Адаптивное устройство для мажоритарного сглаживания сигналов

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ИЮ (И) 4(51) Н 05 К 10/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

il

Ч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ -К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС ГВУ (21} 3544974/24-24 . (22} 13.01. 83 (46) 23.01.85. Бюл. Р 3

{ 72) В.П. Авдеев, С. Р. Зельцер, Т.И. Даниелян, 10.II. Калинов, А .И. П1афир и А.Г. Вайнштейн (71) Сибирский ордена Трудового

Красного Знамени металлургический институт им. Серго Орджоникидзе (53) 621.316{088.8) (56) 1. Гильбо Е.П. и др . Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора, И., "Советское Радио", 1975, с. 281-282, рис. 6.16.

2, Авторское свидетельство СССР

У 706949, кл. Н 05 К 10/00, 1978.

;(54)(57) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО .ДЛЯ МАЖОРИТАРНОГО СГЛАЖИВАНИЯ СИГНАЛОВ, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которого подключен к входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматора соединены с выходом первого сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства, дифференцирующий фильтр, вход которого соединен с выходом мажоритарного элемента, являющимся выходом устройства, и блок выделения модуля, входом подключенный к выходу дифференцирующего фильтра, а выходом — к входу первого инвертора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства при обработке нестационарных сигналов, в него введены

I алгебраический сумматор, первый и второй нелинейные элементы, второй и третий сглаживающие фильтры, второй инвертор, первый и второй блоки деления, а также первый и второй блоки умножения, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и второго сумматоров, первые входы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого и второго блоков деления, второй вход первого. блока умножения подключен к выходу первого инвертора, а второй вход второго блока умножения — к выходу блока выделения модуля, вход делимого первого блока. деления подключен к выходу второго сглаживающего „ фильтра, соединенного также с входом делителя второго блока деления, вход делимого второго блока деления подключен к входу делителя первого блока деления и к выходу третьего сглажива -: ющего фильтра, вход которого связан с выходом второго нелинейного элемен", та, входом подключенного к выходу алгебраического сумматора и входу первого нелинейного элемента, выход которого связан с входом второго инвертора, выходом подключенного к входу второго сглаживающего фильтра, суммирующий вход алгебранческого сумматора подключен к входу устройства, а вычитающий — к выходу перного сглаживающего фильтра.

113б334

Изобретение относится к автомати-ке и измерительной технике и может быть использовано в измерительных системах для обработки сигналов датчиков первичной информации.

Известно устройство для сглаживания сигналов, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которо-. го подключен к входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматора соединены с выходом сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства (1) .

Недостаток устройства состоит в том, что при определенных характеристиках полезного сигнала (скорость изменения и амплитуда) возрастают ошибки преобразования, так как величина строба в известном устройстве все время остается постоянной, выставленной при настройке.

Известно также адаптивное устройство для мажоритарного сглаживания сигналов, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которого подключен к входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматора соединены с выходом сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства, дифференцирующий фильтр, вход которого соединен с выходом мажоритарного элемента, являющимся выхоцом устройства, и блок выделения модуля, входом подключенный к выходу дифференцирующего фильтра, выход блока выделения модуля подключен к второму входу первого сумматора непосредственно и через инвертор к второму входу второго сумматора (2$ .

Недостаток известного устройства . состоит в том, что при нестационар-. ном, например, ступенчатом изменении входного сигнала ошибки его преобразования имеют большую величину, так как строб, имеющий переменную величину, формируется симметрично относительно сглаженного входного сигнала, а значения сглаженного входного сигнала располагаются несимметрично относительно фактических значений входного сигнала из-за инер

II 5

55 ционности сглаживающего фильтра.

За счет этого происходит "срезка" значений входного сигнала не содержащих выбросов, на границе строба, совпадающей по знаку с направлением изменения сглаженного входного сигнала, и пропускание на выход устройства значений входного сигнала, содержащих выбросы, если знак их отклонений от сглаженного сигнала противоположен направлению изменения сглаженного входного сигнала.

Цель изобретения заключается в повышении точности устройства при обработке нестационарных сигналов. !

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которого подключен ко входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматора соединены с выходом первого сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства, дифференцирующий фильтр„ вход которого соединен с выхо"ом мажоритарного элемента, являющимся выходом устройства, и блок выделения модуля, входом подключенный к выходу дифференцирующего фильтра, а выходом — ко входу первого инвер.тора, дополнительно введены алгебраический сумматор, первый и второй нелинейные элементы, второй и третий сглаживающие фильтры, второй инвертор, первый и второй блоки деления, а также первый и второй блоки умножения, выходы которых соединены соответственно с вторьвчи входами первого и второго сумматоров, первые входы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого и второго блоков деления, второй вход первого блока умножения подключен к выходу первого инвертора, а второй вход второго блока умножения — к выходу блока выделения модуля, вход делимого первого блока деления подключен к выходу второго сглаживающего фильтра, соединенного также с входом делителя второго блока деления, вход делимого второго блока деления подключен к входу делителя первого блока деления и к выходу третьего сглаживающего фильтра, вход которого связан с выходом второго нелинейного эле3 1136 мента, входом подключенного к выходу. алгебраического сумматора и входу первого нелинейного элемента, выход которого связан с входом второго инвертора, выходом подключенного 5 к входу второго сглаживающего фильтра, суммирующий вход алгебраического сумматора пОдключен ко входу устройства, а вычитающий — к выходу первого сглаживающего фильтра. 1Î

На чертеже представлена блок-схема адаптивного устройства для мажоритарного сглаживания сигналов..

Устройство содержит первый сглаживающий фильтр 1, первый 2 и второй

3 сумматоры, мажоритарный элемент 4, алгебраический сумматор 5, первый б и второй 7 нелинейные элементы, второй инвертор 8, второй 9 и третий

10 сглаживающие фильтры, первый 11. 2О и второй 12 блоки деления, первый

13 и второй 14 блоки умножения, первый инвертор 15, блок выделения модуля 16, дифференцирующий фильтр 17.

Первый 1, второй 9 и третий 10 сглаживающие фильтры выполнены в виде интегрирующих усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

Сумматоры 2 и 3 и алгебраический сумматор 5 выполнены на базе суммиру-ЗО ющих усилителей. Мажоритарный эле:мент 4 может быть реализован на базе диодно-транзисторных схем. Первый 15 и второй 8 инверторы представляют собой усилители перемены знака (инвертирующие усилители). Блок

16 выделения модуля представляет собой выпрямитель, реализованный на усилителе и диодах. Нелинейные элементы 6 и 7 выполнены на диодах.

49

Блоки 13 и 14 умножения и блоки 11 и 12 деления выполнены на базе диодных квадраторов, составленных из токовых диодных ячеек. Дифференцирующий фильтр 17 представляет собой

45 схему дифференцирования, выполненную на базе операционного усилителя.

Адаптивное устройство для мажоритарного сглаживания сигналов рабо,тает следующим образом.

334 4 гих входа мажоритарного элемента 4 сигналы поступают с выходов первого

2 и второго 3 сумматоров. На первые входы первого 2 и второго 3 сумматоров поступают сигналы с выхода первого сглаживающего фильтра 1, а на их вторые входы — сигналы соответственно с выходов первого 13 и второго 14 блоков умножения.

Выходной сигнал первого блока 13 умножения формируется в результате перемножения выходных сигналов первого блока 11 деления и первого инвертора 15. Выходной сигнал второго блока 14 умножения формируется в результате перемножения выходных сигналов второго блока 12 деления и блока 16 выделения модуля.

Выходной сигнал первого блока 11 деления формируется в результате депения выходного сигнала второго сглаживающего фильтра 9 на выходной сигнал третьего сглаживающего фильт ра 10, а выходной сигнал второго блока. 12 деления — в результате деления выходного сигнала третьего сглаживающего фильтра 10 на выходной сигйал второго сглаживающего фильтра 9. Для этого сигнал с выхода второго сглаживающего фильтра 9 поступает на вход делимого первого блока 11 деления и на вход делителя второго блока деления 12, а сигнал с выхода третьего сглаживающего фильтра 10 поступает на вход делимого второго блока 12 деления и на вход делителя первого блока деления.

Сигналы на выходе второго 9 и третьего 10 сглаживающих фильтров формируются следующим образом.

В алгебраическом сумматоре 5 из входного сигнала х „(Ц вычитается

его сглаженное в первом сглаживающем фильтре 1 значение х (4) и бх полученный при этом сигнал

E(4) = X в„(Ц- Х х(Ц поступает на входы первого 6 и второго 7 нелинейных элементов. Первый нелинейный элемент

6 функционирует по закону

Входной сигнал поступает на первый вход мажоритарного элемента 4, на вход первого сглаживающего фильтра 1 и на суммирующий вход алгебраического сумматора 5, на вычитающий 55 вход которого поступает сглаженный входной сигнал с выхода первого сглаживающего фильтра 1. На два друЕ(t) при ()i 0, Ф) 0 при Е(О 0 а второй нелинейный элемент 7 — по закону

PE (t) при E(t) 0;

Ei(t) 1 0 при Ej,< p

1136334

Таким образом, келинейный эле мент 6 пропускает на выход только отрицательные, нелинейный элемент

7 - только положительные отклонения

Ю сглаженного входного сигнала 5

Ув„Щ от его фактических значений

М z< (t) . Выходной сигнал второго нелинейного элемента 7 Е (Ц поступа2 ет непосредственно на вход третьего сглаживающего фильтра 10, а на вход второго сглаживающего фильтра

9 через второй инвертор 8 поступает сигнал, равный по величине, но обратный по знаку сигналу Е (1} с выхода первого нелинейного элемента 6. 15

В фильтрах 9 и IO сигналы E,{Ц и E2(t) сглаживаются. Здесь Е, (g) обозначено инвертированное значение сигнала E1(t),, Сигналы о сглаженных значениях 20

: Е,(Ц и Е2(<) с выходов второго 9 и третьего 10 сглаживающих фильтров поступают на входы первого 11 и второго 12 блоков деления, в которых выполняются операции вида 25

4,® Ф (t); q (<). .

"2®= Ф 4 (t), где k (tj, k2 (t) — выходные сигналы соответственно первого 11 и второго

12 блоков деления.

В первом блоке 13 умножения сигнал k (U умножается на сигнал () поступающий с выхода первого инвертора 1S. Во втором блоке 14 умножения сигнал ) 2(Ц умножается на сигнал (g(t) поступающий с выхода блока 16 выделения модуля. Сигналы (p(t) и gH) формируются следуюиум образом.

Выходкой сигнал мажоритарного элемента 4 поступает на вход дифференцирующего фильтра 17, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный скорости изменения выходного сигнала мажоритарного элемента 4. Полученный сигнал поступает ка блок 16 выделения модуля, где формируется сигнал 1® постоянной полярности, пропорциональный скорости. изменения выходного сигнала мажоритарного элемента 4. Сигнал

P(t) поступает ка вход первого инвертора 15, на выходе которого фор— мируется сигнал ц Я), равный ио величине ((1), ко обратной поляр ности.

Выходные сигналы йх, (Ц= );,(t) q (t) первого блока 13 умножения и 6 N (Ц (t) ° q(t) второго блока 14 умножения поступают на вторые входы первого 2 и второго 3 сумматоров соответственно, на первые входы которых поступает сигнал с выхода первого сглаживающего фильтра 1. В первом сумматоре 2 вычисляется оценка нижней границы строба

x " (<) = Кь„(Ц М„(1,), а во втором сумматоре 3 — оценка верхней границы строба (М=,„Юь,(ц, Таким образом, на первый вход мажоритарного элемента 4 поступает входной сигнал устройства, а на второй и третий его входы поступают сигналы, содержащие сглаженными входной сигнал, но смещенные отчосительно него по амплитуде в противоположные стороны на величины, определяемые значениями сигналов на выходе дифференцирующего фильтра 17 и первого 9 и второго 10 сглаживающих фильтров. Сигналы, поступающие на второй и третий входы мажоритарного элемента 4, образуют строб, границы которого изменяются пропорционально сглаженным отклонениям входного сигнала от его низкочастотной составляющей. Соответствующим выбором и настройкой фильтров для сглаживания отклонений можно на их выходе получить такие сигналы, что на участках данных с резким изменением тренда входного сигнала, когда выделяемая сглаживающим фильтром входного сигнала низкочастотная составляющая проходит несимметрично относительно его фактических значений, строб с необходимой точностью отслеживает несимметричные отклонения входного сигнала от его сглаженных значений.

Тем самым использование новых элементов — алгебраического сумматора, нелинейных элементов, второго и третьего сглаживающих фильтров, блоков деления и умножения и второго инвертора — позволяет уменьшить погрешности при обработке нестационарHbIK сигналoB.

Технико-экономический эффект изобретения состоит в повышении точности систем, в которых оно использовано.

1136334

1 - В Фвлнал ППП Патент ° г.Уигород, уи.Проектная, А