Устройство для классификации сигналов

 

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике и может быть использовано для распознавания и классификации сигналов, для диагностики и контроля технического состояния элементов и узлов электронной техники. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства и степени автоматизации процесса проведения обучающих процедур. Для этого заявленное устройство содержит дешифратор, цифровое табло, мультиплексоры, реверсивные счетчики, кварцевый генератор, триггер, делитель напряжения, формирователи уровня. 2 ил.

Устройство относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для классификации электрических сигналов и объектов контроля, с которых снимаются электрические сигналы.

Известно устройство, содержащее специальную электронно-лучевую трубку типа "политрон", усилитель, запоминающие интеграторы, инверторы, реле, выходной интегратор (а.с. N 438028).

Недостатком данного устройства является относительно низкая точность, так как анализируемый сигнал разбивается на число уровней, соответствующих числу функциональных пластин "политрона", увеличить число которых по многим причинам не представляется возможным. Другим недостатком данного устройства является его инертность и, и как следствие, низкое быстродействие. Это ведет к тому, что с достаточной достоверностью могут классифицироваться лишь сигналы, с частотой 1-2 кГц (Кисилев Н.В., Сечкин В.А. Техническая диагностика методами нелинейного преобразования. Л.: Энергия, 1980 г.).

Наиболее близким техническим решением является устройство для классификации сигналов (а.с. N 1354222) по времени нахождения сигналов на информативных амплитудных уровнях, содержащее усилитель, выход которого подключен к входу блока задания весовых коэффициентов, выходы которого подключены к входам формирователей уровня сигнала, выходы которых подключены к входам схемы ИЛИ, к выходу которой последовательно соединены схемы И, дешифратор и блок отображения, первый и второй входы элемента И соединены соответственно с выходом генератора импульсов и с прямым выходом триггера, прямой вход которого является входом "Пуск" устройства, а инверсный вход является входом "Останов" устройства, третий вход элемента И соединен с выходом ИЛИ.

Недостатком данного устройства являются большие временные затраты, необходимые для проведения обучающих процедур и определения признаков классификации. Это объясняется тем, что оператору необходимо последовательно определить время нахождения сигналов на каждом амплитудном уровне для группы сигналов-представителей класса А, затем последовательно определить время нахождения сигналов на каждом амплитудном уровне для группы сигналов класса Б.

Затем определить среднее время нахождения сигнала на каждом амплитудном уровне для L-сигналов, класса А и для М-сигналов класса Б. Для этого оператор должен списать с цифрового табло результаты измерений и вычислить среднее время нахождения сигнала на каждом амплитудном уровне m_iA^* выраженное в импульсах, по формуле: где m_ijA - число импульсов для i-го уровня j сигнала класса А; L - количество сигналов класса А; i - номер амплитудного уровня.

Аналогично определить m_iБ^* для класса Б где M - количество сигналов класса Б.

Затем по максимальной абсолютной разности определить наиболее информативный уровень (или уровня).

Для найденных уровней определить значения среднеквадратичных отклонений:

Далее по значениям m^*_iA, m^*_iБ, σ_iA, σ_iБ, оператор должен определить порог классификации сигналов на классы А и Б. На этом обучающие процедуры заканчиваются.

Подключение сигналов к входу устройства, последовательный выбор формирователей уровня, снятие показаний с цифрового табло на каждом из N амплитудных уровней для L сигналов класса А и М сигналов класса Б, расчет средних значений m_iА^*, m_iБ^* нахождение максимальной разницы Δm_imax и расчет порога классификации требуют больших временных затрат.

Так, например, для N = 24, L = 60, M = 60 необходимое время проведения обучающих процедуре "t_ОБУЧ" будет равно:

где t_п - время подключения сигналов класса А и Б к установке (t ≈ 2 с);
t_ВУ - время выбора и подключения соответствующего формирования уровня (t_БУ ≈ 2 с);
t_и - время измерения сигнала на выбранном уровне (t_и ≈ 0,1 с);
t_СП - время снятия показаний и их запись (t_СП ≈ 12 с);
t_ВЫЧ - время вычислений среднеарифметического значения времени нахождения сигнала на каждом амплитудном уровне для класса А m_iА и для класса Б m_iБ(t_ВЫЧ ≈ 120 с);
t_Δmax - время вычисления Δm_i = m^*_iA-m^*_iБ(tΔ ≈ 10c);
t_РПК - время расчета порога классификации (t_РПК ≈ 30 с).

Итого: t_обуч = 2·60 + 2·60 + (2+0,1+12) · 24 · 60 + (2+0,1+12) · 24 · 60 + 120 · 24 + 120 · 24 + 10 · 24 + 30 = 46878 с ≈ 13 ч.

Если сравнить с временем классификации (контроля), примерно равным 2,1 с, то временные затраты на проведение обучающих процедур в несколько тысяч раз превосходят сам процесс контроля. Поэтому необходимо автоматизировать процесс проведения обучающих процедур.

Целью предлагаемого изобретения является многократное повышение быстродействия устройства.

Цель достигается тем, что в предлагаемое устройство, содержащее последовательно соединенные согласующее устройство, делитель напряжения, выходы которого подключены к первым входам N формирователей уровня, вторые выходы которых подключены к входам схемы ИЛИ, выход которой подключен ко второму входу схемы И, первый и третий вход которой подключены к прямому выходу триггера и выходу кварцевого генератора соответственно, а выход подключен ко входу последовательно соединенных счетчика, дешифратора, цифрового табло, при этом каждый формирователь уровня содержит пороговый элемент ПЭ, схему НЕ и схему И, выход которой является вторым выходом формирователя уровня, второй вход схемы И соединен с выходом порогового элемента, вход которого является первым входом формирователя уровня, первый вход схемы И является третьим входом (N-1)-го формирователя уровня, который соединен с первым выходом N-го формирователя уровня, который одновременно является выходом схемы НЕ, вход которой подключен к выходу порогового элемента, третий вход схемы И является вторым входом формирователя уровня, введены узел установки кода, реверсивные счетчики и мультиплексоры по числу формирователей уровней, исключены схемы И, ИЛИ при этом прямой выход триггера подключен к четвертому входу схемы И, который одновременно является четвертым входом формирователей уровня, пятый вход схемы И, который одновременно является пятым входом формирователей уровня подсоединен к выходу кварцевого генератора КГ, выход схемы И соединен со вторым входом соответствующего реверсивного счетчика РСч, первый и третий входы которого служат для перевода счетчика в режим сложения или вычитания, соответственно, входы с первого по шестнадцатый первого мультиплексора МП1 соединены с выходами первого разряда реверсивных счетчиков, выходы с первого по шестнадцатый второго мультиплексора МП2 соединены с выходами второго разряда реверсивных счетчиков, соответственно подключены входы МП3 - МПN-1 с выходами одноименных разрядов PC1 - PCN, входы с первого по шестнадцатый N-го мультиплексора МПN соединены с выходами 16-го разряда реверсивных счетчиков, таким образом входы каждого мультиплексора соединены с выходами одноименных разрядов реверсивных счетчиков, управляющие входы 17, 18, 19, 20 мультиплексоров соединены с выходами 1, 2, 3, 4 узла установки кода УУК соответственно, выходы мультиплексоров подключены ко входу дешифратора ДШ, выходы которого подключены ко входам цифрового табло.

Существенным отличием является введение в устройство реверсивных счетчиков, мультиплексоров и устройства установки кода, позволяющих на два порядка повысить быстродействие установки при проведении обучающих процедур, так как:
1) исключаются операции, выполняемые операторами, по выбору уровня сигнала, снятию показаний с цифрового табло для всех N уровней значений каждого из L сигналов класса А и М, сигналов класса Б;
2) исключаются операции по вычислению среднеарифметических значений времени нахождения сигнала на всех амплитудных уровнях для сигналов класса А и сигналов класса Б;
3) исключаются операции по нахождению максимальной разницы между среднеарифметическими значениями времени нахождения сигналов на каждом амплитудном уровне класса А и класса Б.

Все эти операции автоматически проводятся с помощью мультиплексоров, реверсивных счетчиков и устройства установки кода.

Кроме того, операции измерения времени нахождения сигнала на амплитудных уровнях происходят одновременно, что также сокращает время проведения обучающих процедур.

В результате время, затрачиваемое на проведение обучающих процедур: t'_ОБУЧ = t_п · L + t_п + M + t_РПК + t_УК + t_И + t_СП · N = 2·60 + 2·60 + 5+0,1+12 · 24 + 30 = 563,1 с ≈ 9 мин,
где t_УК - время на установку кода (t_УК ≈ 3 - 5 с).

Таким образом, t_ОБУЧ = 46878 с, t'_ОБУЧ = 563,1 с, t'_ОБУЧ << t_ОБУЧ.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для классификации сигналов.

Устройство содержит узел установки кода УУК - 1, кварцевый генератор КГ - 2, триггер Е - 3, таймер - 4, устройство согласования УС - 5, делитель напряжения ДН - 6, N формирователей уровня ФУ-1, ФУ-2,...ФУ-N, каждый из которых содержит пороговый элемент ПЭ-7, схему НЕ-8, схему И-9, кроме того, устройство содержит N реверсивных счетчиков РСч - 10 и N мультиплексоров М-11, дешифратор ДШ-12, цифровое табло ЦТ-13.

Классификация сигналов заключается в измерении среднего времени нахождения сигнала на информативном уровне и сравнении его с порогом классификации.

Время для удобства измерения расчета и сравнения выражается в импульсах.

Информативный уровень и порог классификации определяются в процессе проведения обучающих процедур.

Устройство работает следующим образом.

Работа устройства на этапе обучения.

Сигнал класса А подается на вход согласующего устройства УС-5, где амплитуда сигнала согласуется со входом делителя напряжения ДН-6.

Делитель напряжения ДН-6 разделяет сигнал по амплитуде на N уровней. На величину этих уровней настроены пороговые элементы ПЭ-7.

Перед выдачей команды "Пуск" на установочные входы 2 всех формирователей уровня и на первые входы всех реверсивных счетчиков РСч (фиг. 1) и на девятые входы всех мультиплексоров подают единичные сигналы (фиг. 2).

Таймером 4 устанавливается время измерения.

После команды "Пуск" триггер Т-3 устанавливается в единичное состояние и с его прямого выхода на четвертые входы схемы И-9 всех формирователей уровня выдается единичный сигнал. При срабатывании порогового элемента ПЭ-7 первого формирователя уровня ФУ-1 с его выхода сигнал поступает на второй вход схемы И-9. Так как амплитуда сигнала не достигла величины, на которую настроен пороговый элемент ПЭ-7 второго формирователя уровня ФУ-2, то с его выхода нулевой сигнал, проходя через схему НЕ-8, поступает как единичный на первый вход схемы И-9 первого формирователя уровня ФУ-1. Схема И-9 открыта и импульсы с кварцевого генератора КГ-2 поступают на реверсивный счетчик РСч - 10 ФУ-1. Счетчик складывает импульсы.

При достижении амплитуды входного сигнала значения, на которое настроен пороговый элемент ПЭ-7 второго формирователя уровня, последний сработает и выдаст сигнал на второй вход схемы И-9 второго формирователя уровня и через схему НЕ-8 закроет схему И первого формирователя уровня ФУ-1. Реверсивный счетчик РСч -10 ФУ-1 перестанет считать.

Схема И-9 второго формирователя уровня откроется, так как на ее первом входе сигналы есть (пороговый элемент ПЭ-7 третьего формирователя уровня еще не сработали) и импульсы с кварцевого генератора через пятый вход схемы И-9 поступают на реверсивный счетчик РСч ФУ-2, который их подсчитывает.

При дальнейшем повышении амплитуды входного сигнала x(t) поочередно срабатывают следующие ПЭ-7. Они открывают схемы И-9 своих формирователей уровня и закрывают схемы И-9 формирователей уровня, пороговые элементы которых настроены на более низкую амплитуду.

При уменьшении амплитуды входного сигнала x(t) отпускает ПЭ-7 формирователя уровня ФУ-N, закрывается его схема И-9 и открывается И-9 формирователя уровня ФУ-N-1. Реверсивный счетчик РСч-10 ФУ-N перестает считать, а РСч-10 ФУ-N-1 начинает считать. При дальнейшем уменьшении амплитуды сигнала x(t) поочередно отпускают ПЭ-7, закрывают свои схемы и открывают схемы И-9 формирователей уровня, пороговые элементы которых настроены на более низкую амплитуду. Соответствующие реверсивные счетчики производят сложение поступающих на них импульсов. Подсчет импульсов происходит до тех пор, пока с таймера - 4 не выдастся команда "Стоп" на триггер Т-3, который перебрасывается и снимает единичный сигнал с пятого входа всех схем И-9. Импульсы с кварцевого генератора КГ-2 перестают поступать на счетчики.

В результате реверсивные счетчики РСч-10 подсчитывают импульсы m_ijА, число которых пропорционально времени нахождения сигнала x(t) на каждом амплитудном уровне, где i-номер амплитудного уровня, j=1-L, A - класс сигналов. Подавая последовательно на вход устройства L сигналов класса A и, проводя с ними те же операции, что и с первым сигналом, определяют среднее время нахождения сигналов класса A на каждом амплитудном уровне, выражение в импульсах m_iА^* и подсчитанное реверсивными счетчиками РСч ФУ-1, РСч ФУ-2, - РСч ФУ-N.

Далее на третьи входы всех реверсивных счетчиков подается единичный сигнал "Вычитание", а с первых входов сигнал "сложение" снимается
На вход устройства подаются сигналы класса Б, и производят операции, аналогичные предыдущим.

В результате реверсивные счетчики подсчитывают число импульсов, пропорциональных среднему времени нахождения сигналов класса Б на каждом амплитудном уровне m_iБ^*. Но так как счетчики настроены на вычитание, то в них остается разница (m_iA-m_iБ) = Δm_i.
Подавая код через узел установки кода УУК-1 оператор поочередно опрашивает с помощью мультиплексоров МП-11 все реверсивные счетчики РСч-10.

Мультиплексоры поочередно подключают выходы 0,1-15 реверсивных счетчиков через дешифратор ДШ-12 к цифровому табло ЦТ-13.

По максимальной абсолютной разнице Δm_i записанной в реверсивных счетчиках РСч - 10, оператор определяет информативный уровень. Для этого уровня определяется порог классификации сигналов на классы А и Б.

Далее оператор оставляет сигнал на установочном входе 2 формирователя уровня, пороговый элемент ПЭ-7 которого соответствует информативному уровню, с остальных формирователей уровня с установочного входа 2 единичный сигнал снимается и они заземляются. Устройство готово к работе, т.е. классификации неизвестных сигналов.

Работа устройства на этапе классификации.

Входной сигнал x(t) подается на вход устройства. После выдачи команды "Пуск" с таймера - 4 открывается схема И-9 формирователя уровня, пороговый элемент которого ПЭ-7 настроен на информативный уровень. Реверсивный счетчик, соответствующий этому уровню, подчитывает импульсы, пропорциональные времени нахождения сигнала только на информативном уровне. По команде "Стоп" с таймера - 4 триггер Т-3 закрывает схему И-9 и счетчик перестает считать. Соответствующим кодом выход счетчика подключается к цифровому табло. Оператор сравнивает числа импульсов, подсчитанных счетчиком, со значением порога классификации и относит сигнал к соответствующему классу А или Б.

Положительный эффект предлагаемого устройства заключается в многократном (более, чем на два порядка) повышении быстродействия при проведении обучающих процедур.

Введение в устройство реверсивных счетчиков, мультиплексоров, узла установки кода позволяют операции по определению среднего времени нахождения сигнала на каждом амплитудном уровне, для каждого из L сигналов класса А и М сигналов класса Б, полностью автоматизировать. Кроме того, устройство позволяет автоматизировать процесс нахождения информативного уровня.

В результате, при одинаковых исходных данных N, L, M, t_п, t_ВУ, t_И, t_СП, t_ВЫЧmiА, t_ВЫЧmiБ t_Δmax t_РПК время на проведение обучающих процедур снижается более чем на два порядка.

Кварцевый генератор, триггер, таймер, согласующее устройство, делитель напряжения, пороговые элементы, схемы НЕ, И, дешифратор и цифровое табло выполнены на аналогичных элементах как и в устройстве, взятом за аналог (а. с. N 1354222).

Реверсивный счетчик РСч-10 выполнен на четырех микросхемах К155И7 для доведения разрядности счетчика до 16. Мультиплексор МП-11 выполнен на микросхеме К155КП1. Узел установки кода выполнен на одной микросхеме К155ТМ4, имеющей 4 триггера. Схема соединения микросхем представлена на фиг. 2. При этом показаны соединения выходов 0,1 и 15 реверсивных счетчиков со входами мультиплексоров. Остальные выходы (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) реверсивных счетчиков соединяются аналогично.

Формула изобретения

Устройство для классификации сигналов, содержащее реверсивный счетчик, дешифратор, выходы которого подключены ко входам цифрового табло, кварцевый генератор, триггер, предназначенный для формирования единичного сигнала на прямом выходе при наличии команды "Пуск" и снятия его по команде "Стоп", последовательно соединенные согласующее устройство и делитель напряжения, выходы которого подключены к первым входам N формирователей уровня, при этом каждый формирователь уровня содержит пороговый элемент, схему НЕ и схему И, выход схемы И является вторым выходом формирователя уровня, второй вход схемы И соединен со входом схемы НЕ и с выходом порогового элемента, вход которого является первым входом формирователя уровня, первый вход схемы И является третьим входом формирователя уровня, выход схемы НЕ является первым выходом формирователя уровня, третий вход схемы И является вторым входом формирователя уровня, при этом третий вход (N-1)-го формирователя уровня соединен с первым выходом N-го формирователя уровня, отличающееся тем, что в него введены дополнительные реверсивные счетчики, узел установки кода, мультиплексоры, схема И каждого формирователя уровня имеет четвертый и пятый входы, которые одновременно являются четвертым и пятым входами формирователя уровня и соединены соответственно с прямым выходом триггера и выходом кварцевого генератора, выход схемы И подсоединен ко второму входу соответствующего реверсивного счетчика, первый и третий входы упомянутых реверсивных счетчиков предназначены для перевода этих счетчиков в режим сложения или вычитания, разрядные входы каждого мультиплексора соединены с выходами одноименных разрядов упомянутых реверсивных счетчиков, управляющие входы всех мультиплексоров подключены соответственно к выходам узла установки кода, выходы мультиплексоров подключены к дешифратору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2