Аналого-цифровой Фурье-преобразователь Советский патент 1982 года по МПК H03K13/02 

Изобретение относится к технике аналого-дискретного преобразования и может быть использовано в аппаратуре предварительной обработки информации на основе алгоритма дискретного Фурье-преобразования в измерительных системах многоцелевого назначения.

Известен аналого-цифровой преобразователь САЦП) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), обеспечивающей выполнение арифметических операций и предназначенный для умножения двух величин и преобразования произведения в код. Устройство содержит блок управления, генератор пилообразного напряжения и компаратор, образующие ШИМ, частотный модулятор измеряемой величины, ключ и счетчик Cl.

Недостатком известного устройства является ограниченность функциональных возможностей.

Известен также аналого-цифровой Фурье-преобразователь (АЦФП), содерзкащий первый широтно-импульсный модулятор, первый вход которого соединен с первым выходом блока управления, а выход - с сигнальным входом первого ключа, к управляющему входу

которого подключен выход генератора опорной частоты, два счетчика, вхо:дн сброса которых соединены с вторым выходом блока управления, а счетные входы - соответственно с выходами второго и третьего ключей, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго частотных модуляторов, а скгнальные

10 входы - с выходами второго и третьего широтно-импульсных модуляторов, входы управления которых соединены с третьим выходом блока управления Г2. Однако известный преобразователь

15 обладает низким быстродействием, так как в нем все операции выполняются последовательно во времени.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

20 Поставленная цель достигается тем, что в ансшого-цифровой Фурье-преобразователь, содержащий первый широтноимпульсный модулятор, первый вход которого соединен с первым выходом

25 блока управления, а выход - с сигнальным входом первого ключа, к управляющему входу которого подключен выход генератора опорной частоты, два счетчика, входы сброса которых

30 соединены с вторым выходом блока управления, а счетные входы - соответ ственно с выходами второго и третье ро ключей, управляющир- входы которы соединены соответсть .iHo с выходами первого и. второго частотных модуляторов, а .сигнальные входы - с выхода ми второго и третьего широтно-импульсных модуляторов, входы управления которых соединены с третьим выходом блока управления, введены блок выборки, генератор строб-импульсов, два резистора, два блока -преобразования кода в сопротивлений генератор .кодов обратных значений весовых функций, два интегратора, четвертый широтно-импульсный модулятор, четвертый ключ и сумматор, вхол Которого подключен соответстве но к выходам счетчиков, а вход сбро са соединен с вторым выходом блока управления, к третьему, четвертому и пятому выходам которого подключены соответственно входы четвертого широтно-импульсного модулятора, генератора строб-импульсов, генератор кодов обратных функций, выходы кото рого соединены с входами преобразов телей кода в сопротивление, выходы которых подключены к сигнальным вхо дам первого и четвертого широтноимпульсных модуляторов и через резистор - с,выходом блока выборки, вход управления которого подсоедине к выходу генератора строб-импульсов а информационный вход - к входной клемме, при этом выход четвертого широтно-импульсного модулятора соединен с сигнальным входом четвертого ключа, управляющий вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, причем выходы первого и четвертого ключей подсоединены к входам первого и второго интеграторов соответственно, входы сброса которых подключены к третьему выходу блока управления, а выходы соответственно - к параллельно соединенным сигнальным входам первого частотного и второго широтно-импульсного модуляторов и второго частотного и третьего широтно-импульсного модуляторов , На чертеже представлена блок-схема предложенного АЦФП, АЦФП содержит клемму измерительного входа 1, блок 2 выборки, генератор 3 ст роб-импульсов, первый частотный модулятор 4, первый широтноимпульсный модулятор (ШИМ) 5 , первый ключ 6, первый счетчик 7, первый 8 и второй 9 резисторы, второй 10 и третий 11 широтно-импульсные модуляторы первый блок 12 и второй преобразователь 13 кода в сопротивле- . ние, генератор 14 кодов обратных зна чений весовых функций, блок 15 управ ления, второй 16 и третий 17 кличи, генератор 18 опорной частоты, первый 19 и второй 20 интеграторы, второй частотный модулятор 21, четвертый широтно-импульсный модулятор 22, четвертый ключ 23, второй счетчик 24, сумматор 25. Устройство обеспечивает представление исследуемых эргодических сигналов рядом Фурье, определение и кодирование их спектральных характеристик в соответствии с выражением - -яД -cos(«,,l.l,f,. где А В. .,)- k-1.fl.i - номер дискретного значения выборки исследуемого сигнала xCt); N - объем выборки; k - номер гармонической составляющей ряда Фурье; аналитические представления ортогональных весовых функций sin() Фурье-преобразования, АИ , Bj S - дёй ствйтёльная, мни. мая и спектральная компоненты k-ой гармоники соответственно; - нормирующий коэффициент. Устройство работает следующим образом. По сигналу внешнего запуска, поступакяцему на вход блока 15 управления, последний осуществляет начальную установку соответствукнцих элементов .устройства и формирует серии i 1,N тактовых импульсов (ТИ), необходимых для обеспечения синхронного дискретного представления в аналоговой форме как исследуемого процесса x(t), так и весовых функций fcos и sin для k 1, Y 1 гармоник Фурье-преобразования. Каждый i-й ТИ блока управления генератора 3 формирует строб-импульс, которым в блоке 2 выборки осуществляется считывание дискретного значения х исследуемого сигнала. Одновременно i ТИ блока 15 управления генератора 14 формирует коды (с учетом знака) i-ых обратных значений весовых функций 1 k-ой гармоники Фурье-преобразования, которые затем преобразуются блоками 12 и 13 в эквивалентные сопротивления . Поскольку блоки 12 и 13 с соответствующими резисторами 8 и 9 образуют делители напряжений с коэффициентом деления, определяеМММ блоком 14, то величины напряжений на выходах блоков 12 и 13 соответствуют произведениям х-J cos(-L-i , . .и Х-. |. sin(-j;j--jf соответственно. Указанные напряжения по сигналам блока управления 15 преобразуются соответствующими широтно-импульсными модуляторами 10 и 11 в эквивалентные указанным произведениям интервалы времени и одновременно в число-импульсные последовательнос ти, получаемые заполнением сформиро ванных интервалов импульсами с вых2 да генератора 18 опорной частоты. Число-импульсные последовательности с выходов ключей 16 и 17 преобразуются (с учетом знаков кода весовых функций) соответствующими интеграторами 19 и 20 в ступенчатые напряжения, эквивалентные х. cos( и sinC-Ai-i) соответственно. При на выходах интеграторов 19 и 20 формируются напряжения, эквива-лентные величинам cos () и 1, i x.sin(i) соответственно, т.е. -i N. происходит формирование действитёль ,ной А,1 и мнимой В,{ частей k-ro комплексного коэффициента Фурье-преоб;ра13ования. Условие i N является признаком окончания формирования ко понент k-ro коэффициента Фурье, по которому блок управления производит .запуск ШИМ 5 и ШИМ 22 без запуска ШИМ 10 и ШИМ 11. : Частотный модулятор 4 с ШИМ 5, ключом 6 и счетчиком 7 и частотный модулятор 21 с ШИМ 22, ключом 23 и счетчиком 24 осуществляют возведение в квадрат и кодирование выходных напряжений интеграторов 19 и 20, т.е величин А и В, соответственно, При этом на выходах счетчиков 7 и 24 фор мируются коды величин А и В соответственно, которые затем суммируйтся с учетом нормирующего коэффи2циента « сумматором 25, кодовый выход которого является информационным выходом устройства, т,е. код на этом выходе эквивалентен S. Одновременно блоком управления 15 вырабатывается разрииаюпщй сигнал 2it для считывания результата измерения k-ой гармоники спектра исследуемого сигнала x(t). После считывания коде S потребителем (например, ЭВМ или устройством документирования) блок управления 15 устанавливает интег- раторы 19 и 20, а также счетчики и сумматор в исходное состояние, переключает генератор 14 на формирование весовых функций текущей (k+l) N 1 1 « j J Ой гармоники исследуемого. сигнала, и работа устройства повторяется аналогично описанному выше до тех пор, пока К не станет равным -J - 1 . При выполнении этого условия блок 15 управления вырабатывает сигнал конца преобразованная. Разрешающая способность спекртального ана,лиза эргодических сигналов, выполняемого устройством, определяется задаваемой блоком управления частотой дискретизации исследуемого сигнала и объемом выборки согласно условию F ... где N - о.бъ.ем-выборки исследуемого процесса xft) ; F - частота дискретизации (квантование) исследуемого npof5 цесса. При этом погрешность кодирования спектральных характеристик в основном определяется разрядностью генератора кодов весовых функций, точностью, делителя напряжений и частотным разрешением ШИМ-интервалов. Формула изобретения Аналого-цифровой Фурье-преобразователь ,. содержащий первый широтноимпульсный модулятор, первый вход которого соединен с .первым выходом блока управления, а иыход - с сигнальным входом первого ключа, к управляющему входу которого подключен выход генератора опорной частоты, два счетчика, входы сброса кото.рых соединены с вторым выходом блока управления, а счетные входы - соответственно с выходами второго и третьего ключей, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго частотных модуляторов, а сигнальные входы - с выходами второго и третьего широтноимпульсных модуляторов, входы управления которых соединены с третьим выходом блока управления, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, введены ., блок выборки; генератор строб-импульсов, два резистора два блока преобразования кода в сопротивление, генератор кодов обратных значений весовы функций, два интегратора, четвертый широтно-импульсный модулятор, четвертый ключ и сумматор, вход которого подключен соответственно к выходам счетчиков, а вход сброса соединен с вторым выходом блока управления, к третьему, чет вертому, и пятому выходам которого подключены соответственно входы четвертого широтноимпульсного модулятора, генератора строб-импульсов и генератора кодов обратных функций, выход которого соединен с входами преобразователей кода в сопротивление, выходы которых подключены к сигнальным входам первого и четвертого широтно-импульсных модуляторов и через резистор - с выходом блока выборки, вход управления которого подсоединен к выходу гён атора строб-импульсов, а информационнь1й вход - к входной клемме, при этом выход четвертого широтГ

но-импульсного модулятора соединен с сигнальным входом четвертого ключа управляющий вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, причем выходы первого и четвертого ключей подсоединены к входам перврго и второго интеграторов соответственно, входы сброса которых подключены к третьему выходу блока управле-ния, а выходы соответственно - к параллельно соединенным сигнальным входам первого частотного и второго широтно-импульсного модуляторов и второго частотного и третьего широтно-импульсного модуляторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Темников Ф.Е., Славинский В.Л. Математические развертываюише системы. М., 1970, Энергия, с.90-91, рис.5-3.

2.Смеляков В.В. Цифровая-измерительная аппаратура инфранизких частот. М., энергия, 1975, с.12-13, рис.11 (прототип).