Устройство для определения энергии сигнала гауссовой формы

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть применено для автоматизации обработки низкочастотных пикообразньгх сигналов. Пелью изобретения является повышение точности устройства. Поставленная цель достигается тем, что II устройство, содержащее аналогоцифровой преобразователь, блок определения экстремума сигнала, генератор импульсов, ключ, дополнительно вводится два дифференциатора, пва формирователя импульсов, компаратор и арифметический блок. Арифметический блок содержит т;и вычитателя, три умножителя, элемент сложения. Учет асимметрии реальных пило бразных сигналов и их дрейфа позволяет повысить точность устройства 1 э.п. ф-лы, 4 ил (Л

СОЮЗ СОВЕ ТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 " 06 К 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ва.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4670746/24 (22) 31.03.89 (46) 30.04.91. Бюл, V- 16 (71) Институт кибернетики с BbpIHcJIHтельным центром Узбекского научнопроизводственного объединения "Кибернетика" AH УэССР (72) М.Ш.Насыров и P.Á.Ðàññêàçîâà (53) 772.99(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1095199, кл. Г 06 С 7/18, 1984.

Авторское свидетельство СССР

Н- 545078, кл. Н 03 К 13/17, 1976. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СИГНАЛА ГАУССОВОР КОРМИ (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и моИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение при разработке устройств для автоматизированной обработки низкочастотных пикообраэньм сигналов, приближающихся функцией нормального распределения Гаусса.

Пель изобретения — повьппение точности устройства.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — блок-схема арифметического блока; на фиг. 3— временная диаграмма, поясняющая сущность процесса нахождения площади; на фиг. 4 - временные диаграммы, г:оясняюшие работу блок-схемы устройстжет быгь применено длн автомат ;з .и1ни обработки низкочастотных пикообразных сигналов. Нелью изобретения является повьппение точности устройства, Поставленнан цель достигается тем, что в устройство, содержащее аналогоцифровой преобразователь, блок определения экстремума сигнала, генopa.тор импульсов, ключ, дополнительно вводится два пифференииатора, дла формирователя импульсов, компаратор и арифметический блок. Арифметический блок содержит т;и вычитателя, три умножителя, элемент сложения.

Учет асимметрии реальных пило бразных сигналов и их дрейфа позволяет повысить точность устройства. 1 э.п. ф-лы, 4 ил„

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 определения экстремума сигнала, генератор 3 импульсов, ключ 4, счетчик

5, первый 6 и второй 7 дид ференциаторы, компаратор 8, первый 9 и второй 10 формирователи импульсов, триггер 11 и арифметический блок,2, причем вход аналого-цифрового преобразователя 1 является входом устройства, который также соединен через последовательно соединенные первый

6 и второй 7 дифференциаторы с входом компаратора 8, выхсд которого подключен к входам первого 9 и второго 10 формирователей импульсов, выход первого 9 иэ них соединен с единичным входом триггера 11 и первым вхо1645977 дом разрешения записи арифметического блока 12, поцключенного входом синхронизации к выходу указателя экстремума 2, соединенного входом с выходом аналого-цифроного преобразователя 1, второй вход разрешения записи арифметического блока 12 подключен к выходу второго формирователя 10 импульсов, соединенного также с нуле- 10 вым входом RS-триггера 11, единичный выход которого подключен к управляющему входу ключа 4, соединенного информационным входом с выходом генератора 3 импульсов, а выходом — с 15 входом счетчика 5 ° выход которого подключен к второму информационному входу арифметического блока 12, соедийенного первым информационным входом с выходом аналого-цифрового преобра- 2р зователя 1, а выход арифметического блока 1? является выкодом устройства.

Арифметический блок 12 содержит первый 13, второй 14 и третий 15 нычитатели, первый 16, второй 17 и тре- 25 тий 18 умножители и элемент 19 сложения, причем информационные входы первого 12 и второго 14 вычитателей соединены с первым входом арифметического блока 12, второй информацион- Зр ный вход которого соединен с информационными входами третьего вычитателя

15 и первого умножителя 16, первый управляющий вход третьего вычитателя

15 и вход управления умножителя 16, а также первый вход управления второго вычитателя 14 и второй вход управления первого вычитателя 13 подключен к входу синхронизации арифметичесКОГО блОки 12 сОединеннОГО первым . 4 входом разрешения записи с первым управляющим входом первого вычитателя

13, а вторым входом разрешения записи с управляющими входами второго 14 и третьего 15 вычитателей. Выкод пер- 45 ного вычитателя 13 подключен ко второму входу второго умножителя 17, соединенного первым входом с выходом третьего вычитателя 15, выход второго нычитателя подключен к второму информационному входу первого умножителя 16, соединенного выходом с первым входом элемента 19 сложения, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя 17, а выход элемента

19 сложения соединен с одним из входов третьего умножителя, на втором входе которого установлено постоянное значение, а выход третьего умножителя

18 является выходом арифметического блока.

Все блоки, входящие в состав арифметического блока 12, выполняют соответствующие вычисления только при условии наличия на их информационных входах обоих операционных членов. На входах каждого блока имеется пара регистров, в которые записывается необходимая информация. Причем разряды обоих регистров втретьем вычитателе 15 соединены с соответствующими разрядами счетчика 5, а разряды обоих регистров первого 13 и второго 14 нычитателей подключены к выходам разрядов выходного регистра аналого-цифрового преоораэователя 1. Запись производится при поступлении управляющих сигналов на входы управления, которые соединены с соотнетствующими входами записи соответствующих регистров. В первом умножителе 16 один из сомножителей записывается аналогичным образом с выхода счетчика 5, а второй поступает непосредственно н регистр на второй вход с выхода второго вычитателя 14. Операционные члены второго 17 и третьего 18 умножителей и элемента 19 сложения записываются но входные регистры непосредственно с выходов соответствующих блоков, т.е. разряды обоих входных регистров умножителей 17-19 и разряды входного регистра первого умножителя

16 непосредственно подключены к соответствующим выходным разрядам соответствующих операционных блоков. Таким образом, информация на входы умножителей 17, 18, 19 и на один из входов умножителя 16 поступает с выходов соответствующих арифметических блоков после .окончания нычислений.

Сущность определения энергии сигнала или площади под:кривой Гаусса в предлагаемом. техническом решении поясняется на фиг. 3. Как известно, для кривой нормального распределения

Гаусса существует однозначная взаимосвязь между ее амплитудой Н и среднеквадратичным отклонением Q (фиг.За).

В частности, на уровне 0,607 Н ширина пика соответствует двум среднеквадратичным отклонениям 26. Следовательно, отрезок высоты пика h (фиг. За) составляет 0,393 Н (Н принимается за 1), таким образом, зная величину этого отрезка можно легко

1645977 иам и

Н Нп +Дат|

Ь(Htt -Ня, ) дЬ= -- — - — — Q + g(?О

Отсюда

G2HtI +() 11A2

h=H и,ч

30 где Н,(„,—

Н

111 определить полную высоту пика Н ио соотношению:

Н=

О, 393 5

П1ирина пика, равная 2Q соответствует точкам перегиба кривой Ь(Ь ( (фиг. Эа). Значит, зная точки перегиба и максимум функции можно най° " 10 ти величину отрезка выссты h а затем всю высоту.

При наличии дрейфа Гаэисной линии задача несколько усложняется (фиг.3б), Отрезок находится следующим образом:

В результате получают выражение для определения площади, 1)ля учета асимметрии 6 заменяют на (() +(7 )/2

2 н=н(Г, (н„-н„,)+((н„,„-н„,)7, (2((К= — — — )

О, 786 уровень, соответствующий максимальной точке пика; уровень, соответств ющий точке перегиба на восходящей ветви пика ; уровень, соответствующий точке перегиба на нисходяшей

Ветви пика среднеквадратичное отклонение левой половины пика (расстояние от точки перегиба и 1 до высоты пика); среднеквадратичное отклонение правой половины пика (расстояние от высоты пика до точки перегиба n ).

50 ,)тля определения действительной высоты пика Н нет необходимости опреде-, лять начальную и конечную точки лика.

В предлагаемом техническом решении для нахождения точек перегиба исполь55 эуются двойное дифференцирован1)е сигнала. Как известно, в точках перегиба вторая производная обращается в ноль.

Устройство для О(;)- ".ле1:.ия эн(рг)ьи (1(г)(авиа гауссовой формы. (фиг. 1 t Г-б;а. т следующим сбга;см, В исхОДИОм (ОстОВHH)t ь,;юч 4 заперт, тр t"råð 11 находится в пул.-- Ом состоянии. Генерэт Ор импульсов 3 эа. ускается вручную или автоматпчес .Н при r:oñòóïëåíH)t сигнала на вход устройства„ Аналого-цифровой -иреобр-."зо".— тель 1 преобразует исступи спи)". спгна. в цифровую фирму, Рдновремен).О аналоговый сигна:1 (фиг. 43) tlcдверrае ".". двсйнОМ дид.ференциров31 -ю в первом

6 и втором 7 дк(1))ере1(I(Hat op: >. (фиг. 4б,в;, Компаратор 8 сраба-. вает ь1(Отрицат.льную волну сп- (э .(.1 (фиг. 4г), пос упившегo с вмхог. ; т.;— рого 7 дифференциатора. пр)1 (1)и).< а1.)1;(I

t! рвой точки перегиба и, (Фиг. ((1)

B t ОРс1Я TIPOHÝ POÇÄIIP Я ОбйаЩаЕтСЯ В 11У JIEi (точка и н фиг. 4в), срабатывает

1 комиаратор 8, формирователь 9 импульсов на отрицательный перепад,- .ряжения с выхоДа компаРатоРа 8 (1.".Онп1рует импульс (фиг. 4д). Эти:-; импу.tt-,сом триггер 11 переключив-::. а =циничное состояние, отпирается ключ 4, счетчик 5 начинает заполняться импульс:ми с выхода генератсра импульс в 3. Одновременно c!t-»m с выхсда перво "o формиро )ателя 9 It.. ст -па т и.гервьп вход у1(рагленин арифмет1(ческе-.о блока 12 „Информация r вь(х. )а аналого-цифрового преобраэоват ля 1 поступает Н3 первьп информаиHoHHbtH вход арифметического блока 12 и одноврсMPнно на вход Глока определения экстремума сигнала. Си;íàë О зафиксированном зкстреьг."ме с выхода последнего постугает IB ETopOII 3 правг(яюший вход арифметического блока 12, на третий вход управления которого поступает сигнал с выхопа второго формирователя 10 импульсов (фиг. 4() в момент ())иксации второй точки перегиба и„ (фиг. 4а). Вторая производная ири том вновь обращается в нуль

1l на (ь11г„40) на rолож11тель)1ый пе2. реиад напряжения с выхода компаратора 8 формирователь 10 формирует импульс, которым триггер 11 переводится в нугевое состояние, ключ 4 размыкается счетчик ) прекращает заполBRTbcR Код с выхода c cT IIKB 5 поступает на второй 1ифсрмационпый вход арифметического блс<а 12. Рас1645977 смотрим подробнее работу арифметического блока 12.

1

Лрид>метический блок 12 (фиг. 2) вычисляет площадь пика. При поступлении сигнала с момента фиксации первой точки перегиба на первый вход разрешения записи вычислительного блока 12 содержимое выходного регист- 10 ра аналого-цифрового преобразователя

1 переписывается во входной регистр (вход вычитаемого) первого вычитателя 13. Поступившая кодовая комбинация соответствует уровню Н и, (на

15 фиг. Зб) первой точки перегиба. Следующий управляющий сигнал поступает на вход синхронизации блока 12 в момент обнаружения максимума пика. По этому сигналу содержимое счетчика 5, 2б соответствующее среднеквадратичному отклонению левой половины пика (G< на фиг. Зб) переписывается во вход-,, ной регистр (вход вычитаемого) третьего 15 вычитателя и в один из вход- 25 ных регистров первого умножителя 16.

Одновременно с этим сигналом содержимое выходного регистра аналого-цифрового преобразователя 1,соответствующее уровню максимума сигнала Ни Зп (на err. Зб) переписывается во входной регистр первого 13 и второго 14 вычитателей (входы уменьшаются). В первом 13 вычитателе в обоих входных регистрах которого записана информация, осуществляется операция вычитания. Полученный результат поступает на второй вход второго умножителя 17, На второй вход разрешения записи арифметического блока 12 поступает сигнал 40 формирующийся в момент фиксации второй точки перегиба ° По этому сигналу во второй входной регистр третьего вычитателя 15 записывается содержимое счетчика 5, соответствующее интер-45 валу между точками перегиба G<+ G g (нафиг. Зб). Одновременно во второй входной регистр второго вычитателя 14 (вход уменьшаемого) записывается содержимое выходного регистра аналогоцифрового преобразователя 1, соответствующее уровню второй. точки перегиба

Hп (на фиг. Зб). Во втором вычитателе 14 производится операция вычитания

Н Н <, а в третьем вычитателе 13 определяется значение среднеквадратич- ного отклонения правой половины пика (Gg на фнг. Зб) путем вычитания значения среднеквадратичного отклонения левой половины пика из интервала между точками перегиба (G -б ).

Результат вычитания с выхода второго вычитателя 14 поступает на второй вход первого умножителя 16, где умножается на 5<, т.е. (Н 1 Нп )(>,.

Полученное значение поступает йа первый вход элемента сложения 19. Во втором умножителе 17 производится операция умножения 62 (Н 1„у Нп ), а результат поступает на второй вход элемента сложения 19, где складывается с (,(Н„ -Н п2 еэультат сложения умножается в третьем умножителе 19 на постоянный коэффициент. На выходе третьего умножителя получают значение площади пика. Возврат схемы в исходное состояние, т.е. обнуление счетчика 5, может быть произведен задержанным сигналом с выхода второго формирователя

10 импульса (цепь на схеме не показана).

Изобретение позволяет повысить точность определения энергии сигнала гауссовой формы не только 3а счет уче" та асимметрии реальных пикообразных сигналов и дрейфа базисной линии, но и за счет исключения операции нахождения начальной и конечной точек пика, что является наиболее трудоемким при проектировании и создании устройств подобного типа. Достоинство устройства в простоте алгоритма вычисления площади, в простой технической реализации. Повышение точности с одновременным упрощением операции определения площадей пиков, приближающихся кривой нормального распределения Гаусса, повышает эффективность спектрального анализа, результатом которого являются сигналы подобного типа.

Формула изобретения

1. Устройство для определения энергии сигнала гауссовой формы, содержащее аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен с входом блока определения экстремума сигнала, генератор импульсов, выход которого подключен к информационному входу ключа, соединенного управляющим входом с единичным выходом триггера, а выход ключа соединен с входом счетчика, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения

1645977 точности устройства, в него введены два дифференциатора, два формирователя импульсов, компаратор и арифметический блок, причем вход первого дифференциатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход через второй дифференциатор— с входом компаратора, подключенного выходом к входам формирователей импульсов, выход первого из которых соединен с первым входом разрешения записи арифметического блока и с единичныи входом установки триггера, нулевой вход установки которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, соединенного также с вторым входом разрешения записи арифметического блока, вход синхронизации подключен к выходу блока определения экстремума сигнала, а первый и второй информационные входы соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя и с выходом счетчика соответственно, установочный вход и выход арифметического блока являются установочным входои и выходом устройства.

2, Устройство по п. 1 ° о т л ич а ю щ е е с я тем, что арифметический блок содержит три вычитателя, три умножителя и элемент сложения, причем первый управляющий вход первого rычитателя является пегвь м гхс;",о1. разрешения записи арифметического блока, первые управляют."- вт< ды вторс5 го и третьего вь читателе ; управляю щий вход первого умножителя и второй управлякиций вход первого вычитателя объединены и являются входом синхронизации арифиетического блока, инфор1ð мационные входы первого и второго вычитателей объединены н являются первым информационным входом арифметического блока, вторым информационным входом которого является информационный вход третьего вычитателя и первый информационньй вход первого умножителя, вторые управляющие входы второго и третьего вычи-;ателей объединены и являются вторым входом разрешения запи2р си арифметического блока, второй ин*ормационный вход первого умножителя соединен с выходом второго вычитателя а выход — с первым входои э.-.емента

Э сложения, второй вход которого под25 к чен к вьмоду второго уо*теляф соединенного первым и вторым входаии с выходами первого и третьего вычитателей соответственно, выход элемента сложения подключен к первому входу

3р третьего умножителя, второй вход которого является установочным входом арифметического блока, а выход — выходом арифметического бчока.

t645977

Ннф. (um Р

Вне.Ь.3 (om Й2) 1645977

ФЙ

dt

Аи &6

d lh

Яю .Дл 7 г дых &В алых &У

Г

8bV. & 10

Составитель А.Краснов

Редактор Л,Пчолинская Техред Л.Олийнык Корректор Л.Патай ( Заказ 1351 Тираз 393 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитетА по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101