Устройство для определения периодического электрического сигнала

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности может найти применение в цифровых вольтметрах, используемых при электроразведке рудных месторождений , залб ающих на глубинах до 1,5-2 км. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости . С этой целью в устройство для измерения периодического электрического сигнала, содержащее блок синхронизации , блок кодирования, первый регистр и блок вычитания, дополнительно введены блок памяти весовых коэффициентов, второй регистр, блок определения минимального сигнала, первый и второй блоки деления, регистр сдвига, блок умножения, первый и второй накапливающие сумматоры. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4747115/24 (22) 19.09.89 (46) 15.12.92. Бюл, N. 46 (71) Институт геофизики Уральского отделения АН СССР (72) А,И. Человечков, Н.С. Иванов и Ю.В . Измайлов (56) Авторское свидетельствэ СССР

N. 1332249, кл. 6 01 V 3/08, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N 646292,,кл,,6 01 V 3/02, 1972. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

СИГНАЛА

Изобретение относится к измерительной технике низких и инфранизких частот и может найти применение в цифровых вольтметрах, используемых при поисках рудных месторождений, залегающих на глубине до

1,5 — 2 км.

Известны измерительные устройства; в которых входной периодиче:кий электрический сигнал преобразуется в пропорциональные отклонения частоты, с дальнейшим преобразованием этих отклонений частоты

s п-разрядный цифровой код (выборку сигнала) за каждый период сигнала и накопле.нием информации за целое число периодов входного сигнала.

Известные устройства помехоустойчивы при флуктуационной помехе, имеющей нормальное Гауссово распределение, Однако эти устройства имеют низкую помехоустойчивость по отношению к импульсным помехам с неизвестным законом распределения, в том числе гауссовским с большой. Ж «1 781653 А1 (я)ю G 01 V 3/02, G 06 F 15/46 (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности может найти применение в цифровых вольтметрах, используемых при электроразведке рудных месторождений, залегающих на глубинах до

1,5 — 2 км. Цель изобретения — повышение помехоустойчивости. С этой целью в устройство для измерения периодического электрического сигнала, содержащее блок синхронизации, блок кодирования, первый регистр и блок вычитания, дополнительно введены блок памяти весовых коэффициентов, второй регистр, блок определения минимального сигнала, первый и второй блоки деления, регистр сдвига, блок умножения, первый и второй накапливающие сумматоры. 4 ил. дисперсией и (или) ненулевым математическим ожиданием;

Известно также устройство для геоэлектроразведки, взято" в качестве устройствапрототипа. В устройстве-прототипе накопление выборок сигнала осуществляется в интервалы времени отсутствия импульсных помех. Основным существенным недостатком устройства-прототипа является низкая. помехоустойчивость из-за значительного влияния редких нестационарных помех, следующих со средним интервалом времени меньшим или равным интервалу времени накопления выборок периодического сигнала, Целью изобретения является повышение помехоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения периодического электрического сигнала, содержащем блок кодирования, первый и второй резисторы, блок вычитания, блок синхрониза1781653

10

20

30

40

50

55 ции, первый выход которого подключен к установочному входу блока кодирования, сигнальный вход которого является входом устройства подачи измеряемого сигнала. а выход подключен ко входу записи первого регистра, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу второго реги. стра, а управляющий вход — ко второму выходу блока синхронизации, дополнительно введены блок памяти весовых коэффициентов, блок определения минимального значения Сйгнала; первый и второй блок деления, сумматор, первый и второй накапливающие сумматоры, блок умножения, регистр сдвига, выход которого является выходом устройства, информационный вход подключен к выходу второго блока деления. установочный вход — x третьему выходу блока синхронизации, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров, к тактовому входу второго блока деления, первый и второй информационным входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго накаплива ющих сумматоров, информационные входы которых подключены соответственно к первому информационному входу блока умножения, к выходу блока памяти весовых коэффициентов и к выходу блока умножения, а вторые тактовые входы — соответственно к четвертому выходу блока синхронизации, тактовым входам блока умножения и первого блока деления и к пятому выходу блока синхронизациишестой выход которого подключен к установочному входу первого регистра, выход которого подключен соответственно к первому входу блока определения минимального" значения сигнала, к первому входу сумматора, тактовый вход которого подключен ко второму выходу блока синхронизации, к установочному входу второго регистра, выход — ко второму входу блока умножения, второй информационный вход — к выходу второго регистра и ко второму входу блока определения минимального значения сигнала, выход которого подключен к первому информационному входу блока деления, второй информационный вход которого подключен к выходу бло ка вычитания, а выход — ко входу блока памяти весовых коэффициентов, выход блока кодирования подключен ко входу записи второго регистра.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства:. На фиг. 2 даны диаграммы (эпюры}, поясняющие принцип работы устройства. На фиг. 3, 4 проводятся результаты математического моделирования работы известного и предлагаемого устройства.

Устройство содержит (фиг, 1) блок кодирования 1. первый регистр 2, блок вычитания 3, первый блок деления 4, блок памяти весовых коэффициентсв (БП) 5. второй регистр 6, блок определения минимального сигнала 7, блок умножения 8, первый накапливающий сумматор 9, сумматор 10, второй накапливающий сумматор 11, второй блок деления 12, регистр сдвига 13, блок синхронизации (БС) 14, состоящий из задающего генератора 15, счетчика времени 16, инверторэ 17, элемента И 18, распределителя импульсов 19, первого и второго элементов задержки 20 и 21, первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого выходов

22-1 — 22-6. На фиг. 2 изображены следующие эпюры: 23 — диаграмма сигнала на выходе счетчика времени 16, 24 — диаграмма сигнала на выходе задающего генератора

15, 25- выходной код блока кодирования 1, 26 — выходной код первого регистра 2, 27— выходной код второго регистра 6, 28, 29— диаграммы выходного сигнала на первом и втором выходах распределителя импульсов

19, 30 — диаграмма выходного сигнала элемента И 18, 31 — диаграмма выходного сигнала первого элемента задержки 20, 32— диаграмма выходного. сигнала второго элемента задержки 21, Блок кодирования 1 установлен на входе предлагаемого устройства и подключен выходом ко входам записи первого и второго регистров 2 и 6, подсоединенных выходами к информационным входам блока вычитания 3 и сумматора 10 ко входам блока определения минимального сигнала 7; Первый блок деления 4 установлен между входом БП 5 и выходами блока вычитания 3 и блока определения минимального сигнала

7. Блок умножения 8 подсоединен информационными входами к выходам сумматора 10 и БП 5. Выход БП 5 соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора 9, Информационные входы второго блока деления 12 подсоединены непосредственно к . выходу первого накапливающего сумматора 9 и через второй накапливающий сумматор 11 к выходу блока умйожения 8, Выход второго блока деления 12 подключен к информационному входу регистра сдвига 13. БС 14 подсоединен первым выходом 22-1 к установочному входу блока кодирования 1, вторым выходом 22-2 ко входам управления блока вычитания 3 и сумматора 10 и к установочному входу второго регистра 6, третьим выходом

22-3 и установочному входу регистра сдвига

13, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров 9 л 11

1781653 и к тактовому входу второго блока деления и — 1

12, четвертым выходом 22-4 к тактовым вхо- ражением: U =, k2t+t (02н- + Uzi+2), Укадам первого блока деления 4 и блока умно- 5 =о жения 8 и ко второму тактовому входу заннУюсУммУ0 ноРмиРУюти РегистРиРУют первого накапливающего сумматора 9, пя- т — 1 тым выходом 22-5 ко второму тактовому вхо- полУченный РезУльтат: 0 = g н.1(0Рн. + . ду второго накапливающего сумматора 11 и шестым выходом 22-6 к установочному вхо- 10 ду первого регистра 2. В gg 14 элемент И 18 02 2)/2 X к2л+1. В блоке 1 кодиРованиЯ

i=0 входами подключен непосредственно и через последовательную цепь, состоящую из периодический сигнал Ux(t) преобразуется в пропорциональные отклонения частоты с счетчика времени 16 и инвертора 17 к выходу задающего генератора 15. Выход задаю- 15 дальнейшим преобразованием этих отклонений эа каждый период Т входного сигнала щего генератора 15 подсоединен к в и-разрядный цифровой код (кодовое слотактовому входу непосредственно и через во). Кодовые слова Nzi+t изображены для счетчик времени 16 к установочному входу наглядности на эпюре 25 иг. 2 в виде распределителя импульсов 19, Первый элер 25(ф . 2) де прямоугольных импульсов. Синхронизация мент задержки 20 установлен между вто- 20 ( (запуск) работы блока 1 осуществляется прярым выходом распределителя 19 импульсов моугольными импульсами (эпюра 24, фиг. 4), и входом второго 21 элемента задержки. поступающим с первого 22-1 выхода 22-1 БС

Выходы задающего генератора 15, первого и второго распределителя импульсов 19, 14. Коэффициент преобразования блока 1 первого и второго элементов задержки 20 и 25

21 и элемента И 18 подсоединены соответные значения Кгн, было равно выборке напряжения 02+1, где = О, 1, 2..., и. При ственно к первому, шестому, второму, четвертому, пятому и третьему выходам БС 14, отсутствии помех кодовые слова за любой период входного сигнала, без учета погрешУстройство работает íà OGHQBB алгоритма поларного весового накопления выборок 30 ности пРеобРазованиЯ. должны быть Равны между собой, периодического электрического сигнала, в Первое кодовое слово И1 блока кодирокотором при измерении периодического вания 1 поступает на вход первого регистра входного сигнала Ux(t) осуществляют выборки сигнала 0>, Uz„„04П. каждая из кото2. Запись N в регистре 2 осуществляется передним фронтом импульса, поступающерых представляет, например, интеграл от 35 ro с шестого выхода 22-6 БС 14 (эпюра 29, модуля за каждый период входного сигнала, где и число накапливаемых выборок сиг нала, при отсутствии помех выборки 01, 02,... Un за любой период входного равны том импульса, поступающего со второго между собой. При наличии нестационарных 40 (импульсных) помех выборки становятся не 27 равными дру(дру у. авными дру(другу.

Для каждой пары выборок, состоящей ния 3, блока определения минимального из 02н-1(ДлЯ нечетных номеРов выбоРок) 1, и „ьса „ост™п

3, 5„„п.— 1) и 02+2 (для четных номеров 45 У, У ающ осовтоРоговыхода выборок 2, 4, 6„„n) определяют абсолютную

22-2 БС 14 (эпюра 28, фиг. 2), в блоке вычитания 3 определяется абсолютная разность разность 2м = z;+< — 0гн2 1, меньшую ANi$Nt-¹), à в сумматоре 10 сумма(й из выборок по абсолютной величине min

)02+1 (; g 022() сумму Ug+> + Uz +, a также

2 +2 сУм " 2"1 2"2 также сигнала 7 находится меньшее из кодовых отношение Р2;+1 = . слов по абсолютной величине min(j й1);

AU2i+1

2 + 0 2 +Э» Й2 f ), Содержимое A N > = М1 — Ng f блока где = О, 1, 2, (— — 1), По значениям P2;+1 . вычитания 3 и min(1Ni t: М2 () блока 7 поступают на информационные входы пердлЯ каждой паРы опРеделЯют весовой коэф- вого блока деления 4. Передним фронтом импульса, поступающего с четвертого выхо1 осуществляют накопление да 22-4 БС 14 (эпюра 28, фиг, 2), осуществ11,1 pp +g+ 1 ляется деление абсолютной разности A N> суммпарвыборок(0г+1+0г+г)умноженных на минимальный из двух Nt и Йг, те. на на весовой коэффициент 12;+1, результат на- выходе первого 4 блока деления будет сникопления 0 определяется следующим вы- маться кодовое слово:

1781653

h N l

mIn (%: миД

В БП 5 записаны значения функций ехр(-11,1р ), или для раз1

11,1р + 1 личных р. Следовательно, значение р является адресом записанного значения функции весовых коэффициентов в БП 5, Пусть для определенности, в БП 5 записаны значения функции ехр(-11,1р ). Выходной

2 код Р с выхода первого 4 блока деления поступает на вход БП 5 снимается значение весового коэффициента k< =- exp(— 11,1р1 ). Вы2 ходной код k1 поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 9 и на один из входов блока умножения 8, на второй вход которого подается кодовое слово с выхода сумматора 10, Задним фронтом пря моугольного импульса, поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 31, фиг, 2), разрешается умножение (N > + Nz) íà К1 в блоке умножения 8 и запись кода k> a первый накапливающий сумматор 9. Выходной код k1(N> +

Nz) блока умножения 8 поступает на информационный вход второго накапливающего сумматора 11, Передним фронтом импульса, поступающего с пятого выхода 22-5 БС 14(эпюра 32, фиг. 2), код kt(N> — Nz) записывается во второй накапливающий сумматор 11, Далее с блока кодирования 1 в первый и во второй регистры 2 и 6 поступают соответственно кодовые слова йз и й4 (эпюра 26 и 27, фиг. 2). Вновь определяется абсолютная разность Л йз =- . Йз — N4| в блоке вычитания 8, меньшее из Кз и Nn по абсолютному значению в блоке 7 и сумма (Мз + N4) в сумматоре 10. В первом блоке деления 4

ЛЛ4 . находят величину рз =- = †. -т ...С выхода БП 5 снимается значение весового коэффициента kg =- ехр(-11,1рз ), Выходной

2 код з поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 9 и на один из выходов блока умножения 8, на второй вход которого подается кодовое слово (Кз

+ N4) с выхода сумматора 10. Задним фронтом прямоугольного импульса. поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 31, фиг.

2), разрешается умножение (Кз + N4) нз kq в блоке умножения 8 и запись кода k в первый накапливающий сумматор 9. В первом накапливающем сумматоре 9 осуществляется определение суммы 1 + Nz. Выходной код з (йз >

N4) блока умножения 8 поступает на информационный вход второго накапливающего сумматора 11. Г1ередним фронтом импульса, поступающего с пятого 22-5 выхода 22-5 БС

14 (эпюра 32, фиг. 2) код з(йз Nq) записывается во второй накапливающий сумматор

10

k2i+1(N2i+1 + N2i+2)

Выходные коды первого и второго накапливающего сумматора 9 и 11 поступают на информационные входы второго блока деления 12, где осуществляется деление со20 держимого блока 11 на содержимое блока 9.

Разрешение на проведение операции деления осуществляется передним фронтом импульса, поступающего с третьего выхода . 22 БС 14 (эпюра 30, фиг. 2), В результате на выходе второго блока деления 12 будет сниматься код 2N — 1 ,, K2i+1(N2i+1+ N2I+2) =0

11. В результате во втором накапливающем сумматоре 11 будет записано кодовое слово, равное сумме; k1(Nt + Й2) + kg(Ng+ N4).

Далее процесс накопления повторяется . до тех пор пока не накопится определенное

n/2 пар кодовых слов, В результате за интервал времени Л1 = nT, в первом накапливающем сумматоре 9, результат будет л6 — 1 равен, . Kzi+1 а во втором накапливаю-!

6 — щем сумматоре 11 резуль1ат—

i=0 — 1 ,. „K2i+1

i.=0 поступающий на информационный вход ре- гистра сдвига 13. Информация 2N. записанная в регистре сдвига 13. подвергается логической операции сдвига вправо (деление на 2). В результате в регистре сдвига 13 будет записан код N, который является выходнымм кодом предлагаемого устройства.

Задним фронтом импульса (эпюра 28, фиг.

2) накапливающие сумматоры 9 и 10 устанавливаются в нулевое состояние . После этого процесс весового накопления повторяется и так далее

В БС 14 задающий генератор 15 выра батываемый прямоугольные импульсы длительностью At> и периодом Т входного сигнала (эпюра 24. фиг. 2). Эти импульсы поступают на вход управления блока кодирования 1 и на входы счетчика времени 16 и распределителя импульсов 19. Счетчик времени 16 вырабатывает прямоугольные импульсы (эпюра 28, фиг. 2) длительностью

Л t = n T, в течение которого осуществляется весовое накопление выборок сигнала. Распределитель импульсов 19 формирует импульсы, которые применяются для выделения кодовых слов с нечетными омерами (эпюра 28, фиг. 2). Импульсы со второго выхода распределителя 19 импульсов в первом и втором элементах задержки 20 н

1781653

21, задерживаются на интервал времени

Л tl, в котором (эпюра 31, 32, фиг. 2), элементом И 18 выделяется (н+ 1) — импульс (эпюра

30, фиг. 2), Сигналы, сформированные в БС

14, применяются для управления работы блоков 1 — 13.

Проводилось моделирование на ЭВМ и сравнение результатов работы предлагаемого устройства обработки сигналов при обоих вариантах вычисления весовых коэффициентов и известных устройств, в которых реализован способ простого накопления (среднего арифметического), При проведении моделирования многократно повторяется сигнал а, содержащий небольшую флюктуационную помеху с нормальным центрированным распределением

N(0, 0 1 ). В одних опытах заданный процент сслучайно взятых выборок сигнала поражался аномальной импульсной помехой К, также имеющий нормальное центрированное распределение, но гораздо большую, чем о>, дисперсию îг . В других опытах г все было аналогично. но аномальная импульсная помеха бралась одного знака и равнялась J g ) . Оба случая соответствуют помехам, действующим в геоэлектроразведке методом вызванной поляризации..

При заданном я проценте выборок сигнала, пораженных аномальной помехой, проводилось по 50 ойытов, Для каждого опыта по одним и тем же исходным выборкам сигнала, проводилась обработка выборок и получалась оценка сигнала (результаты измерений), Затем для всех 50 опытов, отдельно для каждого способа, определялось среднее квадратическое отклонение сгполучаемых оценок а от истинного сигнала l! !

50 г (а; — э)

i=1 а. = о =

На графиках фиг, 3 изображены примеры полученных зависимостей для аномальной помехи g, фиг.4 — для аномальной помехи(у),, имеющей несимметричное распределение и ненулевое математическое ожидание.По вертикальной оси отложено среднее квадратичное отклонение результата, нормированное к величине сигнала v/э, по горизонтальной — доля выборок сигнала, пораженных аномальной помехой, Кривые 1 относят к известному устройству, а кривые

2, 3 — предлагаемому устройству соответственно при весовых коэффициентах 1г+ =1 и k/i+1 = ехр(--11.1р ), Кривые г

11,1 р +1 (фиг. 3, 4) получены при следующих парамет10

15 мехой одного знака поражена четверть выборок (фиг, 4), то среднее квадратическое отклонение результата от истинного в предлагаемом устройстве примерно в десять раз меньше, чем в известных устройствах.

Опыты аналогичные описанным, проводились также для аномальной помехи, имеющей другую дисперсию ог2, а также другое распределение. В частности сравнение осуществлялось также при г = 0,5а. Распределение аномальной помехи, кроме описанного, принимались равномерным от

-За до За, равномерным от 0 до За.

Во всех опытах относительные результаты были примерно аналогичными приведенным на фиг, 3, 4. При увеличении числа выборок искаженных аномальной помехой до 70 — 80/ от общего числа выборок предлагаемое устройство всегда давало заметное преимущество перед известными, Таким образом, в предлагаемом устройстве повышена помехоустойчивость путем введения дополнительных блоков и их связей, По сравнению с измерительным устройством аппаратуры ЭВП-801(1), выбранным в качестве базового объекта, применение предлагаемого устройства позволит значительно повысить помехоустойчивость измерений в районах со значительным уровнем импульсных помех.

Формула изобретения

Устройство для определения периодического электрического сигнала, содержащее блок кодирования, первый и второй регистры, блок вычитания, блок синхронизации, первый выход которого подключен к установочному входу блока кодирования, сигнальный вход которого является входом устройства подачи измеряемого сигнала, а выход подключен к входу записи первого регистра, выход которого подключен к первому входу блока вычитания,. второй вход которого подключен к выходу егоporo регистра, а управляющий вход — к второму выхо- ду блока синхронизации, о т л и ч а ю щ е е-. с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, дополнительно введены блок памяти весовых коэффициентов, блок определения минимального значения сигнала, первый и второй блоки деления, сумматор, рах моделирования: число выборок и в каждом опыте 32, сигнал а равен 1 вольту, корень из дисперсии у О у флюктуационной помехи задавался равным 0,1а, у аномаль5 ной помехи Я равным 2а. На кривых (фиг. 3, 4) видно, что предлагаемое устройство дает заметный выигрыш по сравнению с известным устройством. Так, например, если аномально большой несимметричной по1781653

Фиа f.27 ьо

32 первый и второй накапливающие сумматоры, блок умножения, регистр сдвига, выход которого является выходом устройства, информационный вход подключен к выходу второго блока деления, установочный вход — к третьему выходу блока синхронизации, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров, к тактовому входу второго блока деления, первый и второй информационные входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго накапливающих сумматоров, информационные входы которых подключены соответственно к первому информационному входу блока умножения, к выходу блока памяти весовых коэффициентов и к выходу блока умножения, а вторые тактовые входы — соответственно к четвертому выходу блока синхронизации, тактовым входам блока умножения и первого блока деления и к пятому выходу блока синхронизации, шестой выход которого подключен к установочному входу первого регистра, выход которого подключен соответственно к первому входу блока

5 определения минимального. значения сигнала, к первому входу сумматора, тактовый вход которого подключен к второму выходу блока синхронизации, к установочному входу второго регистра, выход — к второму вхо10 ду блока умножения, второй информационный вход — к выходу второго регистра и к второму входу блока определения минимального значения сигнала, выход которого подключен к первому информаци15 онному входу блока деления, второй информационный вход которого подключен к выходу блока вычитания, а выход — к входу блока памяти весовых коэффициентов, выход блока кодирования подключен к входу

20 записи второго регистра.

1781653

6/а

0,0

0,75 E.

0,50 аг

Риа. Я

00>L

0,75

0,25

0,S0

Фиг 4

Составитель А.Человечков

Техред М.Моргентал

Корректор M.Òêà÷

Редактор Т,Иванова

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

Заказ 4273 Тираж Подписное

ВНИИПИ. Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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