Устройство для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра Советский патент 1982 года по МПК G06F17/14 

второй аналого-цифровые преобразователи, генератор кодов, четьфе блока умножения, четьфе перестраиваемых цифровых фильтра, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее уст ройство, арифметико-логический узел, блок цифроаналоговых преобразователей, шп-ерфейсг1ый блок, блок индикадии, информационная шина которого соединена с информационными входами интерфейсно- го блока, блока цифроаналоговых преобразователей и выходной шиной арифметикологического узла, шины данных которого соединены с постоянным запоминающим устройством и оперативным запоминающим устройством,, информационные входы которого соединены с выходами перестраиваемых цифровых фильтров, входы которых соединены с выходами блоков умножения, первые входы первого и второго блоков умножения соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом первого аналогового фильтра, вход которого соединен с выходом первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с первым входом устройства, а управляющий вход первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с управ ляющим входом второго усилите с регулируемым коэффициентом усиления и вькодом арифметико- погического узла, второй вход устройства соединен с входом второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом второго аналогового филтра, выход которого соединен с входом второго ансшого-цифрового преобразо1зателя, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого блоков умножения вторые входы первого и четвертого блоков генератора кодов, второй выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего блоков умножения 2.

о Недостатками известного устройства

являются ограниченные функциональные возможности, а именно невозможност работы в синхронном следящем режиме и возможность вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра в режиме перестройки по частоте с процентно-постоянной шириной полосы анализа, а также низ кие динамические характеристики, что связано со сложностью перестройки по частоте, и сравнительно большой объем сборудования, что связано с необходимостью использования для его построения

четьфех перестраиваемых цифровых фильтров.

Цель изобретения - упрощение устройства и расширение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра, содержащее первый и второй усилители с регулируемым коэффициентом усиления, блок задания коэффициента, усиления, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй фильтры, блок обработки, группу цифроаналоговых гфеобразователей и блок индикации, входы которого объединены с входами цифроаналоговых преобразователей группы. Входы блока обработки соединены с выходами первого и аторого аналого-цифровых преобразователей, входы первого и второго фильтров соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами узла задания коэффициента усиления, а информационные входы первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления соединены с подвижными контактами соответственно первого и второго переключателей, размыкающие контакты которых являются соответственно первым и вторы входами устройства, замыкающие контакты первого и второго переключателей соединены с выходом генератора калибровочного сигнала, введены первый и второй модуляторы, третий и четвертый аналого-цифровые преобразователи, блок памяти весовой функции, счетчик весовой функции, дешифратор, счетчик, делитель, формирователь прямоугольных импульсов, функциональный преобразователь, логарифматор, узел задания полосы, следящий умножитель, частотометр и третий переключатель, размыкающий контакт которого соединен с третьим входом устройства, а замыкающий и переключающий ко- контакты третьего переключателя соединены соответственно с выходом генератора калибровочного сигнала и входом формирователя прямоугольных импульсов, вьцсод которого соединен с входом следящго умножителя, а выход следящего умножителя соединен с входом частотометра, выход которого соединен с первыми входами цифроаналоговых гфеобрааователей группы, вторые входь: которь Х соединены с выходом логарифматора, вход которого соединен с первым выходом фушшио нального преобразователя, выходы котор го соединены с третьими входами цифроаналоговых преобразователей группы, входы функционального преобразователя соединены с выходами блока обработки, входы которого соединены с выходами третьего и че1вертого аналогоцифровых преобразователей, тактовые входы которых объединены с тактовыми входами первого и второго аналого-цифр вых щэеобразователей, входом счетчика и подключены к выходу следящего умнож теля, первый выход счетчика соединен с входом делителя, управляющие входы которого соединены с выходами узла задания полосы, а выход делителя соединен с входом счетчика весовой функци выход которого соединен с входом блока памяти весовой функции, выход которого соединен с первыми входами первого и второго модуляторов, вторые входы кото рых соединены с выходами соответствен но первого и второго фильтров, выход первого модулятора соединен с аналоговыми входами первого и второго акал го-цифровых преобразователей, выход Второго модулятора соединен с аналогов ми выходами третьего и четвертого аналого-цифровых парообразователей, ци{)ро- вые входы первого и третьего аналоге- цифровых 1феобразователей соединены с первым выходом дешифратора, второй выход которого соедииен с ш ровыми входами второго и четвертого аналогоцифровых преобразователей, а вход де- ши({фатора соединен с вторым выходом счетчика. БЛОК обработки содержит накапливающий сумматор, умножитель и узел усред нения, выходы которого являются выхода ми блока обработки, входами которого являются входы накапливающего суммато ра, выходы которого соединены с вхсщами умножителя, выходы которого соединены с входами узла усреднения. Следящий умножитель содержит первый и второй делители частоты, у1фааляемый мультивибратор и узел сравнения частот, вход которого является входом следящего умножителя, выход которого является с выходом первого делителя частоты, ущзавляющие входы которого являются входами задания кода знаменателя следящего умножителя, вход первого делителя частоты объединен с входом второго делителя частоты и соединен с выходом угфавляемого мультивибратора, вход которого соединён с первым входом узла сравнения частот, второй вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, управляющие входы которого являются входами задания кода числителя следящего умнсмсителя. На чертеже представлена структурная схема устройства для вь1числения коэффициентов Фурье взаимного спектра. Устройство для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра содержигг первый 1 и второй 2 усилители с регулируемым коэффициентом усиления, блок 3задания коэффициента усиления, первый 4и второй 5 аналого-цифровые преобразователи, первый 6 и второй 7 фильтры, блок 8 обработки, группа цифроаналоговых преобразователей 9 и блок Ю индикации, первый 11 и второй 12 модуляторы, третий 13 и четвертый 14 аналого-цифровые преобразователи, блок IS памяти весовой функции, счетчик 16 -весовой функции, дешифратор 17, счетчик 18, делитель 19, фсфмирователь 2 О прямоугольных импульсов, функциональный щзеобразователь 21, логарифматор 22, узел 23 задания полосы, следящий умножитель 24, частотометр 25, входы блока 1О индикации соединены с входами цифроаналоговых преобразователей группы 9, входы блока 8 обработки соединены с выходами первого 4 и второго 5 аналогоцифровых преобразователей, входы первого 6 и второго 7 фильтров соединены с вь1ходами соответственно первого 1 и второго 2 усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, управляющие входы которых соединены с блоком 3 задания коэффициента усиления, а информационные входы первого 1 и второго 2 усилителей с регулируемым коэффициентом усиления соединены с подвижными контактами первого 26 и второго 27 переключателей соответственно, контакты которых являются соответственно первым 28 и вторым 29 входами устройства для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра, контакты первого 2.Q к второго 27 переключателей соединё- . ны с выходом генератора 30 калибровочного сигнала и входом блока 20, выход которого соединен с входом следящего умножителя 24, вход следящего умножителя 24 соединен с входом частотометра 25, выход которого соединен с . дополнительными входом группы цифроаналоговых преобразователей 9, вход которого соединен с выходом логарифма- тора 22, вход которого соединен с первым выходом функционального преобразо вателя 21, Выходы которого соединены с входами группы цифроаналоговых преобразователей 9, входы группы функциоШ-зльных преобразователей 21 соединены с выходами блока 8 обработки, дополнительные Входы которого соединены с Выходами третьего 13 и четвертого 14 аналого-цифровых преобразователей, такт вые Входы которых соединены с тактовы :ми входами первого 4 и второго 5 аналого-цифровых преобразователей, входом счетчика 18 и входом спецящего умножителя 24, первый выход счетчика 18 соединен с входом делителя 19, управляющие входы которого соединены с выходами узла 23 задания полосы, а йыход делителя 19 соединен с входом фчетчика 16 весовой функции, выход кот рого соединен с входом блока 15 памяти весовой функции, выход которого соедш-юн с первыми входами первого 11 и второго 12 модуляторов, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого б и второго 7 фильтров выход первого модулятора 11 соединен с аналоговыми входами первого 4 и второго 5 аналого-цифровых преобразователей, выход второго модулятора 12 соединен с аналоговыми входами третьего 13 и четвертого 14 аналого-цифровых преобразователей, цифровые входы первого 4 и третьего 13 аналого-цифровых преобразователей соединены с первым выходом дешифратора 17, второй выход которого соединен с цифровыми входами второго 5 и четвертого 14 аналого-цифровых преобразователей, а вход дешифратора 17 соединен с вторым выходом счетчика, третий переключатель 31, вход 32 пилот-сигнала устройства. Блок 8 обработки содержит накапливающий сумматор 33, умножитель 34 и узел 35 усреднения, выходы которого соединены с выходами блока 8 обработки входы которого соединены с входами сумматора 33, выходы которого соединены с входами умножителя 34, выходы ко торого соединены с входами узла 35 усреднения. Следящий умножитель 24 содержит первый выход 36, первый 37 и второй 38 делители частоты, управляемый .мультивибратор 39 и узел 4О сравнения частот, вход которого соединен с ;входом следующего умножителя 24, выход которого соединен с выходом первого делителя 37 частоты, управляющие входы которого соединены с входами 41 задания кода знаменателя, вход первого делителя 37 частоты соединен с входом второго делителя 38 частоты и выходом управляемого мультивибратора 39, вход которогю соединен с входом узла 4О сравнения частот, вход которого соединен с выходом второго делителя 38 частоты, управляющие входы которого соединены с входами 42 задания кода числителя. Устройство для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра работает следующим образом. В режиме измерения переключатели 26, 27 и 31 находятся в исходно замкнутом состоянии, как это показано на чертеже. Переключение этих переключателей в другое состояние переводит устройство в режим контроля и калибровки. В режиме измерения исследуемые сигналы (t) и y(t) подаются на входы 28 и 29 устройства соответственно. На вход 32 устройства подается пилот-сигнал, из которого формирователем 20 формируются импульсы стандартной формы с частотой пилотсигнала fГ1 . Эти импульсы подаются на вход следящего умножителя 24, который обеспечивает формирование на i выходе импульсов с частотой Fr- nгде Кг и Kjj - коды числителя и знаменателя, определяющие коэффициент умножителя. В качестве пилот-сигнала может использоваться, например в случае последования вибрационных характеристик вращающихся объектов (турбин, редукторов), сигнал с датчика оборотной частоты. Таким образом частота, .на которой проводится анализ, будет определяться соотношением (l), т.е. всегда будет кратной плит-сигнала, которой будет оборотная частота. Это обеспечивает возможность автоматической перестройки и работы в синхронно следящем режиме. Входные усилители 1 и 2 обеспечивают требуемые входные характеристики устройства входное сопротивление, чувствительность и т.д. Кроме того, благодаря возможности дискретного управления их коэффициентом передачи с блоком задания коэффициентов усиления 3 обеспечивается выбор соответствующего диапазона входных сигналов, что расширяет функцио99нальные возможности, так как обеспечивается как анализ слабых, так и больших входных сигналов. Сигналы с выходов усилителей t и 2 поступают на входы фильтров 6 и 7. Эти фильтры обеспечива ют подавление тех составляющих входных сигналов, которые выходят за границы частотного диапазона устройства, что позволяет сузить требования к динамическому диапазону последующих узлов или при тех же требованиях обеспечить большую разрешающую способность. Сигналы x,(t)H a(t) с выходов фильтров 6 и 7 поступают на входы модуляторов 11 и 12, на вторые входы которых подается сигнал весовой функции h (t) . Сигнал весовой функции/l(t) генерируется блоком 15 памяти весовой функции, который преобразует поступающ на его вход коды с выхода счетчика 16 весовой функции в аналоговый сигнал весовой функции . Период весовой функции h(t) таким образом будет определяться частотой импульсов, поступающих на вход счетчика 16 весовой функци т.е. в конечном счете частотой пилот-сиг нала и кодом, задаваемым узлом 23 задания полосы, который управляет коэффициентом деления частоты делители 19, на вход которого подаются импульсы с выхода счетчика 18, который запускается импульсами с выхода следящего умножителя 24. Модуляторы 11 и 12 таким образом обеспечивают умножение входных сигналов хС) и y(t) на весовую функцию b(t) . которая определяется частотой пилот-сигнала и кодом на выходе узла 23 задания полосы. Изменение кода на выходе этого узла. Который в пр стейшем случае представляет собой переключатель, обеспечивает изменение полосы частот анализа, для которой проводит определение коэффициентов Фурье взаимного спектра. Коды с выхода счетчика 18 поступают также на вход дешифратора 17, который обеспечивает формирование на его выходах кодов, аппроксимирую щих синусный и косинусный сигналы с частотой, равной частоте, на которой огфеделяются коэффициенты Фурье взаимного спектра и которая определяется произведением частоты пилот-сигнала Тп на коэффициенты Кг и К з в соответстви с вьфажением (l) с точностью до коэффициента определяемого дискретностью выборок в течение одного периода указанной частоты анализа fa . Коды с выходов дешифратора 17 подаются на цифровые входы аналого-цифровых пре- 9 образователей 4, 5, 13 и 14, на аналоговые входы которых подаются сигналы h(t)-x(t) и h(t) у(Ь). Таким образом, аналого-цифровые преобразователи 4, 5, 13 и 14 обеспечивают получениена своих выходах дискретных представлений выборок сигналов соответственно h(t)-x(t)sine rffi-i: h(t)-x(t)-cosa rpci-t h(t)-y(t)cosa fci-t ; h(tVi(.t)-fifna5fFat Далее эти дискретные представления поступают на входы блока обработки 8, в котором обеспечивается их усреднение по времени с помощью сумматора-накопителя, что эквивалентно интегрированию во времени, т.е. получение Xa-5h(t)-xC{:)sina)fcLtcLt (t)-4(t)sino3fatf i )Qx§ Jh(t)x(t).cosaDPfrt-dt - S h(t) у (t) С05 LOfa td t Получаемые коэффициенты Xp X5 Зд и Jg попарно перемножаются и сумм1фуются в соответствии с выражеСлБ-ХиХЬ УхУб в умножителе 34 (КБ аУв-Хь-ук в результате чего получаются оценки коэс{)фициентов Фурье взаимного спектра СЛБ и QV),S которые усредняются по множеству реализаций узлом 35 усреднения. Таким образом, на выходе блока 8 обра.ботки формируются коэффициенты, характеризующие действительную и мнимую часть коэффициентов Фурье взаимного спектра. Эти коэффициенты поступают на функциональный преобразователь 21, который обеспечивает преобразование их в коды, соответствующие модулю и фазе взаимного спектра в соответствии с соотношениями ,„ , GlAb V-arctg Коды с выходов функционального гфеобразователя поступают на входы блока 1О индикации и группы цифроаналоговых преобразователей 9, которые об спечивают формирование на своих выходах аналоговых представлений коэффициентов Фурье взаимного спектра, которые могут использоваться для управления самописцами, что позволяет получить графические щ)едставления амплитудночастотной и фазо-частотной характеристик взаимного спектра исследуемого объ екта. Логарифматор 22 служит для полу чения оценки модуля взаимнохх) спектра в логарифмическом масштабе. Предложенное устройство для определения коэффициентов Фурье взаимного спектра сигналов может быть использовано 1ФИ построении анализирующей специализированной и универсальной аппаратуры, обеспечивающей оценку коэффициентов Фурье взаимного спектра, а также модуля и фазы взаимного спектра в усло виях большого уровня помех в синхронно следящем режиме в широком динамическом диапазоне. Формула изобретения I. Устройство для вычисления коэффици ентов Фурье взаимного спектра, содержащее первый и второй усилители с регу лируемым коэффициентом усиления, блок задания коэффициентов усиления, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй фильтры, блок обработки, группу цифроаналоговых Щ)еобразователей и блок индикации, входы которого объединены с входами цифроаналоговых гфеобразователей группы, входы блока обработки соединены с выходами первого и Второго аналого-цифро вых преобразователей, входы первого и вторрго фильтров соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходам узла задания коэффициента усиления, а информационные, входы первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления соединены с подвижными контактами соответственно первого и второго переключателей, размыкающие контакты которых являются соответстве но первым и вторым входами устройства за мыкающие-контакты первого и второго 9 912 переключателей соединены с выходом генератора калибровочного сигнала, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и расширения динамического диапазона, в него введены первый и второй модуляторы, третий и четвертый аналого-цифровые гфеобразователи, блок памяти весовой функции, счетчик весовой функции, дешифратор, счетчик, делитель, формирователь прямоугольных импульсов, нкциональный преобразователь, логарифматор, узел задан1 я полосы, следящий умножитель, частотометр и третий переключатель, размыкающий контакт которого соединен с третьим входом устройства, а замыкающий и переключающий контакты третьего переключателя соединены соответственно с выходом генератора калибровочного сигнала и входом формирователя прямоугольных импульсов, выход которого соединен с входом следящего умножителя, а выход следящего умножителя соединен с входом частотометра, выход которого соединен с первыми входами цифроаналоговых щэеобразователей группы, вторые входы котсрых соединены с выходом логарифмато- ра, вход которого соединен с первым выходом функционального преобразователя, выходы которого соединены с третьими входами цифроаналоговых гфеобразователей группы, входы функционального тфеобразователя соединены с выходами блока обработки, входы которого соединены с выходами третьего и четвертого аналого-ци45)овых преобразователей, тактовые входы которых объединены с тактовыми входами первого и второго аналого-цифровых 1 еобразователей, входом счетчика и подключены к выходу следящего умножителя, первый выход счетчика соединен с входом делителя, ущэавляющие входы которого соединены с выходами узла задания полосы, а выход делителя соединен с входом счетчика весовой функции, выход которого соединен с Входом блока памяти весовой функции, выход коггарого соединен с первыми входами первого и второго модуляторов, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров, выход первого модулятора соединен с аналоговыми входами первого И; второго аналого-цифровых преобразователей, выход второго модулятора соединен с аналоговыми выходами третьего и четвертого анапого лифровых преобразователей, цифровые входы первого и третьего анапого1-ци4ч овых 1феобразователей соединены с первым выходом дешифрштора, второй выход которого соединен с цифровыми входами второго и четвертого аналого-цифровых преобразователей, а вход дешифратора соединен с вторым выходом счетчика.

2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок обработки содержит накапливающий сумматср, умножитель и узел усреднения, выходы которого являются выходами блока обработки, входами которого являются входы накапливающего сумматора выходы которого соединены с входами умножителя, выходы которого соединены с входами узла усреднения.

3.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что следящий умножитель содержит первый и второй делители частоты, управляемый мультивиб- ратор и узел сравнения частот, вход которого является входом следящего умножителя, Выход которюго является выходом первого делителя частоты, управляющие входы I которого являются входами задания кода знаменателя следящего умножителя, вхоц первого делителя частоты объединен с входом второго делителя частоты и соединен с выходом управляемого ультивибратора, вход которого соединен с входом узла сравнения частот, второй вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, управляющие входы которого являются входами задания кода числителя следящего умножителя.

Источники и11формации, гфинятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3631339,

кл. в Об F 15/332, опублик. 1970.

2,N wleft PacHard Journal,

1978, 29, № 13 (прототип).