Устройство для дискретного преобразования фурье

 

Изобретение относится к технике дискретного преобразования Фурье и может быть использовано для предварительной обраб отки информации в измерительных системах различного назначения . Цель изобретения - повьшение точности. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входит информационный вход 1, вход запуска 2, блок вычитания 3,блок управления 4 с входами и выходами 5-1 2, блок детектирования 13 с входами и выходами 14-19, умножители 20,21, генератор гармонических функций 22 с выходами 23,24, накапливающие сумматоры 25, 26, элемент задержки 27, триггер 28, элемент И 29, регистр кода 30, цифроаналоговый преобразователь 31, делитель 32,аналогоцифровые преобразователи 33,34, выходы синусной и косинусной составляющих 35,36, выход синхронизации выдачи 37, выход окончания вычислений 38. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. 36 САЭ О СД 05

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄS0ÄÄ 1361576 А1 (59 4 G 06 F 15/332

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТ0РСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 4131331/24-24 (22) 25.07.86 (46) 23.12.87. Бюл. И - 47 (72) С.Г,Алексеев, М.Б.Беляев, М.M.Ãåëüìàí, Ю.В.Демин и А.Н,Пономарев (53) 681.32(088.8) (56) Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов.-М.:Мир, 1978.

Авторское свидетельство СССР

11 1188751, кл. G 06 F 15/332, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ (57) Изобретение .относится к технике дискретного преобразования Фурье и может быть использовано для предварительной обработки информации в измерительных системах различного назначения. Цель изобретения — повышение точности. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входит информационный вход 1, . вход запуска 2, блок вычитания 3 блок управления 4 с входами и выходами 5-12 блок детектирования 13 с входами и выходами 14-19, умножители 20,21, генератор гармонических функций 22 с выходами 23,24, накапливающие сумматоры 25, 26, элемент задержки 27, триггер 28, элемент И 29, регистр кода 30, цифроаналоговый преобразователь 31, делитель 32,аналогоцифровые преобразователи 33,34, выходы синусной и косинусной составляющих 35,36, выход синхронизации выдачи 37, выход окончания вычислений 38, 2 3 п.ф-лы, 3 ил.

1 13615

Изобретение относится к технике дискретного преобразования Фурье и может быть использовано для предварительной обработки информации в изме5 рительных системах различного назначения, Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет уменьшения динамического диапазона изменения входного сигнала АЦП и блока умножения, путем центрирования и детектирования этого сигнала, а также за счет одновременного устранения влияния дрейфа нулевого уровня всего устройства на конечный результат путем учета постоянной составляющей сигнала на его выходе.

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 — блок управления; 20 на фиг.3 — блок детектирования.

Устройство содержит информационный вход 1, вход 2 запуска, блок 3 вычитания, блок 4 управления с входа-, ми и выходами 5-12, блок 13 детекти . 25 рования с входами и выходами 14-19, умножители 20 и 21, генератор 22 гармонических функций с выходами 23 и 24, накапливающие сумматоры 25 и 26, элемент 27 задержки, триггер 28, эле- 30 мент И 29, регистр 30 кода, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 31, делитель 32, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 33 и 34, выходы 35 и 36 синусной и косинусной составляю- З

О

:щих, выход 37 . синхронизации выдачи и выход 38 окончания вычислений.i

Блок 4 управления (фиг,2 ) содер- . жит элемент И 39, одновибратор 40, элемент И 41, триггер 42, генера- 40 тор 43 тактовых импульсов, элемент

ИЛИ 44, счетчик 45 номеров значений весовых функций, счетчик 46 номеров весовых функций, элемент 47 задержки, формирователь 48 импульсов и эле- 45 мент ИЛИ 49.

Блок 13 детектирования (фиг.3) содержит (аналоговый) переключатель 50 (прямой и инверсный), операционные усилители 51 и 52, узлы 53 и 54срав- .50 нения, состоящие из элемента 55,. элемента ИЛИ 56, элементов НЕ 57 и 58 и. элемента И 59,и компаратор 60 (полярности входного сигнала), Устройство работает следующим образом.

В исходном (статическом) состоя— нии, которое устройство принимает после подачи питания, триггер 28 блоки76 2 рует элемент И 29, а триггер 42 бло кирует элементы И 39 и 41. Цепи сброса упомянутых триггеров на схемах не обозначены.

Устройство начинает работать с п . ступлением сигнала запуска на вход 2.

По этому сигналу переключается триггер 28, деблокируя соответствующий вход элемента И 29. Одновременно этоi сигнал запуска в блоке 4 управления подтверждает исходное состояние триггера 42 и сбрасывает в нулевое состоя ние счетчики 45 и 46. После этого с задержкой в элементе 47 переключается триггер 42, чем деблокируются элементы И 39 и 41.

Выходные коды счетчиков 45 и 46 блока 4 управления (выходы 6 и 7 блока) представляют собой адреса, по которым в генераторе 22 гармонических функций выбираются соответствующие значения дискрет весовых функций.При этом счетчик 46 формирует адрес,номер) гармоники, а счетчик 45 — адреса (номера) дискретных значений синуспой и косинусной составляющих этой гармоники, Кодированные значения гармонических составляющих передаются в умно1 жители 20 (синусная составляющая) и 21 (косинусная составляющая).

При сбросе счетчиков 45 и 46 блока 4 в нулевое состояние с выхода 24 генератора 22 на умножитель 21 подается код нулевой дискреты косинусной составляющей нулевой гармоники (постоянной составляющей), а на вход умножителя 20 с выхода 23 генератора 22 подается нулевой код, На другие входы умножителей при этом поступает с выхода 15 блока 13 нецектрированный процесс, детектируемый в блоке 13 следующим образом. В зависимости от полярности сигнала на входе 14 блока 13 по сигналу компаратора 60 через переключатель 50 подается на выход 15 блока сигнал с операционного усилителя 51 когда сигнал положительный, или с усилителя 52, когда сигнал на входе 14 блока отрицательный.

Усилитель 51 является неинвертирующим, а усилитель 52 — инвертирующим.

Поэтому на выходе 15 сигнал является всегда однополярным. Благодаря инвертированию отрицательной части сигнала сжимается динамический диапазон. уровней этого сигнала с (-Пиакс.,+U pxc) до (О; +13маы) °

3 136157

Для учета знаков при перемножении мгновенных значений входного процесса и соответствующих дискретных значений весовых функций в блоке 13 ис5 пользованы узлы 53 и 54 сравнения со— впадения знаков.На бдин из входов этих узлов поступает с компаратора 60 сигнал полярности процесса, а на другой из входов — знак весовой функции»0 и з г енер а тор а 22 г армонич е ских функций. При этом в узел 54 сравнения поступает знак синусной составляющей, а в узел 53 сравнения — косинусной.

На выходе каждого узла сравнения сиг- )5 нал равен ") ", если знаки процесса и весовой функции совпадают, и нулю в противном случае, что обеспечивается логической схемой на элементах 55-59 °

Определенные таким образом знаки 20 произведений мгновенных значений процесса и дискрет весовых функций, получаемых в умножителях 20 и 21 учитывают при суммировании этих произведений в накапливающих сумматорах 25 25 и 26 соответственно.

Так как исходный нецентрированны»» процесс характеризуется широким динамическим диапазоном изменения сигналов, то на вход АЦП 34, определяю- 30 щего нулевую гармонику, подают масштабно преобразованный сигнал. Масштабное преобразование осуществляют умножением в умножителе 21 мгновенных значений сигнала нецентрирован ного процесса не на единичное дискретное значение нулевой гармоники, а на значение,,меньшее единицы, записанное в генераторе 22 в соответствуг ющих ячейках. Это значение (коэффи- 40 циент масштабного преобразования) выбирают таким, чтобы максимальное значение нецентрированного процесса не вышло за допускаемый диапазон входных сигналов АЦП. 45

С передачей первого тактового сигнала генератора 43 тактовых импульсов через деблокированный элемент

И 41 запускаются оба АЦП 33 и 34..

Запуск АЦП благодаря элементу 47 задержки в блоке. 4 задерживается относительно момента сброса счетчиков 45 и 46, на время, достаточное для выбора кодов весовых функций и установления сигналов на выходах умножите-,; лей 20 и 21.

Коды с выхода АЦП 34 по сигнал;. » конца преобразования суммируются в сумматоре 26. Частоту запуска АЦП и, тем самым, дискретизации процесса задают частотой генератора 43 в блоке 4 управления, Каждый сигнал конца преобразования АЦП 34 с временной задержкой в элементе 27, необходимой для суммирования кодов в сумматоре 26, передается через вход 10 блока 4 управления и деблокированнь»й элемент

И 39 этого блока на вход- счетчика 45.

При этом на кодовом выходе счетчика устанавливается код адреса очередного дискретного значения весовой функции. При определении нулевой гармоники дискретные значения косинусной составляющей весовой функции, как было отмечено, остаются постоянными.и равными выбранному масштабному коэффициенту, а коды синусной составляющей соответствуют нулю.

По мере формирования тактовых сигналов и запусков АЦП происходит накопление содержимого счетчика 45,емкость которого равна числу дискрет весовых функций.

С завершением цикла преобразования произведения текущего мгновенного значения процесса на последнее дискретное значение весовой функции гармоники, в данном случае нулевой, счетчик 45 переполняется и сигнал на его выходе,. подключенном к выходу 11 блока, становится единичным, Этот сигнал деблокирует по соответствующему входу элемент И 29.

С завершением указанного цикла преобразования задержанный в элементе 27 сигнал конца этого цикла преобразования через деблокированный. элемент И 29 поступает на вход переписи регистра 30 и одновременно переключает триггер 28, нулевым выходным сигналом которого блокируется элемент И 29 на все последующее время, в течение которого определяются все остальные гармонические составляющие.

Сумма кодов, соответствующих нулевой гармонике, с учетом смещения нулевого уровня устройства переписывается из сумматора 26 в регистр 30. Этот код в ЦАП 31 преобразуется в эквивалентное выражение, С выхода делителя 32 снимается напряжение, соответствующее постоянной составляющей и нормированное с учетом объема выборки. Масштабное преобразование входных сигналов АЦП 34 можно также учесть с помощью делителя 32 или (и) выбором коэффициента преобразования ЦАП 31.

5 13615

Выходное напряжение делителя 32 вычитается в блоке 3 вычитания из исходного процесса, который тем самым центрируется.

Одновременно с переписью кода нулевой составляющей в регистр 30 сигналом элемента 27 счетчик 45 переполняется. С изменением сигнала на выходе этого счетчика суммируется единица в счетчике 46 с его содержимым; . а также запускается одновибратор 40.

Формируемый этим одновибратором сигнал определенной длительности (допускаемой для считывания кодов из сум- 15 матора) передается через выход 37 во внешнее устройство регистрации в качестве сигнала считывания содержимого накапливающих сумматоров 25 и 26. С завершением сигнала одновибратора 40 20 из заднего фронта этого сигнала формирователем 48 вырабатывается импульс, который через выход 8 блока управления передается в цепь сброса сумматора. 25

С поступлением каждого выходного сигнала переполнения счетчика 45 в счетчик 46 на кодовом вЪ|ходе последнего формируются коды соответствующих номеров (адресов ) гармоник, а счет- З0 чик 45 переключается в исходное нулевое состояние. По кодам счетчиков 45 и 46 выбираются значения весовых функций и описанным выше образом определяются составляющие всех гармоник. Синусные составляющие считывают с выхода 35 накапливающего сумматора 25, а косинусные составляющие — с выхода36 накапливающего сумматора 26. С переполнением счетчика 46 его выходным сигналом в исходное состояние переключается триггер 42 и тем самым блокируются элементы К 39 и. 41. При этом блокируется передача тактовых сигна,лов и устройство прекращает свою работу. Единичный сигнал триггера 42, переданный через выход 12 блока управления на выход 38 устройства является признаком окончания определения всех гармонических составляющих про- 50 цесса.

Формула изобретения

1 . Устройство для дискретного преобразования Фурье, содержащее блок управления, генератор гармонических функций, первый и второй накапливающий сумматоры, первый и второй анало76 е

ro-цифровые преобразователи, первый и второй умножители, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы конца преобразований и информационные выходы которых подключены соответственно к тактовым входам и информационным входам соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых являются выводами соответственно еинусной и косинусной составляющих устройства, входом запуска которого является вход запуска блока управления, первый и второй выходы которого подключены к входам синхронизации выдачи соответственно синуса и косинуса генератора гармонических функций, выходы синуса и косинуса которого подключены к первым входам соответственно первого и второго умножителей, входы обнуления первого и второго накапливающих сум.-. маторов подключены к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого подключен к тактовым входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, пятый выход которого является выходом синхронизации выдачи устройства, выходом окончания вычислений которого является шестой выход блока управления, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены триггер, элемент И, элемент задержки, делитель, цифроаналоговый преобразователь, регистр кода, блок детектирования и блок вычитания, выход которого подключен к первому входу блока детектирования, информационный выход которого подключен к вторым входам первого и второго умножителей, выходы знаков синуса и косинуса генератора гармонических функций подключены соответственно к второму и третьему входам блока детектирования, первый и второй выходы признаков детектирования которого подключены к входам знака соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, седьмой выход блока управления подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен к тактовому входу регистра кода и первому установочному входу триггера, выход которого подключен к второму входу элемента И, третий вход которого соединен с входом задания режима блока управления

1 3f>15 и подключен к выходу элемент» задержки, вход которого подключен к выходу окончания преобразования второго цифроаналогового преобразователя, выход

5 второго накапливающего сумматора подключен к информационному входу регистра кода, выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к вхо- 1ð ду делителя, выкбд которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого является информационным входом устройства, вход запуска которого подключен к второму 15 тактовому входу триггера.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок детектирования содержит первый и второй узлы сравнения, переключатель, компаратор, первый и второй операционные усилители, выходы которых подключены соответственно к первому и второму информационным входам переключателя, 25 управляющий вход которого соединен с первыми входами первого и второго узлбв сравнения, и подключены к выходу .компаратора, вход которого соединен с входами первого и второго операционных усилителей и является первым входом блока, вторым и третьим входами которого являются вторые входы соответственно первого и второго узлов сравнения, а выходы переключателя пер35 вого и второго узлов сравнения являются соответственно информационным выходом и первым и вторым выходами признаков детектирования блока.

76 8

3. Устройстви по п,1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит триггер, два элемента И, два элемента ИЛИ, два счетчика, элемент задержки, одновибратор, формирователь импульсов и rенератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого эле— мента И, второй вход которого соединен с первым входом второго элемента И и подключен к прямому выходу триггера, первый и второй установочные входы которого подключены соответственно к выходу элемента задержки и выходу первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с входом элемента задержки, входами обнуленияпервого и второго счетчиков и первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен со счетным входом первого счетчика и подключен к выходу переноса второго счетчика, счетный вход которого подключен к выходу второго элемента И, выходами блока управления с первого по седьмой являются соотв етств енно информационные выходы второго и первого счетчиков, второго элемента ИЛИ, выход первого элемента И, выход одновибратора, инверсный триггер и счетный выход второго счетчика, а входом запуска и входом задания режима блока управления являются соо тв е тств енно вход элемента задержки и второй вход второго элемента И.

136 576

Составитель А. Баранов

Техред А.Кравчук Корректор А.Зимокосов

Редактор В.Бугренкова

Заказ 6292/49 Тираж 67) Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород, ул.Проектная,4