Устройство для определения параметров экстремумов сигналов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРЕМУМОВ СИГНАЛОВ по авт.св. 922645, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем дополнительной регистрации моментов времени и величин главных экстремумов сигнала в реальном масштабе времени , в него введены подключенная к шине входных сигналов цепь, состоящая из последовательно соединенных первого и второго элементов памяти, второго вычитателя, второго формирователя модуля, третьего элемента памяти, второго делителя напряжения , четвертого порогового элемента и четвертого формирователя импульсов , а также пятый пороговый элемент, первый и второй элементы И, четвертый и пятый электронные ключи, первые входы которых соединены с шиной входных сигналЬв, а вторые подключены к выходам соответственно первого и второго элементов И, первые входы которых соединены с выходом второго формирователя импульсов и вторым входом первого элемента памяти , причем выход четвертого формирователя импульсов соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, третьи входы которых подключены соответственно к первому и втвэрому выходам пятого порогового элемента, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, второй i вход которого соединен с выходом первого элемента памяти, при этом (Л выходы первого и третьего формирователей импульсов соединены соответственно с вторыми входами второго и третьего элементов памяти, первьой вход которого, кроме того, соединен .с вторым входом второго делителя напряжения , а выходы четвертого и пятого электронных ключей подключены соответственно к четвертой и пятой выходным шинам. 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(5)) 01 К 19/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н ABTOPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВ,Ф

ГОСУДАГСТНЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 922645 (21) 3413381/18-21 (22). 26.03.82 (46 ) 23.02; 84. Бюл. Р 7 (72 ) В. В. Карпов и Г. Д. Средин (53 ) 621. 317. 7 (088. 8 ) (56 ) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 922645, кл. Cj 01 к 19/04, 22.05.80 (прототип) ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРЕМУМОВ СИГНАЛОВ по авт.св. 9 922645, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем дополнительной регистрации моментов времени и величин главных экстремумов сигнала в реальном масштабе времени, в него введены подключенная к шине входных сигналов цепь, состоящая из последовательно соединенных первого и второго элементов памяти, второго вычитателя, второго формирователя модуля, третьего элемента памяти, второго делителя напряжения, четвертого порогового элемента и четвертого формирователя импульсов, а также пятый пороговый элемент, первый и второй элементы И, четвертый и пятый электронные ключи, первые входы которых соединены с шиной входных сигналЬв, а вторые подключены к выходам соответственно первого и второго элементов И, первый входы которых соединены с выходом второго формирователя импульсов и вторым входом первого элемента памяти, причем выход четвертого формирователя импульсов соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, третьи входы которых подключены соответственно к первому и вт©рому выходам пятого порогового элемента, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, второй вход которого соединен с выходом Щ °

G первого элемента памяти, при этом выходы первого и третьего формирователей импульсов соединены соответственно с вторыми входами второго и С третьего элементов памяти, первый вход которого, кроме того, соединен .с вторым входом второго делителя напряжения, а выходы четвертого и пятого электронных ключей подключены соответственно к четвертой и пятой выходным шинам.

1075178

Изобретение относится к импульс- ной технике и может использоваться з устройствах обработки и оценки параметров сигналов для регистрации

:s реальном масштабе времени моментов главных экстремумов сигналов и выделения текущих значений сигналов в регистрируемые моменты времени.

По основному авт.св. N. 922645 известно устройство для определения параметров экстремумов сигналов, со- 10 держащее последовательно включенные первый элемент задержки, вычитатель, формирователь модуля напряжения, цторой элемент задержки и первый делитель напряжения, другой вход которо го 1 5 соединен с выходом второго элемента задержки, а выход .подключен к входам первого, второго и третьего пороговых элементов, выходы которых через соответствующие формирователи импульсов я подключены к входам соответственно

° первого, второго и третьего электронных клЫчей, другие входы которых соединены с входом первого элемента задержки, другим входом вычитателя и 75 шиной входных сигналов, а выходы соединены соответственно с.первой, второй и третьей выходными шинами f1) .

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности выделения моментов времени и величин главных (максимальных и минимальных) экстремумов входных сигналов в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей

35 путем дополнительной регистрации мо— ментов времени и величин главных экстремумов сигнала в реальнОм масштабе времени.

1 40

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения параметров экстремумов сигнала, содержащее последовательно включенные пер- вый элемент з адержки, вычит атель, 45 формирователь модуля напряжения, второй элемент задержки и первый делитель напряжения, другой вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, а выход подключен к входам первого, второго и третьего пороговых элементов, выходы которых через соответствующие формирователи импульсов подключены к входам соответственно первого, второго и третьего электронных ключей, другие входы которых сое-55 динены с входом первого элемента задержки, другим входом вычитателя и шиной входных сигналов, а выходы соединены соответственно с первой, второй и третьей, выходными шинами вве- 60 дены подключенная к шине входных сиги >лов цепь, состоящая из последовательно соединенных первого и второго элементов памяти, второго вычитателя, второго формирователя модуля, третье-65

ro элемента памяти, второго делителя напряжения, четвертого порогового элемента и четвертого формирователя импульсов, а также пятый пороговый элемент, первый и второй элементы И, четвертый и пятый электронные ключи, первые входы которых соединены с шиной входных сигналов, а вторые подключены к выходам соответственно первогО и второго элементов

И, первые входы которых соединены с выходом второго формирователя импульсов и вторым входом первого элемента памяти, причем выход четвертого формирователя импульсов соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, третьи входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам пятого порогового элемента, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, второй вход которого соединен с выходом первого элемента памяти, при этом выходы первого и третьего формирователей импульсов соединены Соответственно с вторыми входами второго и третьего элементов памяти, первый вход которого, кроме того, соединен с вторым входом второго делителя напряжения, а выходы четвертого и пятого электронных ключей подключены соответственно к четвертой и пятой выходным шинам.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 — диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Шина 1 входных сигналов устройства соединена с входом первого элемента 2 задержки, осуществля.тцего л задержку сигнала на время ь», и с первым входом первого вычитателя 3.

Выход элемента 2 задержки подключен к второму входу первого вычитателя 3, выход которого подключен к входу первого формирователя 4 модуля напряжения, выход которого соединен с входом второго элемента 5 задержки, на выходе которого формируется напряжение, задержанное на время относительно его входного напряжения.

Выход элемента 5 задержки подклюключен к входу первого делителя б напряжения, в.качестве которого используется, например, управляемый аттенюатор, коэффициент передачи которого изменяется пропорциональ— но напряжению на его втором входе.

Выход первого делителя б напряжения подключен к входам первого, второго и третьего пороговых элементов 7-9, выполненных идентичными, например, по схеме .триггера Шмидта, на выходе которого формируется положительный потенциал при превышении входным сигналом его порогового уровня.

Выходы пороговых элементов 7-9 сое1075178 динены соответственно с входами пер- вого, второго и третьего формиронателей 10-12 импульсов, выполненных идентичными, например, по схеме ждущего мультивибратора, на входе кото. рого н момент положительного перепада входного напряжения формируется импульс длительностью 3 8 .

Шина 1 входных сигналов устройства подключена к первым входам первого, второго и третьего электронных ключей 13-15, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего формирователей 10-12 импульсов. Выходы первого, второго и третьего электронных 15 ключей 13-15 подключены соответственно к первой, .нторой и третьей выходным шинам 16-18 устройства. Электронные ключи 13 15 выполнены идентичными, входной сигнал проходит на выход

20 электронного ключа только при наличии положительного .потенциала на его втором входе. (Шина 1 входных сигналов устройства соединена с первым входом первого элемента 19 памяти, представляющего собой известную схему "выборка-запоминание", на выходе которой устанавливается и хранится напряжение, равное ее входному напряжению в момент 3п наличия положительного импульса на ее втором входе. Выход. первого элемента 19 памяти соединен с первым входом нторого элемента 20 памяти и с первым входом второго вычитателя

21, второй вход которого соединен с выходом второго элемента 20 памяти. . Выход второго вычитателя 21 подключен к входу второго формирователя 22 модуля напряжения, выход которого 4() соединен с первым входом третьего элемента 23 памяти, выход которого подключен к первому входу второго делителя 24 напряжения, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя 22 модуля напряжения.

Вторые входы первого, второго и третьего элементов 19, 20 и 23 памяти соединены соответственно с выходами второго, первого и третьего формирователей 11, 10 и 12 импульсов. 50

Выход второго делителя 24 напряжения подключен к первому входу четвертого порогового элемента 25, выход которого соединен с нходом четвертого формирователя 26 импульсов, аналогич-55 ного первому, второму и третьему.

I !

Выход второго ннчитателя 21 подключен к входу пятого порогового элемента 27 (дорог которого Е4 =0), на 60 первом и втором выходах которого формируются соотнетстненно положительный и нулевой потенциалы при() ъ О, а при U,< 0 - соответственно нуле1 .ной и положительный. — 65

Выход первого формирователя 11 импульсов подключен к первым входампервого и второго элементов И 28 и 29, вторые входы которых соединены с выходом четвертого формирователя

26 импульсов. Шина 1 подключена к первым входам четвертого и пятого электронных ключей 30 и 31, выходы которых соединены соответственно с четвертой и пятой выходными шинами

32 и 33 устройства, а вторые входы подключены к выходам первого и второго элемента И 28 и 29, третьи входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами пятого порогового элемента 27.

Устройство работает следующим образом.

Способ заключается в том, что для определения моментов времени и вели чин экстремумов сигнала используется свойство непрерывных сигналов: их первая производная в точке экстремума равна нулю, а отношение задержанного и текущего значений производной нходного сигнала в областях его экстремумов не зависит от. параметров входного сигнала, н т.ч. и многочастотного. Для этого с помощью первого элемента 2 задержки, первого вычитателя 3 и первого формирователя 4 ,модуля формируется модуль первой про изводной входного сигнала, а с помощью второго элемента 5 задержки—

его задержанное значение ° С помощью первого делителя 6 напряжения формируется сигнал отношения задержанных зна ений производной к текущим. Полученный сигнал сраннивается с пороговыми значениями первого, второго и третьего пороговых элементов 7-9 для регистрации предшествующих экстремальным экстремальных и следующих за экстремальными моментов времени. С. помощью первого, второго и третьего электронных ключей осуществляется выделение значений сигнала, соответствующих укаэанным моментам времени. !

Определение моментов времени и величин максимальных и минимальных экстремумов сигнала основано на том, что указанные моменты близки к моментам экстремумов огибающей входного сигнала, представляющей собой в общем случае многочастотный сигнал (следует из разложения огибающей сигнала в степенной ряд), производная которого в моменты экстремумов равна нулю. С помощью первого и второго элементов 19 и 20 памяти и второго вычитателя 21 осуществляется формирование ступенчатого напряжения приращений сигнала в смежные моменты -, времени его экстремумов (эквивалентного первой производной огибающей сигнала).

1075178

55

С помощью третьего элемента 23 г,амяти осуществляется задержка этоf о напряжения приращений на время

Т (интервал между смежными экстремумами сигнала), после чего с помощью второго делителя 24 напряжения формируют напряжение, равное отношению задержанных значений напряжения приращений к текущим. Полученное напряжение сравнивается с пороговым уровнем четвертого порогового элемента 25 и при пересечении этим напряжением снизу вверх установленного порога с помощью четвертого

Формирователя 26 импульсов формируется импульс, регистрирующий момен- 15 ты времени максимальных или минимальных экстремумов сигнала.

С помощью пятого порогового элемента 27, первого и второго элемен toe И 28 и 29 осуществляется разде- 20 ление моментов времени максималь,ных и минимальных экстремумов сигнала, а значения входного сигнала, соответствующие упомянутым .моментам времени, выделяются с помощью четвер- 25 гого и пятого электронных ключей

30 и .31.

При поступлении на шину 1 входных сигналов устройства гармонического сигнала U! = in (at (фиг. 2.".-), 30 где А и с0 — соответственно амплитуда и круговая частота, на выходах первого элемента 2 задержки, первого вычитателя 2 (фиг.2.?) и первого формирователя 4 (фиг.2.3), второго элемента 5 задержки (фиг.2.4) и первого делителя 6 напряжения (фиг.2.5) формируются напря;1;онпя соответственно U@, 0, 04, Ug и Ц6, равные

U = И(нu(t — -„), О - (j „- U = ) u i c.оь с.А (!4- А сЛ,сов ы+ !, !

) = (Au ь„сов(а(, - ф; !

) (Au i„c,îåÈ 8.-

U6=

Ug !К(Л,соЗсз

- Текущие значения ы близки к /2 в окрестностях экстремумов входного сигнала, при этом для моментов 50 времени, предшествующих экстремальным, соответствующих экстремальным и следующих за экстремальными, справедливо соответственно 4 =t j — Й,, = (- + ht, где t — текущее время, — момент j -ro экстремума сигнала, д1 — временной интервал между моментом j -го экстремума сигнала и текущим временем.

В этом случае в моменты времени, предшествующие экстремальным !

А<Я„соь и0 А- 1! ь !

)6 = (+ —

jhow i,ооьМ(,С! - ь

I так как со )(Ь + !,) 1,Соэ(.1 М. - 1,5!т < 65 Ь + g)à<з(Ь + ь ) i5in Et И ht npu малых значениях ь1 at и(!(ь + ).

В моменты времени, соответствующие экстремальны.л 06 = со (при конкретной реализации ограничивается напряжением источника питания).

B моменты времени, следующие за экстремальными т .. Текущее зна-! nt чение напряжения U сравнивается с значениями Е,, Е!!, Е!, соответственно первого, второго и третьего пороговых элементов 7-9.

Значения E!!, E П,и Ен 3 выбираются соответствующими значениям напряжения !.!6 в моменты времени t - ht, и +At. При пересечении снизу вверх напряжением U6 порогового уровня Е 1 первого порогового элемента 7 на выходе последнего формируется положительный перепад напряжения, при этом на выходе первого формирователя 10 импульсов вырабатывается импульс (фиг.2.6) длительностью ь>, открывающйй первый элеки тронный ключ 13 на время 3, в течение которого нходной сигнал проходит на первую выходную шину 16 устройства.

Аналогично в моменты пересечения снизу вверх напряжением пороговых уровней Е< и E q> соответственно второго и третьего формирователей

11 и 12 импульсов вырабатываются им!кульсы (фиг.2.7 и 2.8), открываю/1 щие на время соответственно вто5 рой и третий электронные ключи 14 и 15, при этом сигнал с шины 1 входных сигналов устройства проходит н соответствующие моменты времени на нторой и третьей его выходных шинах

17 и 18.

Следовательно, на первой, второй и третьей выходных шинах 16-18 устройства выделяются соответственно мгновенные значения входного сигнала, предшествующие экстремальным, экстремальные и следующие за экстремальными. Моменты выборок сигнала на первой и третьей выходных шинах 16 и 18 устройства определяются выбором порогов Еп и Е, В моменты времени i -го экстремума сигнала (момент времени j ) положительный импульс с выхода второго формирователя 11 импульсов поступает на второй вход перного элемента 19 памяти, на выходе которого устанавливается напряжение 0, равное входному напряжению в момент его -ro экстремума. (На выходе второго элемента 20 памяти к моменту времени установлено напряжение U!!, соответствующее (-1)-му экстремуму входного сигнала). На выходе второго вычитателя 21 устанавливается напряжение Uq, равное разности значений

1075178 входного сигнала в моменты его g -го и (j -1)-го экстремумов. (На выходе третьего элемента 23 памяти установ лено напряжение u(») равное модулю разности значений входного сигнала в моменты его ((-1)-ro и (j -2)-ro экстремумов). На выходе второго делителя 24 напряжения формируется на- . пряжение О((, равное отношению Н(»)/U<, которое сравнивается с пороговым значением Е»(четвертого порогового элемента 25. В момент превышения напряжением U((значения Е»)4 на выходе четвертого формирователя 26 импульсов формируется положительный импульс. При 0()> 0 (соответствует по- »з ложительному знаку первой произвольной огибающей сигнала при приближении к моменту ее максимального экстремума) на первом выходе пятого порогового элемента 27 формируется поло- 20 жительный потенциал, а при lJ») < 0 положительный потенциал формируется на втором его выходе. В первом случае при положительном потенциале на выходе четвертого формирователя 26 им- 25 пульсов (формируется в моменты максимальных или минимальных экстрему мов сигнала) импульс с первого входа первого элемента И 28 проходит на второй вход четвертого электронно- 30 го ключа 30, на выход которого проходит напряжение входного сигнала в моменты его максимального экстремума.

Во ""òîðîì случае в момент минимального экстремума сигнала импульс с первого выхода второго элемента

И 29 проходит на второй вход пятого электронного ключа 31, на выход которого проходит напряжение .входного сигнала в момент его минимального экстремума.

Процесс определения моментов времени и величин максимальных и минимальных экстремумов сигнала поясняется на примере двухтонального сНгнала (й»=Up, (d((-И (((») Ы((AqS(») Ment = 2 Ь(СОВ 2 t9(») (фиг.3.1), где А =-А амплитуды, а и(» са2 — частоты перво- 5Q го и второго тональных сигналов.

Экстремальные значения этого сигнала рав»(ы gg СО — " (,.

) 5( менты экстремумов сигнала, (— порядковый номер экстремума, причем моменты минимального (3-го) и максимального (9-го) экстремумов этого сигнала предшествуют соответственно моментам времени t,» и t2 (фиг.3.2) экстремумов его огибающей.

На выходах первого элемента 19 памяти, второго элемента 20 памяти, второго вычитателя 21 и второго формирователя 22 модуля напряжения фор» 65 мируются соответственно напряжения ф ф (фиг.3.3), U8 (фиг.3 4), и< (фиг. 3. 5) и U(a (фиг. 3. 6 ), равные ()2=24(ñîÁ с)(0)2

1() и(-()я, U»=»A,с«ь () -т),,л где Т = ------- — период сигнала заполнения.

+ ь) Так как при

>>(COB — ) ( с »- 4 я

G3(- Я

) с)(-и; и(- я 2 с>»-Ы

1« (1(l-Ы2)Т Б П () )> причем значения ()(„(,t) ) представляют собой отсчеты в моменты времени 1, напряжения, пропорционального первой производной огибающей входного сигнала.

На выходе третьего элемента 23 памяти путем задержки напряжения ()(о на время Т формируется напряжение U(((фиг.3.7), равное .

U«=lA (v « т) «)« (»,-T)l, На выходе второго делителя 24 напряжения формируется напряжение

U(g (фиг.3.8), равное отношению значений первой производной огибающей сигнала в момент (» -1)-го отсчета (U»» .) к ее значению в .момент (-го отсчета (0(0 ).

) ) ) ы,.ы )т «in — »ы,- \(),; -t)(I A((u(-с )2)Т 5(»» 2(».)(-с) 1 с (-с ? с)(-Gag — Тс (" (. 1

2 6 Я )»

В областя.(экстремумов огибаю...ей сигнала в моменты времени 1,„

=tО- h4, I me t») — MoMeHTFI экстремумов огйбающей,т),„ — момент максимального (или м.:нимального) экстремума сигнала — Н»)- л()

» с) -(dg 2 () Й(„1=

Т

2 ь) -с), b -,, Й,-ht(1 т.е. Не зависит от параметров огибающей сигнала. Напряжение Ll(2 сравнивается с пороговым зна ением Е,; четвертого порогового элемента 25, на выходе которого в момент пересечения снизу вверх порогового у»овня

Е») (момент CI и tj9 ) формируются

»»4 4 положительные )»отенци, лы, при этом в укаЗанные моменты времени на выхо1075178

10 де четвертого формирователя 2б импульсов формируются положительные импульсы (фиг.3.9).

В момент времени tj> импульс с первого входа второго элемента

И 29 (фиг.3.10) ввиду наличия положительных потенциалов на его втором (фиг.3.9) и третьем входах (фиг.3.11) проходит на второй вход пятого элек,тронного ключа 31 (фиг.3.13), на выход которого. проходит напряжение входного сигнала в момент его минимального экстремума.

B момент времени (импульс с первого входа первого элемента И 28 (фиг.3;10) ввиду наличия положитель- 15 ных потенциалов на его втором (фиг.3.9) и третьем (фиг.3.12) входах проходит на второй вход четвертого электронного ключа 30 (фиг.3.14), на выход которого проходит напряже- 20 ние входного сигнала в момент его максимального экстремума.

Следовательно, предлагаемое устройство позволяет регистрировать в, реальном масштабе времени отдельно 25 моменты максимальных и минимальных

1 экстремумов входного сигнала (по вре мени появления импульсов на вторых входах соответственного четвертого и пятого электронных ключей 30 и 31), а также выделять значения входного сигнала в упомянутые моменты времени соответственно на четвертой и пятой выходных шинах 32 и 33 устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство расширяет функциональные воэможности основного устройства за счет дополнительного выделения моментов времени и величин максимальных и минимальных экстремумов сигнала в реальном масштабе времени.

Io сравнению с известным устройством повышается точность выделения моментов времени и величин экстремумов, в т.ч. и при малых значениях крутизны сигналов в областях экстремумов, появляется возможность выделения для анализа в реальном масштабе времени значений сигнала, предшествующих экстремальным, экстремальных и следующих за экстремальными.

1075178

8 йУ

38

3.9

ЫО

И!

32

5б . Н4

Составитель Н.Маркин

Редактор Т.Кугрышева Техред М.Гергель Корректор О.Тигор

Ф

Заказ 492/38 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент",. г. Ужгород, ул. Проектная, 4