Способ измерения экстремумов электрического сигнала

 

Использование: изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в измерительноинформационных системах. Сущность изобретения: способ измерения экстремумов электрического сигнала, заключающийся в том, что в момент равенства текущего значения с пороговым значением начинают первый цикл измерения, одновременно подсчитывая количество импульсов эталонной последовательности и суммируя выборки мгновенных значений исследуемого сигнала через равные промежутки времени т, определяемые периодом импульсов эталонной последовательности. В момент изменения знака разности между двумя соседними отсчетами запоминают первое число m подсчитанных импульсов, предпоследнее значение выборки -Yni и накопленную первую сумму Si. Затем начинают второй цикл измерения, запоминая следующее значение выборки исследуемого сигнала Y21, одновременно подсчитывая количество импульсов эталонной последовательности и суммируя выборки мгновенных значений, пока значение второй суммы S2 не станет равным значению первой суммы Si, в этот момент заканчивают измерение , запоминая $2 и П2. Координаты экстремумов определяют по формулам, приведенным в описании изобретения.3 з.п.флы, 3 ил. СП С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 19/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4817862/21 (22) 23.04.90 (46) 15,01,93. Бюл. N 2 (71) Киевский институт инженеров гражданской авиации им, 60-летия СССР (72) А.Я.Белецкий, Л.С.Беляевский, В.А.Игнатов, Н.B,Áoãoëþáoâ, 4.И.Рябцев, С.М.Хрисанов и Ю,Г.Алексеев (56) Авторское свидетельство СССР

N 1432414, кл . G 01 R 19/04, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N 1411677, кл. G 01 R 19/04, 1987. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКСТРЕМУМОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА (57) Использование: изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть испол ьзо вано в измерител ьноинформационных системах. Сущность изобретения: способ измерения экстремумов электрического сигнала, заключающийся в том, что в момент равенства текущего значения с пороговым значением начинают первый цикл измерения, одновременно подсчитывая количество импульсов эталонИзобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для анализа случайных электрических сигналов на фоне помех.

Известен способ измерения экстремумов электрических сигналов, основанный на дифференцировании сигнала, реализованный в устройствах. Существенный недостаток этого способа-аналога — низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что из-за дифференцирования сигнала. Ж„„1788475 А1 ной последовательности и суммируя выборки мгновенных значений исследуемого сигнала через равные промежутки времени т, определяемые периодом импульсов эталонной последовательности, В момент изменения знака разности между двумя соседними отсчетами запоминают первое число п1 подсчитанных импульсов, предпоследнее значение выборки .У» и накопленную первую сумму S<. Затем начинают второй цикл измерения, запоминая следующее значение выборки исследуемого сигнала У, одновременно подсчитывая количество импульсов эталонной последовательности и суммируя выборки мгновенных значений, пока значение второй суммы

Я2 не станет равным значению первой суммы S>, в этот момент заканчивают измерение, запоминая 52 и пг. Координаты экстремумов определяют по формулам, приведенным в описании изобретения. 3 з,п.флы, 3 ил. V

1С ьшается отношение сигнал-шум на вхо- QQ змерителя. Ф

Наиболее близким к изобретению по .

1 инескои сущности является способ оп- .ятз ления экстремумов электрического сиг, основанный на индикации изменения а разности между текущим и предмду- а умен де и техн реде нала знак щим кодированными значениями исследуемого сигнала, реализованный в устройстве.

Этот способ рассматривается как прототип.

Недостатком известного способа является невысокая точность измерения экстремумов сигнала, особенно низкая при малых

1788475 отношениях сигнал-шум на входе измерителя: 3/1 ... 5/1, Такие условия характерны для работы бортовой аппаратуры воздушных и морских судов, других подвижных объектов.

Цель изобретения — повышение точности измерения экстремумов электрического сигнала при малых отношениях сигнал/шум за счет того, что используется не дифференцирование, а интегрирование сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения экстремумов электрического сигнала, заключающемся в том, что производят выборки мгновенных значений исследуемого сигнала через равные промежутки времени т, определяемые периодом импульсов эталонной последовательности, подсчитывают количество импульсов и, эталонной последовательности на интервале времени от начала измерения 1 до момента экстремума, причем о достижении экстремума судят по изменению знака разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала, с указанной выше целью первый цикл измерения начинают в момент равенства исследуемого сигнала

Y(t) пороговому значению U, одновременно с подсчетом импульсов п1 эталонной последовательности суммируют выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, вычисляя значение первой суммы

Si = + Yi;, в момент т0 изменения знака

1 разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала запоминают количество импульсов п1 и первую сумму Si, а также предпоследнее значение выборки исследуемого сигнала Y» = Y(т, - т ), после чего начинают второй цикл измерения, для чего запоминают следующее значение выборки исследуемого сигнала Уг1 = Y(то+

+ t) = Y((ni + 1) z ), подсчитывают количество импульсов ng эталонной последовательности и суммируют выборки исследуемого сигнала, одновременно вычисляя значение

П% второй суммы Sz = Q Уг)ь до момента времени t2, когда значе))ие второй с/ммы сравняется со значением первой суммы, причем

0 рдВенстВе Si и $2 судят по Выполнению условия

Si - Л S < Sg< Si + Л 5, где ЛБ — заданная абсолютная погрешность сравнения, запо) )инают значения п2, Sp, а искомые координаты экстремума определяют по формулам косвенных измерений — (%1 П2) %, (1) S2 П2

51 п1+32 п2

S2/ П2

3% %%7

Si/ni

Б 7% %%7%

= Уг1+

S2 П2 (Yn1 Y21), (2) для чего в прямых измерениях пороговое значение U устанавливают соответствующим условию:

О < U/ о <ГЬ/2, (3) где о — среднеквадратическая погрешность средств прямых измерений, h — отношение сигнал-шум в прямых измерениях.

Период т импульсов эталонной последовательности выбирают из условия

1 < т/Л г «< ти/Ьт, (4) где с g = t 2- t1 — продолжительность измереHMA„

Лт — интервал корреляции помехи.

Абсолютную погрешность Л S сравнения значений сумм Si, Sz выбирают из условия.

М < ..(5) гт h

На фиг. 1 дана иллюстрация основных параметров способа, используемых в формулах (1), (2) косвенного измерения координат максимума (минимум определяют аналогично), на фиг. 2 — иллюстрация балан-. са моментов, используемого для помехо-Ф устойчивого оценивания момента

1 экстремума Y т сигнала Y(t) (звездочками

35 обозначены оценки кООрдинат экстремума), на фиг, 3 — структурная схема устройства. реализующего способ.

Фундаментальное соотношение для получения формул косвенного измерения

40 (1), (2) найдено методом баланса моментоя

+m

Y(t)dt = 51/П1 (tm — ti) = Я2/П (t2 tm)=

t, 45 =Jr(r)e, (6)

50 Роль сил, а длины вРеменных интеРВалов tm

- 11 и t2 — tm роль Длин рычагоВ (см. 4)иг. 2).

Момент ti = О, момент т2 определяют из условия равенства сумм Si, S2, а момен экстремума из уравнения (6). Момент7, 55 окончания первого суммирования и вели )ина Уп1 определяются как и в прототипе по изменению знака разности УП1- У 1.

Количество импульсов п1 и п2 определяЕТСЯ ДЛИНОЙ ИНтЕРВаЛОВ tm - t1, t — tm u длительностью 2 периода генератора калиброванной последовательности импуль1788475 сов. Оценка Y и) значения Ym экстремума определяется как средневзвешенное значение выборок Уп1 и Y21:

% t2 — tm 5

Ym = tm/t2 Y» + Уг) = Уг1+

12

+ 1)п/t2 (Yn1 У21). (7)

Из (7) после простейших преобразований следует (2).

Математическое ожидание и дисперсия 10 оценки (7) определяются соотношениями

M(Y ° )=a M(Y, ) -() -а м(ч2,), D(Y m)= а 0(У 1)+(1-а ) О(У21),(8) где параметр а = n1/(п1+ пг).

Если измерительный сигнал 15

Y(t) = X(t) + ф (t), (9) где X(t) — полезный сигнал (см. пунктир на фиг. 1).

h (t) — стационарный гауссов шум с нулевым математическим ожиданием и дисперсией 0(((t)) = о г, тогда

М(У ) = а М(Х 1) + (1 - а ) М(Х21), (10) (n1 + пг) г 25

Изобретение осуществляется с помощью устройства, представленного на фиг. 3.

Устройство, реализующее способ, содержит источник измерительного сигнала 1. 30 блок выборки и хранения 2, источник пороговых значений сигнала 3, блок формирования меток времени 4, блок счетчиков 5, блок сумматоров 6, микропроцессорные контроллеры (МПК) 7, 8, которые совместно уп- 35 равляют работой всех функциональных блоков и осуществляют обработку результатовв косвенных измерений по формулам (1), (2), Устройство работает следующим обра- 40 зом, МПК 7 дает команду начала измерения на ИС 1 и на ИП 3. По этой команде на БФМ

4 поступают измерительный сигнал Y(t) и сигнал U. На первом выходе БФМ 4 в момЕнт11 пЕрвсгО СОвпадЕния тЕкущЕгО ЗначЕ- 45 ния Y(t1) с порогом U, когда Y(t1) = U, формируется импульс запуска ГКПИ БВХ 2 и начинается взятие отсчетов У) сигнала Y(t) в моменты времени t1 t1+ t, t1+ 2 г

t1+ i т . Импульсы счета с БВХ 2 поступают 50 на БСЧ 5, в первом счетчике которого формируется число п1, параллельно отсчеты У) сигнала поступают на БСМ 6, где на первом сумматоре накапливаются в виде суммы S)=

= + Y;, Одновременно отсчеты Yi поступа- 55 ют на БФМ 4, где из них формируется разность ЬУ) = У;+ 1 — У определяется знак этой разности sig ЛУ. При смене знака разности в момент Ф, знакоразличитель

БФМ 4 дает команду первому счетчику БСЧ

5 прекратить счет и число п1 записать в первый регистр памяти МПК7. Одновременно этой же командой заканчивается суммирование отсчетов в первом сумматоре БС 6. сумма S1 и последний отсчет в ней У» записываются во второй и третий регистры памяти МПК7, На следующем такте, когдат= т+ т>, включается второй счетчик БСЧ 5, где начинает формироваться число п2 и в БС 6 с отсчета У21, который с начала записывается в четвертый регистр памяти МПК 7, начинается второе суммирование на втором сумматоре БС 6. Текущее значение суммы S2 поступает в ОЗУ МПК 7 и сравнивается потактно со значением суммы S1. когда на определенном п2 такте S2 = S)+ S, знакоразличитель МПК 7 дает команду БФМ 4 выработать метку иг конца счета и завершения цикла формируются все исходные данные косвенных измерений, то есть результаты прямых измерений: У». Y21, n). пг, S), S2. МПК 7 и МПК 8 переходят в режим согласованной обработки результатов измерений по формулам (1) и (2). Кодирован+ ные значения tm u Y m снимают с шины данных MilK 7 и МПК 8, Для оценки положительного эффекта от применения предлагаемого способа по сравнению с прототипом используется следующий индексный показатель увеличения точности измерения (в разах) Испытания показали, что даже при высоких уровнях зашумленности гармониче(Jx ского сигнала (п-1,73 = — обеспечивается о относительная устойчивость измеренных значений и уменьшение погрешности измерения по сравнению с прототипом в 1,21—

1,8 раза. Результаты испытаний в различных условиях показывают, что предлагаемый способ полезен как из-за повышения точности измерения B условиях помех, тэк и из-за устранения систематической погрешности. которая характерна для прототипа. Поло>ки-тельный эффект достигается по существу фильтрацией отсчетов измерительного сигнала на интЕРвалах (t), tm), (tm. t2), ДлЯ СлУчайных полезных сигналов положительный эффект растет по мере роста ширины полосы спектра помехи относительно полосы спектра сигнала, а также по мере увели«ения номера периода измерений. Так, например, относительная погрешность

1788475

5G измерения нулей и экстремумов гармонического колебания на фоне гауссовой помехи при h = 3 на первом периоде измерений составляет (-8,49 „, 10,8) %, а на шестом (-0,983 „, 1,06) %, Формула изобретения

1, Способ измерения экстремумов электрического сигнала, заключающийся в том, что производят выборки мгновенных значений исследуемого сигнала через равные промежутки времени т, определяемые периодом импульсов эталонной последовательности, подсчитывают количество импульсов п эталонной последовательности на интервале времени от начала измерения

t> до момента экстремума, причем о достижении экстремума судят по измерению знака разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений координат экстремума исследуемого сигнала при малых отношениях сигнал-шум, первый цикл измерения начинают в момент равенства исследуемого сигнала Y(t) пороговому значению U, одновременно с подсчетом импульсов п эталонной последовательности суммируют выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, вычисляя значение первой суммы S> = п1

У<, в момент т, изменения знака разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала запоминают количество импульсов п и первую сумму St, а также предпоследнее значение выборки исследуемого сигнала Yn> = Y (т, - т ), после чего начинают второй цикл измерения, для чего запоминают следующее значение выборки исследуемого сигнала: Yz1 =

=Y(т, + т ) = Y((n„+ 1) т ), подсчитывают количество импульсов эталонной последовательности пг и суммируют выборки исследуемого сигнала, одновременно вычисляя

5 значение второй суммы Sz = Уг;, до момента времени tz, когда значение второй суммы сравняется со значением первой суммы, причем о равенстве S> и Sz судят по выполнению условия St - Л Я < Sz < S >+ A S, 10 где AS — заданная абсолютная погрешность сравнения, запоминают значения пг, Sz, а искомые координаты экстремума сигнала определяют по формулам

S lп

) 2 2

$21п2

П1 = тп1+

S1irl1

ЪТ% РЮ

20 52/п2

= /21 + (Yn1 Y2 1) 2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что пороговое значение U устанавливают соответствующим условию

О< U/n < h/2, где o — среднеквадратическая погреш ность

Г средств измерения;

h — отношение сигнал-шум.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что период У импульсов эталонной последовательности выбирают из условия

1 < r/Лт < t,/Лz, 35 где tè — продолжительность измерений (и - ts);

buy интервал корреляции помехи.

4, Способ по пп. 1 — 3, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что абсолютная погрешность сравнения значений первой S> и второй Sg суммы выбирают из условия

1 U

AS (-g °

1788475

4иг. 3

Соста вител ь А. Белецкий

Техред М.Моргентал Корректор В.Петраш

Редактор

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

Заказ 71 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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