Цифровой анализатор частотных характеристик

 

ЦИФРОВОЙ АНАЖЗАТОР ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, содержащий вычислитель коэффициентов Фурье, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первьм и вторым выходами блока управления вход которого соединен с управляющим входом анализатора, преобразователь аналог - код, вход которого соединен с входом анализатора, управляющий вход соединен с вторым выходом блока управления, а выход - с входом вычисления коэффициентов Фурье и входом первого накапливающего сумматора, блок вычисления амплитуды и фазы гармоники , выход которого соединен с выходом анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности вычисления коэффициентов Фурье при исследовании сигналов, содержащих субгармоническую составляющую , и определения номера субгармоники , в него введены последовательно соединенные первый элемент И, второй накапливающий сумматор и второй элемент И, выход которого подключен к входу блока вычисления амплитуды и фазы гармоники, последовательно соединенные третий элемент И, третий накапливаюпр1Й сумматор , четвертый элемент И, первый блок сравнения кодов, пятый элемент И, первый элемент ИЛИ, первый элемент задержки и блок устранения первого импульса из последовательности , выход которого подключен к второму входу второго накапливающего сумматора, последовательно соединенные второй элемент задержки, первый счетчик, первый блок анализа состояния счетчика, и третий элемент задержки , выход которого соединен с вторым входом первого накапливающего сумматора, а вход - с первым входом третьего элемента И, второй вход (Л которого связан с выходом первого накапливающего сумматора, последос вательно соединенные четвертый накапливающий сумматор, шестой элемент И, второй блок сравнения кодов, второй элемент ИЛИ, второй счетчик и седьмой, элемент И, выход которого является выходом кода номера субгарto моники анализатора, а также второй о и третий блоки анализа состояния 1C счетчика и постоянное запоминающее сд ю устройство, вход которого подключен к выходу счетчика и через второй блок анализа состояния счетчика - к выходу анализатора и второму входу первого элемента ИЛИ, своим выходом подключенного к второму входу второго элемента И, выходы постоянного запоминающего устройства через соответствующие блоки сравнения подключены к вторьт входам пятого элемента И и второго элемента ИЛИ, выходы блока управления связаны с входами второго элемента задержки и первого

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ае св

3(59 С 01 R 23/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ll0 делАм изОБРетекий и Оч кРытий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМЪ(СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3567987/18-21 (22) 25.03.83 (46) 23.10.84. Бюл. У 39 (72) Н.Б.Залялов, К.Н.Иишканов, В.А.Елисеев и С.А.Слюсарев (71) Пензенский политехнический институт (53) 621.317,.757(088.8) (56) 1. Смеляков В.В. Цифровая измерительная аппаратура инфраниэких частот. М., "Энергия", 1975, с. 12 (прототип). (54)(57) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, содержащий вычислитель коэффициентов Фурье, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления вход которого соединен с управляющим входом анализатора, преобразователь аналог — код, вход которого соединен с входом анализатора, управляющий вход соединен с вторым выходом блока управления, а выход — с входом вычисления коэффициентов Фурье и входом первого накапливающего сумматора, блок вычисления амплитуды и фазы гармоники, выход которого соединен с выходом анализатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности вычисления коэффициентов Фурье при исследовании сигналов, содержащих субгармоническую составляющую, и определения номера субгармоники, в него введены последовательно соединенные первый элемент И, второй накапливающий сумматор и второй элемент И, выход которого подключен к входу блока вычисления амплитуды и фазы гармоники, последовательно соединенные третий элемент И, третий накапливающий сумматор, четвертый элемент И, первый блок сравнения кодов, пятый эле. мент И, первый элемент ИЛИ, первый элемент задержки и блок устранения первого импульса из последовательности, выход которого подключен к второму входу второго накапливающего сумматора, последовательно соединенные второй элемент задержки, первый счетчик, первый блок анализа состояния счетчика, и третий элемент задержки, выход которого соединен с вторым входом первого накапливающего сумматора, а вход — с первым входом третьего элемента И, второй вход которого связан с выходом первого накапливающего сумматора, последовательно соединенные четвертый накапливающий сумматор, шестой элемент И, второй блок сравнения кодов, второй элемент ИЛИ, второй счетчик и седьмой элемент И, выход которого является выходом кода номера субгармоники анализатора, а также второй и третий блоки анализа состояния счетчика и постоянное запоминающее устройство, вход которого подключен к выходу счетчика н через второй блок анализа состояния счетчика — к выходу анализатора и второму входу первого элемента ИЛИ, своим выходом подключенного к второму входу второго элемента И, выходы постоянного запоминающего устройства через соответствующие блоки сравнения подключены к вторым входам пятого элемента И и второго элемента ИЛИ, выходы блока управления связаны с входами второго элемента задержки и первого

ti20252

l0 счетчика, выходом через третий блок анализа состояния счетчика соединен ного с вторым входом четвертого эле мента И, вход первого накапливающего сумматора соединен с первым входом четвертого накапливающего сумматора, второй вход которого соединен с вторым входом третьего накапливающего сумматора и входом первого элемента задержки, выход которого связан с третьим входом второго накапливаюИзобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано при эксперименталь-. ном определении частотных.характеристик динамических объектов, а также 5 для измерения амплитуд и фаэ отдельных гармоник. анализируемого сигнала, например, при виброиспытаниях объектов.

Наиболее близким по технической

Сущности к изобретению является цифровой анализатор последовательного действия, содержащий последовательно соединенные генератор эталонной частоты, делитель частоты, переключатель, шифратор, цифровое множительное устройство и первый реверсивный счетчик, последовательно соединенные с делителем частоты преобразователь код — аналог, блок управления, преобразователь аналог — код, второе цифровое множительное устройство и вто- рой реверсивный выходной счетчик, вычислитель коэффициентов Фурье, соединенный с преобразователем аналог — код, третий реверсивный счетчик для определения постоянной составляющей, вход которого также связан с вторым входом второго множительного устройства, первый вход которoro подключен к шифратору, связанному с, блоком управления, а также содержит блок вычисления амплитуды и фазы гармоники (11.

Недостатком известного устройства является низкая точность при исследовании объектов, сигнал реакции которых может содержать субгармоничесщего сумматора и вторым входом второго счетчика, второй вход седьмого элемента И подключен к выходу пятого элемента И, при этом первый вход первого элемента И связан с выходом вычислителя коэффициентов Фурье, а второй вход— с выходом второго элемента эа. держки и вторым входом блока устранения первого импуль а из последовательности. кую составляющую с неизвестным номером субгармоники.

Так как при гармоническом анализе вычисление коэффициентов Фурье ве " дется эа время Т5, равное периоду частоты возбуждения, то появление субгармоник приведет к искажению или полной потере информации о дей ствительной структуре спектра сигнала.

Целью изобретения является повышение точности вычисления коэффициентов Фурье при исследовании сигналов, содержащих субгармоническую составляющую, и определение номера субгармоники.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор частотных характеристик, содержащий вычислитель коэффициентов Фурье, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, вход которого соединен с управляющим входом анализатора, преобразо:ватель аналог — код, вход которого соединен с входом анализатора, управляющий вход соединен с вторым выходом блока управления, а выход — с входом вычислителя коэффициентов Фурье и входом первого накапливающего сумматора, блок вычисления амплитуды и фазы гармоники, выход которого соединен с выходом анализатора, введены последовательно соединенные первый элемент И, второй накапливающий сумматор и второй элемент И, выход которого подключен к входу блока вычис. ления амплитуды и фазы гармоники, 1120252 вход — с выходом второго элемента задержки и вторым входом блока устранения первого импульса из последовательности.

На чертеже представлена структурная электрическая схема цифрового анализатора частотных характеристик, Анализатор содержит последователь. но соединенные блок 1 управления, О преобразователь 2 аналог — код, вычислитель 3 коэффициентов Фурье, элемент И 4, накапливающий сумматор 5,второй элемент И Ь, последовательно соединенные элемент И 7, S накапливающий сумматор 8, элемент И 9, блок 10 сравнения кодов, элемент И 11, элемент И 12, последо" вательно соединенные элемент 13 задержки и накапливающий сумматор 14, О блок 15 вычисления амплитуды и фазы гармоники, блок 1Ь устранения перво" го импульса из последовательности, включенный между элементом И 4 и накапливающим сумматором 5, элементы 17 и 18 задержки, подключенные к входу элементов И 12, постоянное запоминающее устройство 19, первый и второй элементы ИЛИ 20 и 21, блоки 22 — 24 анализа состояния счетчи0 ка, блок 25 сравнения кодов, подключенный к выходу элемента И 2Ь, счетчики 27 и 28, подключенные к элементам 17 и 18 задержки соответственно, и накапливающий сумматор 29.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый сигнал, содержащий субгармоники, можно представить в виде

Ht2,2л „

L Й„ л о „<8„), последовательно соединенные третий элемент И, третий накапливающий сум-. матор, четвертый элемент И, первый блок сравнения кодов, пятый элемент И, первый элемент ИЛИ, первый элемент задержки и блок устранения первого импульса из последовательности, выход которого подключен к второму входу второго накапливаю- щего сумматора, последовательно соединенные второй элемент задержки, первый счетчик, первый блок анализа состояния счетчика, и третий элемент задержки, выход которого соединен с вторым входом первого накапливающе- 1 го сумматора, а вход — с первым вхо Г дом третьего элемента И, второй вход которого связан с выходом первого накапливающего сумматора, последовательно соединенные четвертый накапливающий сумматор, шестой элемент И, второй блок сравнения кодов, второй элемент ИЛИ, второй счетчик и седьмой элемент И, выход которого является выходом кода номера субгармоники 2 анализатора, а также второй и третий блоки анализа состояния счетчика и постоянное запоминающее устройство, вход которого подключен к выходу ! счетчика и через второй блок анализа З состояния счетчика — к выходу анализатора и второму входу первого элемента ИЛИ, своим выходом подключенного к второму входу второго элемента И, выходы постоянного запоминаю- 3 щего устройства через соответствующие блоки сравнения подключены к вторым входам пятого элемента И и второго элемента ИЛИ, выходы блока управления связаны с входами второго 40 элемента задержки и первого счетчика, выходом через третий блок анализа состояния счетчика соединенного с вторым входом четвертого элемента И, вход первого накапливающего суммато- 45 ра соединен с первым входом четвертого накапливающего сумматора, второй вход которого соединен с вторым входом третьего накапливающего сумматора и входом первого элемента эадерж- 59 ки, выход которого связан с третьим входом второго накапливающего сумматора и вторым входом второго счетчика, второй вход седьмого элемента И подключен к выходу пятого эле- 55 мента И, при этом первый вход первогс элемента И связан с выходом вычислителя коэффициентов Фурье, а второй где Ср — ам итуда субгар оники;

p — номер субгармоники

&р — начальная фаза субгармоники, Для устранения влияния субгармоник необходимо расширять интервал анализа от Т до mT> где m=f,2,...ð.

Погрешности вычисления коэффициенТоВ Фурье а„ и Ьп в этам случае определяются выражениями.р Г Р ьа„=, 4а — пi п(Ор) Q) (1- р ),pг r

5Ь = В1й — юсо юФ 8p) ф

1 (<-n р ) ...,,(" "p I I

l>ol о*оп ", /

9 2 >>ngОП(< Р 1 . (2Гп р (6,.

Если значение какой-либо из оценок превышает заранее установленный допустимый уровень, то это дает информацию о наличии в анализируемых сигналах значительного уровня суб- . гармоники. В этом случае производится последовательное расширение интервала суммирования (интегрирования в предельном случае) от ТВ до шТВ, где m 1,?...,р. При каждом увеличеи равняются нулю при m=p.

Такое расширение интервала интегрирования с одной стороны приводит к резкому уменьшению быстродействия анализатора а с другой — не позвоЭ

10 ляет определить наличие субгармоники и, как следствие, субгармонический резонанс. Для сохранения быстродействия необходимо в процессе вычисления an u bn определять наличие

lt $ субгармоники и ее номера р, а также предусмотреть средства уменьшения ее влияния на точность определения коэффициентов.

С этой целью параллельно с вычис2Î лением коэффициентов Фурье а н Ь„ вычисляются оценки ао и ba. Оценки а и Ь вычисляются со сдвигом интервала суммирования íà ТВ/2 по формулам (приведен предельный слу25 чай — интегрирование) т га) 2+ Tå

j <8l, 1„= „— цц, ф о т,)г

2О и связаны с погрешностями ha иЬЬ

6 соотношениями

1-n p о " 2 г

Отсюда, задаваясь допустимой величиной погрешности А„ вычисления

"АОП коэффициентов Фурье, получают выра40 жения для допустимых по модулю значений оценок нии интервала на ТВ осуществляется вычисление новых оценок а и Ь и их сравнение с допустимыми значениями.

Вычисления производятся до тех пор, пока при тпТВ=рТВ, в силу свойств ортогональности оценки не превышают допустимые значения. По значению m определяется номер субгармоники р.

Лнализируемый сигнал f(t) с объекта исследования подается на вход преобразователя 2 аналог — код, который преобразует мгновенные значения

f(t) в N точках периода Т синусоидального сигнала воэбуждейия объекта в код и подает их в вычислитель 3 коэффициентов Фурье и в первый 14 и . четвертый 29 накапливающие сумматоры.

Моменты преобразования f(t) в код задаются блоком 1 управления, который формирует последовательность коротких по длительности импульсов, поступающих с его второго выхода с периодом следования Т /Ы на управляюВ щий вход преобразователя 2 аналог— код. Эти же импульсы подаются на второй управляющий вход вычислителя 3 коэффициентов Фурье и используются в качестве тактовых для его работы.

Вход блока 1 управления является управляющим входом 30 анализатора, иа которь:й подается опорный синусоидальный сигнал, являющийся сигналом возбуждения объекта, период которо- го равен Т, Ha первом выходе блока 1 управления формируются короткие по длительности импульсы, соответствующие началу и концу периода ТВ, которые подаются на первый управляющий вход вычислителя 3 коэффициентов Фурье и служат для управления началом н концом вычисления коэффициентов.

3а каждый период ТВ вычислитель 3 производит вычисление коэффициентов

Фурье.

По окончанию периода ТВ по сигналу с первого выхода блока 1 управления производится формирование результатов вьпгислениЯ an è b„ в виде кодов на выходе вычислителя 3 коэффициентов Фурье, затем, с некоторой задержкой ь z ТВ/N, задаваемой элементом 17 задержки, коды а > и Ь„ через элемeHò И 4 поступают во второй накапливающий сумматор 5, а вычислитель 3 начинает вычисление коэффициентов а„ и Ь< для следуюшего периода ТВ.

Одновременно с вычислением коэффициентов а и и Ьп в накапливающих

1120252

7 сумматорах 14 и 29 происходит получ ени е оценок где К1=К-N/2. Оценка b получается со сдвигом интервала суммирования на Т9 /2 (сдвиг номеров отсчетов на N/2), что обеспечивается процес. сом сброса накапливающего сумматора 29.

Управление процессами получения оценок а и Ь и их сравнения с до.пустимымй значениями осуществляется при помощи счетчика 27. По началу (или концу) периода Т по сигналу

: с первого выхода блока 1 управления, поступающему через элемент 17 задержки на установочный вход счетчика 27, осуществляется сброс счетчика 27 в нулевое состояние. На вход счетчика 27, работающего в режиме суммирования, подаются импульсы с второго выхода блока 1 управления, следующие с периодом Т /N. Состояние

Г сч..гчика 27 (код) анализируется дву30 ья блоками 23 и 24 анализа состояния счетчика, подключенными к его выходу.

Когда значение кода в счетчике 27 станет равным K=N-1, на выходе блока 23 анализа состояния счетчика появляется сигнал, который сначала переписывает полученное в накапливающем сумматоре 14 значение кода, cooTBeTcTBy ee величине ао, через элемент Й 7 в накапливающий сумматор 8, затем с задержкой 7 ñÒÂ/И, 40 определяемой элементом 13 задержки, сбрасывает накапливающий сумматор 14 в нулевое состояние, подготавливая его для получения оценки ао о 15 для следующего периода Тg.

Блок 24 анализа состояния счетчика вырабатывает импульс, когда код в счетчике 27 равен K=N/2-1, т.е. если рассматривать два соседних пе- 50 риода Òll, то за это время на выходе блока 24 появляются два импульса, соответствующие серединам этих периодов. Если накапливающий сумматор установился в нулевое состояние после появления первого импульса, то с приходом второго импульса в нем получается код, соответствующий оценке Ь, причем первым отсчетом, участвующим в получении оценки Ьо, является отсчет с номером К=N/2, а К изменяется в пределах 0 — (N-l).

Таким образом, к моменту поя зления импульса на выходе блока 24 анализа состояния счетчика в накапливающих сумматорах 5 и 8 находятся соответственно коды коэффициентов а и и Ьн и код оценки ао, полученные в предыдущем периоде, а в накапливающем сумматоре 29 одновременно находится код оценки Ьо. Поэтому по каждому выходному импульсу блока 24 коды оценок а и Ьо соответственно через элементы И 9 и 26 подаются на первые входы блоков 10 и 25 соответственно сравнения кодов, на вторые входы которых подаются с первого и второго выхода постоянного запоминающего устройства l9 коды, соответствующие допустимым по модулю значениям оценок a „„(m) и Ьодод (в) (6)

Если оба условия (6) выполняются, то на первых выходах блоков l0 и 25 сравнения кодов одновременно возникают сигналы, что приводит к появлению сигнала на выходе элемента И 11, который через элемент ИЛИ 20 производит сброс накапливающих сумматоров 8 и 29 в нулевое состояние, подготавливая их для получения оценок а и Ь для следующих периодов Тв, передачу кодов коэффициентов а и Ь„ с выхода накапливающего сумматора 5 через элемент И 6 на вход блока 15 вычисления амплитуды и фазы гармоники, передачу кода, полученного к этому времени в счетчике 28, через элемент И 12 на выход, являющийся выходом кода номера субгармоники анализатора, затем с некоторой задержкой сТ /И,определяе. мой элементом 18 задержки, производит сброс в нулевое состояние накапливающего сумматора 5 и установку в исходное состояние блока 16 устранения первого импульса из последовательности и счетчика 28.

Исходное состояние счетчика 28 код m=1 °

Если хотя бы одно из условий (6) не выполняется, что говорит о наличии в анализируемом сигнале субгармоники, то на одном либо на обоих вторых выходах блоков 10 и 25 одновременно гри невыполнении двух условий (6) возникают сигналы, что при1120252 водит к появлению сигнала ра выходе элемента ИЛИ 21 и отсутствию сигнала на выходе элемента И 11. Сигнал с выхода элемента ИЛИ 21 подается на вход счетчика 28, увеличивая его код m на "1". Счетчик 28 по управляющему входу постоянного запоминающего устройства 19 производит выборку новых значений кодов, соответствующих следующим (6) допустимым по модулю 1о аa (m) H ЬоАоÄ (m) которые подаются на блоки 10 и 25 сравнения кодов для проверки условий (6) .

При отсутствии сигнала на выхоце, 15 элемента И 11 сброс накапливающих сумматоров 8 и 29 и счетчика 28 не происходит, поэтому .в них последовательно накапливаются суммы, соответствУющие оценкам а и Ьо, длЯ m пеРи- 2П одов Т, которые сравниваются послео Аоп тп и Ьоьоп (m) а в счетчике 28 накапливается значение m. Этот процесс продолжается до тех пор, пока при m=p не выполняются условия:(6). При этом сигнал с выхода элемента И 11 производит через элемент И 12 передачу кода п=р., соответствующего номеру присутствующей гармоники в анализируемом сигнале, на выход, являющийся выходом кода номера субгармоиики анализатора, I

Повышение точности вычисления коэффициентов а и Ь производится путем усреднения результатов вычис- 35 пения коэффициентов за m=p перио,цов Т в накапливающем сумматоре 5.

Последовательное расширение интервала вычисления коэффициентов до рТв позволяет использовать для получения 4О усредненных результатов а è brr послецовательное применение операций сложения и сдвига.

Сдвиг результатов производится за счет работы блока l6 устранения 45 первого импульса иэ последовательности. Если в анализируемом сигнале отсутствует субгармоника, то калдый период Та сигнала с выхода элемента И 11 через элемент ИЛИ 20 произ- 50 водится сначала передача кодов а и Ь„ в блок l5, затем с задержкой (элемент 18 задержки) сброс накапливающего сумматора 5 в нулевое состояние и установка блока 16 в исход- «> ное состояние, поэтому с приходом каждого импульса по концу Т> с бло- ка 1 управления на вход блока 16, на его выходе не появляется импульс, осуществляющий сдвиг результата в накапливающем сумматоре 5, так как при установке блока 16 в исходное

I состояние он исключает первый импульс из последовательности. При отсутствиИ сигнала с выхода элемента И 11 блок 16 в исходное состояние не устанавливается, а накапливающий сумматор 5 не сбрасывается, поэтому по приходу следующих импульсов с блока 1 управления в накапливающем сумматоре 5 производится сначала сумми- рование, а затем по сигиалу с выхода блока 16 — сдвиг результата. Этот процесс продолжается пока не появится сигнал с выхода элемента И 11 при

m=p, по которому точные значения кодов а и Ь передаются в блок 15, который оперирует" с точными значениями кодов а„и Ь и выдает на выход анализатора точные значения амплитуды и фазы гармоники.

Если процесс расширения интервала суммирования в анализаторе не прекращается при заранее установленном значении m=p, т.е. если условия (6) не выполняются то, очевидно, это дает информацию о присутствии,-н анализируемом сигнале либо постоян:.ой составляющей, либо низкочастотной составляющей (например, помехи), природу которых необходимо выяснить дополнительными исследованиями. Для этого случая в анализаторе применяется блок 22 анализа состояния счетчика, подключенный к выходу счетчика 28. Если в счетчике 28 значение кода станет равным m=p 0 +1, то на мах выходе блока 22 анализа состояния счетчика появляется сигнал, который через элемент ИЛИ 20 производит те же действия, что и сигнал с выхода элемента И 11, т.е. анализатор начинает вычисление коэффициентов с m=1.

Этот же сигнал подается на выход сигнализации аналиэатора.

В анализаторе не предусмотрена начальная установка сдвига получения оценок по времени на Т /2, так как этот сдвиг автоматически устанавливается самостоятельно максимум за m=p „+1 периодов Т> после включения анализатора, Таким образом, введенные изменения позволяют повысить точность вычисления коэффициентов при исследо-

1120252

Составитель А.Комкин

Редактор P.Цицика Техред Т.Маточка Корректор О.Тигор

Заказ 7733/32 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4 вании объектов, сигнал реакции которых содержит субгармоническую составляющую, и определить номер субгармоники, что выгодно отличает предлагаемый анализатор от анализаторов подобного типа.