сигнала, где о.д. - определяющее движение, к.д. - корректирующее движение ф.д. - фоновое движение, -1, О, 1,...,5 - уровни квантования.

Устройство для анализа электрических сигналов содержит блок 1 дифференцирования, нуль-орган 2, блок 3 выделения модуля, блок 4 квантования, счетчики импульсов 5 и 6 (счетчик импульсов нечетных уровней), триггер 7, блок 8 управления счетчиком, блоки 9 и 10,ключей, блок 11 элементов И и блок 12 регистрации.

Устройство работает следующим образом.

Входной си.гнал поступает через первый вход блока 4 квантования на -1, О и 1 каналы квантования, через блок 3 выделения модуля и второй вход - на остальные каналы блока

4,а также через блок 1 дифференцирования и нуль-орган 2 н& счетный

вход счетчика импульсов 5.

В исходном положении все Ключи устройства открыты, триггер 7 и все счетчики обнулены.

При колебании сигнала вокруг нулевого уровня квантования срабатывает нулевой канал блока 4 квантования,выходной импульс которого осуществляет только обнуление счетчика 6 и триггера 7. Входной сигнал поступает также через блок 1 дифференцирования и нуль-орган 2 на счетный вход счетчика

5,который подсчитывает все изменения знака производной, регистрируя таким образом число колебаний входного сигнала. После эаписи трех импульсов на первом выходе счетчика 5 появляется сигнал, который записывает единицу в счетчик корректирующих двидений блока 12 регистрации. Это состояние сохраняется при поступлении на счетчик 5 четвертого и пятого импульсов. При эаписи шестого импульса на втором выходе счетчика 5 появляется сигнал, осуществляет блокировку блока 9 ключей, запись единицы в счетчик фоновых движений блока 12

и ее вычитание в счетчике корректирующих движений, фиксируя таким образом, наличие только одного фонового движения. В этом состоянии устройство остается до изменения характера (компоненты) входного сигнала.

Аналогично работает устройство и 65 в случаях колебания входного сигнала вокруг других только четных уровней квантования и или между уровнями

При дальнейшем пересечении сигналов первого уровня срабатывает первый канал блока 4 квантования, выходной импульс которого записывает единицу в счетчик б импульссв нечетных уровней, поступает на счетный вход триггера 7 и через блок 8 управления счетчиком на вход обн/ления счетчика 5, через соответствующий ключ блока 9 ключей и блок 10 ключей поступает на счетный вход счетчика определяющих движений регистрирующего блок 12, фиксируя появление определяющего движения (если соответствующий ключ блока 9 ключей закрыт, то этот импульс осуществляет только его разблокировку и всегда блокирует остальные ключи блока 9 ключей).

Аналогично работает устройство, и при втором пересечении сигналом первого уровня, записывая второй импульс в счетчик определяющих движений блока 12 и в счетчик 6.

При третьем пересечении счетчик б наполняется, его выходной сигнал блокирует блок 1О ключей, после чего импульсы, начиная уже с третьего с выхода блока 4 квантования на блок 12 регистрации ие проходят списывает в счетчике определяющих движений блока 12 единицу, оставляя записанным только один импульс, фиксирующий наличие одного определяющего движения; поступает на третий вход блока 8 управления счетчиком, осуществляя: блокировку его первого выхода, после чего счетчик 5 уже не обнуляется последующими импульсами с блока 4 квантования, и теперь все импульсы -поступающие с нуль-органа 2 на счетный вход счетчика 5, регистрируются/ установку счетчика 5 через второй выход блока 8 управления счетчиком в положение записи трех единйд,учитывая таким образом ..поступившие до, этого три импульса.

Далее устройство работает как в рассмотренном случае колебания сигнала вокруг нулевого уровня квантования, фиксируя после шестого импульса наличие фонового движения. При этом разблокировка блока 9 ключей, независимо от поступления на него последующих импульсов с блока 4 квантования, поддерживается сигналом с второго выхода счетчика 5 до его обнуления.

Таким обраэ«я4, в данном случав регистрируются одно определяющее и одно фоновое движения.

При пересечении сигналом второго, уровня обнуляются счетчик б и триггер 7. При троекратном пересечении сигналом третьего уровня устройство работает как в рассмотренном случае колебания сигнала вокруг первого уровня и регистрирует одно корректирующее и одно определяющее лвижеиие, так как блок 9 ключей открыт сигналом предшествующего фонового движения. При первом пересечении пятого уровня определяющее движение не регистрируется, но соответствующий к/поч блока 9 ключей открывается и поэ ому при вториIHOM его пересечении регистрируется новое определяющее движение и, как обычно, блокируются остальные ключи блока 9 ключей. При

O дальнейшем пересечении , и уровней определяющее движение уже не регистрируется. После уровня анализируется вьтрямлэнный сигнал с помощью тех же ка5налов блока 4 квантования. При колебании выпрямленHoiO сигнала между вторым и третьим уровнями работает только цепь, связывающая вход устройства через дифференцирующий блок и

0 нуль-орган со счетным входом счетчика 5, где регистрируются в данном случае три импульса, а в блоке 12 одно корректирующее движение. При первом пересечении третьего уровня определяющее движение не регистриру5ется, а при вторичном - регистрируется и далее при пересечении , и уровней - не регистрируется. При вторичном пересечении третьего уровня регистрируется опре0деляющее движение, но оно списывается при наполнении счетчика б при третьем пересечении уройня, а фиксируется через счетчик 5 корректирующее движение. Определяющее движение

5 не регистрируется и при четвертом пересечении третьего уровня, хотя после этого началось новое определяющее движение, которое не зарегистрируется и при пересечении первого уровня,

0 так как соответствующий ключ 4 блока 9 ключей заблокирован при пересечении третьего уровня. Такие случаи могут встречаться и при пересечении других нечетных уровней четное числр раз, не равное двум, при этом обычно имеется

5 сигнал на выходе счетчика импульсов нечетных уровней 6, имеется сигнал на выходе триггера 7, так как нечетный уровень пересекается четное число раз, пересекается соседний нечет0ный уровень.

Для распознавания этих состояний служит блок 11 элементов И, на входы схем совпадения которого заведены указанные сигналы. .

5

Выходной сигнал блока 11 записывает единицу в счетчик определяющих движений блока 12 регистрации, обнуляет счетчик 5 и блокирует все ключи блока 9 ключей, кроме ключа, соответОствую1Дего тому нечетному уровню .квантования, вокруг которого происходили рассматриваемые колебания сигнала .i Блокировка блока 9 ключей нео.Оходима потому, что после возможного здесь

5 фонового движения они будут открыты. а это может привести в ошибке в реги страции определяющих движений. Рассмотренный пример анализа устройством электрического сигнала полностью раскрывает назначение и работ всех его блоков, аналогично могут быть проанализированы и другие сигна лы. Применение блока 3 выделения моду ля позволяет обработку знакопеременного сигнала свести к обработке одно полярного сигнала, что способствует сокращению необходимого количества уровней квантования почти в два раза и, следовательно, объема аппаратуры. Блок 1 дифференцирования позволяет получить сигнал производной, необ ходимый как сигнал, в котором (в отличие от входного сигнала, где коле бания могут совершаться на разных уровнях) все колебания осуществляются относительно оси абсцисс. Поэтому число изменений знака производной, т есть число переходов ее через нуль, равно числу колебаний входного сигна ла. Это позволяет обеспечить инвариантность устройства к ординате местоположения компонент анализируемого сигнала. Устройство осуществляет распознавание и подсчет компонент входного сигнала,а именно: определяющих,корректирующих и фоновых движений. Описанное -устройство, реализующее метод компонентного анализа, дополняет существующие средства анализа электрических сигналов и способствует повышению эффективности и полноты их анализа за счет использования информативных участков сигнала. При решении различных задач данное устройство может применяться или совместно с другими устройствами анализа сигналов, или самостоятельно.Например, при анализе управляющих действий оператора с помощью описанного устройства по процентному содержанию компонент можно судить о степени его подготовки. Формула изобретения 1. Устройство для анализа электри ческих сигналов, содержащее блок дифференцирования, блок вьщеления модуля, входы которых объединены с первым входом блока квантования i яв ляются входом устройства, второй вхо блока квантования соединен с выходом блока выделения модуля, выход блока дифференцирования через нульорган - с счетным входом первого счетчика, отличающееся тем, что, с целью расширения функцио нальных возможностей за счет покомпо нентного разделения сигнала, в устройство введены второй счетчик,триггер, блок регистрации, первый и второй блоки ключей, блок злементов И и блок управления счетчиком, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу установки нуля первого счетчика и установочным входам первого счетчика, первый выход которого соединен с первыми входами блока регистрации и первого блока ключей, второй выход первого счетчика подключен к второму входу блока регистрации и к первому входу блока управления счетчиком, третий вход блока регистрации подключен к выходу второго блока ключей, выход второго счетчика соединен с вторым входом блока управления счетчиком, с первым входом блока элементов И,с первым входом второго блока ключей и с четвертым входом, блока регистрации, пятый вход которого объединен с вторым входом первого блока ключей и соединен с выходом блока элементов И, второй выход которого подключен к первому вво4оду блокауправления счетчиком, выход триггера подключен к третьим входам блока управления счетчиком и блока элементов И, первый выход блока квантования соединен с четвертым входом блока управления счетчиком, с третьим входом первого блока ключей, с первым входом триггера и с счетным входом второго счетчика, второй выход блока квантования соединен с входом установки нуля второго счетчика, с вторым входом триггеЕ а и с вторым входом блока элементов И, выход первого блока ключей соединен с вторым входом второго блока ключей. 2. Устройство по п. 1, отс ичающееся тем, что блок управления счетчиком содержит три элемента И и элемент ИЛИ, первые входы первого и второго элементов И объединены и являются первым входом блока, первый вход элемента ИЛИ и второй вход первого элемента И объединены и являются вторым входом блока, третьим и четвертым входами которого являются второй вход второго элемента и и первый вход третьего элемента И, второй вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И, первым и вторым выходами блока являются соответственно выходы третьего и первого элементов И. .Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 222022, кл. G Об F 15/34, 1968. 2.Мирскии Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М., Энергия, 1972, с. 348, 431 (прототип).

Фиг. I Ф.$. 9.9. а.Ли.9 aS.K.8. аЛ лв a.S.