Устройство для измерения периода и его производной Советский патент 1981 года по МПК G04F10/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРИОДА И ЕГО ПРОИЗВОДНОЙ

I

Изобретение относится к радиоиэмерительной технике и может быть использовано в системах траекторных измерений для определения радиальной скорости и ускорения при анализе движения объекта радиотехническими средствами.

Известно устройство для измерения частоты на основе анализа нуль-пересечений, содержащее последовательно соединенные счетчик чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с первым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, генератор эталонных меток времени, соединенный выходом со вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нульпересечений, а также блок вычитания, ячейку П 1мяти и делитель, при этом выход счетчика числа нуль-пересечений и первый выход памяти подключены ко входам блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом блока умножения, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подключены ко входам делителя, поток нуль-пересечений исследуемого сигнала поступает на объединеншле входы счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений и счетчика числа нуль-пересечений. Устройство обеспечивает измерение частоты (периода) сигналов с неизвестной начальной фазой с точностью, близкой к потенциальной Г Недостатками известного устройства являются сравнительно большой аппаратурный объем и ограниченные функциональные возможности - устройство не позволяет формировать оценку производной частоты (периода) при наличии ее на интервале наблюдения. Этот недостаток может оказаться особенно существенным, при анализе тра- екторных данных целей, обладающих высокими динамическими характеристиками. Наиболее близким по технической сущности к предлах-аемому является устройство для цифрового анализа сиг налов, содержащее последовательно соединенные блок формирования чисел, соответствующих моментам нуль пересе чений, первьш блок возведения в квад рат, последовательно соединенные счетчик числа нуль-пересечений, первый блок умножения и первьй сумматор выход блока формирования чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, соединен со вторым входом блока умножегшя, блок прореживания нуль-пересечений, последовательно соединенные блок возведения в.третью степень и четвертый сумматор, блок возведения в четвертую степень и пятый сумматор, при этом выход блока прореживания нуль- пересечений подсое динен ко входам блока формирования . чисел, соответствующих моментам нуль пересечений, и счетчика числа нуль-пересечений, вход второго блока возведения в квадрат подключен к выходу счетчика числа нуль-пересечений, выходы второго блока умножения подключены к выходам первого блока возведения в квадрат и счетчика чисз:§а нуль-пересечений, входы блока возведения в Tpefью степень и блока возведе ния в четвертую степень объединены| и подключены к выходу блока формирования чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, а также решающее устройство, к соответствующим входам которого подключены выходы первого, второго, третьего, четвертого и пятого сумматоров, поток нуль пересечений исследуемого сигнала поступает на вход блока прореживания нуль-пересечений 2. Указанное устройство характеризуется широкими функциональными возможностями, но обладает большим аппаратурнь1м объемом и требует значительного времени обработки, что не позволяет осуществлять процедуру измерения в реальном масштабе времени. Цель изобретения - повыщение быст родействия и уменьшение аппаратурного объема измерителя при совместной оценке периода и его производной. Поставленная, цель достигается тем что устройство содержащее формирователь нуль-пересечений, выход которо04го подключен ко входам формирователя чиселJ соответствующих моментам нуль-пересечений, и счетчика числа нуль-пересечений, и решающий блок, введены накапливающий сумматор,блок сравнения, элемент ИЛИ, буферный регистр и ячейка памяти, причем выходы формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, через накапливающийсумматор подключены ко входам буферного регистра, выходы которого соединены с первой группой входов решающего блока, вторая группа входов которого подключена к первой Группе выходов ячейки памяти,выходы счетчика числа нуль-пересечений подключены к первой группе входов блока сравнения,ко второй группе входов ко-, торого подключена вторая группа выходов ячейки памяти, выходы блока сравнения через элемент ИЛИ соединены с управляющим входом буферного регистра. На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения периода и его производной. Устройство содержит формирователь 1нуль-пересечений, формирователь 2чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, счетчик3 числа нуль-пересечений, накапливающий сумматор 4, блок 5 сравнения, элемент ИЛИ 6, буферный регистр 7,. ячейку 8 памяти и решающий блок 9. При этом формирователь 1 нуль-пересечений соединен с формирователем 2 чисел, соответствующи мрментам нуль-пересечений и со входом счетчика 3 числа нуль-пересечений, выходы которого подключены к первбй группе входов блока 5 сравнения, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов 8 памяти, выходы блока 5 сравнения подключены ко входам элемента ИЛИ 6, выход которого соединен с управляющим входом буферного регистра 7, вторая группа выходов ячейки 8 -памяти подключена к соответствующим входам решающего блока 9, выходы формирователя 2 чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, соединены со входами накапливающего сумматора 4, выходы которого соединены со входами буферного регистра 7, подключенного своими выходами ко входам рещающего блока 9,1 поток нуль-пересечений по-г ступает на вход 10 формирователя нуль-пересечений. 5868690 Устройство работает следующим образом. При поступлении на вход устройства узкополосного сигнала (-М- « IjiipH достаточно большом отношении сигнал/помеха (по мощности время вьтадания {,-го нуля может быть достаточно точно представлено в виде

л -t 4КТ ...4,

де -k

номер нуль-пересечения;

t. время выпадения первого фиксируемого нуля от момента начала отсчета; начальный период между нульТл пересечениями;

n производная периода нульпересечений;

f случайные флюктуации време- W ни нуль-пересечений, обусловленные шумом и обладающие следующими статисти1ческими характеристиками:

Cf

i(

Л fK- -ц 1 с|,а4ГЧ

Я5 - отношение сигнал/помеха. Для потока нуль-пересечений выражение (О можно записать следующим образом:

N

N

4J

.,

.0 г

о jr

° к

VCsl где N - длина выборки (представляет собой целочисленный параметр). Поскольку с в выражении (1) можно рассматривать как функцию трех переменных S(to, Тр, TO ), для отыскания информационных параметров представляется возможным весь интервал наблюдения 1 е ( ) разбить на три части с целью получения алгебраически полной системы уравнений вида ) SVV oS-Kb f,; где случайные величины равны , ,,2Ilut, и корреляционную матрицу Ре по

10

15

ЭО Ра оц 50 T JX XXU ,v| . MX N11 истемы уравнений в матричном виде X скрывая определители, представим енки Т и т в виде .2.)-(U a(N+x)-t-4 1 XtN-X)hV) TvlN- JU-x) j )- . a NtM-j)lN-y} a()CM-vij

x i -xJlN-x)

NlN-iOlN-x)

Предлагаемый измеритель реализует последовательность вычислительных процедур, определяемых вьфажениями (6). Поступающая на вход формирователя .1 нуль-пересечений последовательность нуль-пересечений прореживаетс.я с коэффйциеятом прореживания т, обеспечивая некоррелированность исследуемой выборки нуль-пересечений. Импульсы нулей с выхода фop шpoвaтeля нуль-пересечений поступают на вход формирователя 2 чисел,соответствующих моментам нуль-пересечений,который вырабатывает двоичные числа, поступающие на входы накапливающего сумматора 4. По мере обработки выборки (в двоичном коде) накаштивамщий сумматор

л 4 формирует сумма вида D tv .ОдноЦг/1 1 временно с этим счетчик 3 числа нульпересечений накапливает число, соответствующее текущему количеству зарегистрированных нуль-пересечений. Это число постоянно сравни&ается в блоке 5 сравнения с числами в и N, предварительно записанными в ячейке 8 памяти. В момент, когда в счетчике 3 числа нуль-пересечений накопится число, равное X , на первом выходе блока сравнения появляется импульс, который через элемент ИЛИ6 поступает на управляюгций вход буферного регистра 7, и тогда частич л

может быть при ная сумма Е t.

помощи буферного регистра 7 переписана в решающий блок 9. Одновременно с этим из ячейки 8 памяти в решающий блок 9 поступают числовые коэффициенты d, (i .которые при известных Х,Х) и N могут быть предварительно рассчитаны и записаны в ячейке 8 памяти. Аналогичным образом происходит

(Ьоомиоование и пеоенос в решающий

Ьл .., iifi

К л

sji

и коэффициентов oL , и с1.

-1

г.

Таким образом, решающий блок 9, используя указанные вьщ1е статистики и коэффициенты, формирует совместную оценку периода и производной периода

исследуемого сигнала. Очевидно, что эти оценки могут быть сфор а1рованы только после прихода на вход устройства пооАеднего N-ro нуль-пересечения из заданной выборки, т.е. оценки относятся к концу интервала наблюдения. ,0днако ввиду того, что решанздий блок 9 производит только опера1щю умножения статистик на известные коэффициенты, а затем суммирует полученные результаты, время приня- ия решения оказывается существенно малым по сравнению с длиной выборки нуль-пересечений, и поэтому можно считать возможной работу измерителя в реальном масштабе времени.

Разбиегше интервала наблюдения на три части X ,Ч и N должно производиться по определенной методике разбиения в соответствии с условием минимума объема эллипсоида рассеяния ошибок результирующих оценок, так как ошибка измерения зависит от длин интервалов усреднения X и t. Это условие может быть описано соотношением

m nae-fc (wY тлп . (т)

()2Проведенные расчеты показывают, что при использования этого критерия оптимальными интервалами разбиения являются интервалы

. (.)

V ы(11Ш

piПоскольку имеется явное выражение для интервалов, на которые необходимо разбивать интервал наблюдения, коэффициенты А и & можно определить с точностью до постоянного коэффициента и ввести в ячейку 8 памяти предварительно, т.е. настроить измеритель на выборку нуль-пересечений заданной длины. При необходимости изменения длины выборки коэффициенты пересчитываются и изменяются.

Проведенный сопоставительный анализ точностных характеристик предлагаемого устройства с устройс- вами, реализуклцими оптимальные процедуры измерения, показывает, что они имеют дисперсии ошибок измерения одного порядка и предлагаемый измеритель лишь незначительно уступает им в точности.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения периода и его производной существенно превосходит известное устройство по быстродействию, обладает значительно меньшим аппаратурным объемом и практически н уступает в точности измерения указан ных параметров. Формула изобретения Устройство для измерения периода и его производной, содержащее формирователь нуль-пересечений, выход которого подключен ко входам формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, и счетчика числа нуль-пересечени, и решающий блок, отличающееся тем, что, с целью повьппения быстродействия и уменьшения аппаратурного объема измерителя, в него введены пакапливаю1ций сумматор, блок сравнения, элемент 1ШИ, буферный регистр и ячейка памяти, причем выходы формирователя чисел, соответствующих П10 моментам нуль-пересечений, через накапливающий сумматор подключены ко входам буферного регистра, выходы которого соединены с первой группой входов решакяцего блока, вторая группа входов которого подключена к первой группе выходов ячейки памяти, выходы счетчика числа нуль-пересечений подключены к первой группе входов блока сравнения, ко второй группе входов которого подключена вторая группа выходов ячейки памяти, выходы блока сравнения через элемент ИЛИ соединены управляющим входом буферйого регистра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР по заявке IP 2594953, кл. G 01 R 23/00, 1978. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 257331.7,кл. G 04 F 10/00, 1978 (прототип).

v

. 2

ii