Дискретно-аналоговый анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов

 

ОП Ис А . ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 553547

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 17.04.75 (21) 2125488/21 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет(43) Опубликовано 05.04.77. Бюллетень № 13 (45) Дата опубликования описания 10.11.77

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений

И OTKPblTHH (72) Авторы изобретения

В. И. Бабенко и В. И. Чайковский (71) Заявитель (54) ДИСКРЕТНΠ— АНАЛОГОВЫЙ АНАЛИЗАТОР

ОРТОГОНАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЕКТРА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ большая погрешность интегрирования, обусловлешгая наличием в обратной связи операционного усилителя инерционного звена вместо чисто емкостного. Эти недостатки затрудняют пос-роение

1 параллельного анализа спектра, работающего от общей схемы управления с интервалом дискретизации Ь t=, где йв — верхняя частота рабочегс

Яа диапазона частот.

Известно устройство аналогового определения ортогональной составляющей спектра фипитных сигналон, в котором каждый выход сдвигового регистра устройства выборки подключен к отдельному ключу. При этом количество взвешивающих каналов (весовых резисторов сумматоров и коммутируемых ключей устройства выборки) равно соответственно N и 2N

При практической реализации анализатора спектра по второй схеме получается большой избыток весовых резисторов и коммутируемых аналоговых ключей. Это усложняет схему устройства, увеличивает его габариты и снижает технологичность изготовления.

Цель изобретения — повышение точности анализа.

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к дискретно-аналоговым анализаторам спектра; может быть использовано для определения преобразования Фурье исследуемого сигнала. 5

Известны анализаторы спектра, в которых отсутствуют в явном виде генерация весовых коэффициентов и перемножение их с выборочными отсчетами сигнала. Генерация синусных и косинусных коэффициентов (опорных сигналов) в 1п таких устройствах объединяется с умножением в умножителях в виде единой резисторно-переключающей системы, что ведет к упрощению устройства, расширению его динамического диапазона и повышению надежности. Быстродействие подоб- у ных устройств превосходит быстродействие самой быстродействующей цифровой вычислительной машины в 10 — 100 раз.

Недостатком устройства является сложная зависимость получения синусоидального закона изменения весовых коэффициентов. Для задания очередного по порядковому номеру весового коэффициента, соответствующего моменту времени (К+1 ) сХ t, используется параллельное подключение двух. трех и более резисторов. Другой недостаток- (51) М. Кл.i GOI R 23/16 (53) УДК 621.317.757 (088.8) 10

25

55

Цель достигается тем, что в дискретно-аналоговом анализаторе ортогональных составляющих спектра электрических сигналов„содержащем последовательно соединенные генератор импульсов и устройство выборки мгновенных значений сигнала, выполненное в виде сдвигового регистра с ключами для четных и нечетных частот, подключенными к резисторам взвешивающих сумматоров в синусном и косинусном каналах, а также блоки изменения знака, соединенные с сигнальными входами ключей устройства выборки мгновенных значений сигнала, причем блоки изменения знака в синусном и косинусном каналах содержат инвертирующне уситпиели, между выходами регистра и управляющими входами ключей включены развязывающие элементы; при этом выходы первой четверпт длины регистра подключены к управляющим входам ключей через первые входы развязывающих элементов, выходы второй, третьей и четвертой четвертей длины регистра подключены к управляющим входам тех же ключей соответственно через вторые, трепи и четвертые входы развязывающих элементов, а входы блоков изменения знака подключены к сдвиговому регистру, развязываницие элементы выполнены в виде логических элементов ИЛИ .

В блок изменения знака косинусного канала введены триггер и два ключа; вход и выход инвертирующего усилителя блока изменения знака соединены с сигнальными входами ключей, управляющие входы которых подключены к выходу триггера, входы которого подключены к первым выходам второй и четвертой четвертей длины регистра, а в блок изменения знака скнусного канала введены два триггера, два- элемента ИЛИ, две пары ключей; вход и выход инвертирующего усилителя блока изменения знака соединены с сигнальными входами ключей, управляющие входы которых подключены к выходам двух триггеров, причем входы одного из них подключены к первым выходам первой и третьей четвертей длины регистра, а входы второго триггера через элементы

ИЛИ вЂ” к первым выходам первой и третьей, второй и четвертой четвертей длины регистра, На чертеже изображена структурная электрическая схема устройства.

Анализатор содержит устройство выборки мгновенных значений сигнала 1, в которое входят сдвиговый регистр 2, две группы ключей 3 и 4 соответственно для четных и нечетных частот в косинусном канале н две группы ключей 5 и 6 соответственно для четных и нечетных частот в синусном канале, группу развязывающих элементов 7 типа четырехвходовых логических элементов

ИЛИ в синусном и группу развязывающих четырехвходовых логических элементов 8 типа ИЛИ в косинусиом каналах, блок изменения знака 9 в косннусном канале, состояший из триггера !0, клн>чей 1!, 12 и инверп1рующего усилителя !3 с единичным нозффиш ентом передачи, блок изменения эь са 14 в сииусном канале, состоящий из триггера 15, ключей 16, 17, двухвходовых элементов ИЛИ

18 и 19, триггера 20, ключей 21, 22 и инвертирующего усилителя 23 с единичным коэффициентом передачи, Анализатор спектра содержит также груп-. пы сумматоров 24, 25 и 26, 27 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах и генератор импульсов 28, управляющий работой регистра сдвига.

Отсчеты коэффициентов Фурье для укороченно о до Т/4 интервала преобразования совпадают по модулю и отличаются только знаками. Поэтому для работы анализатора спектра используются значения весовьй коэффициентов только одной четверти интервала преобразования (Π— - ) с соотЦ ветствунпцим изменением знака входного сигнала.

Исследуемьй сигнал поступает на усилители » инверторы в синусном и косииусном каналах. В течение первой четверти интервала преобразования первый по порядковому номеру импульс (соответствующий К-О) с регистра 2 поступает на один из входов триггера 15 блока изменения знака 14 синусного канала и с прямого выхода триггера 15— на ключ 17, открывая его на время О-,- Исследуемый сигнал с усилителя 23 через открытьй ключ 17 поступает на сигнальные входы ключей группы 6 для нечетных частот синусного канала. Инверсньй выход триггера 15 закрывает ключ 16, запрещая прохождение сигнала положительной полярности с усилителя 23 на сигнальные входы ключей группы 6.

Первый импульс первой четверти регистрами поступает также на первый вход первого по порядковому номеру четырехвходового логического элемента ИЛИ 29 группы 7 и с его выхода — на управляющие входы ключей 30 и 31, открывая их на время 5 t.

Исследуемый сигнал с ключа17 через открытый ключ 30 в виде выборочного отсчета проходит на вход весовых резисторов сумматоров группы 25 для нечетных частот синусного канала (например, на вход весового резистора 32 сумматора 33). тот же импульс с регистра 2 через один из входов развязывающего элемента ИЛИ19 блока 14 проходит на триггер 20 и с его прямого выхода — на ключ 22, открывая последний на время 0-, 4

Сигнал с усилителя 23 через открытьй ключ 22 проходит на сигнальные входы ключей группы 5 и через открытьй ключ 31 — на весовые резисторы сумматоров группы 24 сннусного канала (например, на вход весового резистора 34 сумматора 35)

Ииверсньй выход триггера 20 поддерживает в закрытом состоянии на время 0-- — „ключ»1, и т сигнал положигельной полярности йе проходит на сигнальные входы ключей группы 5.

Первый импульс регистра 2 через не!1ный вход первого по порядковому номеру че ырсхнхоловога элемента ИЛИ 36 группы 8 в косииусиом канале поступает иа управляющие ыходы кяюзсй 37, 18 и открывает их. Исследуемый аи иля ля я ч;.плыл

553547 частот в косинусн м канале поступает прямо на сигнальные входы ключей группы 3, и через открытый ключ 37 s виде отсчета сигнала — на весовые резисторы сумматоров группы 26 для четных частот (например, на вход весового резистора 39 суйматора 40) .

Для нечетных частот косинусного канала исследуемый сигнал в первой четверти интервала преобразования О» через открытый ключ 11 проходит на сигнальные входы ключей группы 4.

Ключ 11 открыт потому, что потенциал на инверсном выходе триггера 10 соответствует уровню логической единице (поскольку на управляющие входы триггера 10 не поступает импульс с первой четверти регистра 2), а потенциал на прямом выходе соответствует уровню логического нуля. Следовательно, ключ 11 открыт, а ключ 12 — закрыт на интервале 0- —, Сигнал положительной полярности с усилителя 13 проходит на вход ключей группы 4 для нечетных частот и через. открытый ключ 38 поступает на весовые резисторы сумматоров группы 27 для нечетйых частот (например на вход весового резистора 41 сумматора 42) .

Второй, третий и все последующие импульсы с очередных по порядковым номерам выборочных отсчетов исследуемого сигнала как в синусном, так и в косинусном каналах. Последний из серии импульсов первой четверти длины регистра (соответствующий номеру К= --1) через первые логиИ ческие входы последних элементов ИЛИ 43,44 в группах 7 и 8 проходит на управляющие входы последних ключей 45, 46 и 47, 48 в группах 5,6 и 3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косннусном каналах. Выборочные и

Ц значения сигнала для K=- - l поступают через открытые ключи 45, 46 и 47, 48 на весовые резисторы сумматоров групп 24 и 25 (например, на весовой резистор 49 сумматора 35 н на резистор 50 сумматора 33), а также на весовые резисторы сумматоров групп 26 и 27 (например, на ре нс30

35 тор 51 сумматора 40 н на резистор 52 сумматора 42.)

На этом заканчивается первый четвертьволновой цикл работы анализатора.

Таким образом, с приходом импульсов регистра сдвига на управляющие входы ключей устройства выборки отсчеты сигнала распределяются на весовые резисторы групп сумматоров 24, 25, 26 и 27 соответственно в синусном и косинусном каналах, причем знак весовых коэффициентов для каждого момента времени определяется номерам безразмерной частоты временным ее отсчетом и -читывается для интервала преобраэоиания 0- — полярТ

11 постыл входного сигнала и подключением весовых резисторов соответственно к инвертирующему или неинвертирувн1ему входу о11ерационных усилигелсй сумматоров. Полярность входного сигнала вдается блоками иэченения знака и для нечетных и выхода первой четверти длины регистра нсполь- у, зуются как импульсы дискретизации для взятия четных частот синусного канала остается отрицательной на интервале 0--.

Ч

Для нечетных частот косинусного канала полярность входного ситнала положительная на интервале

Т

О-т-, а для четных частот полярность входного сигнала остается положительной для всего интервала преобразования, поскольку косинусная волна для четных частот симметрична относительно четвертьволновых точек. Знак косинусных весовых коэффициентов для четных частот учитывается только подключением весовых резисторов к инвертнрующему или неинвертнрующему входу операционных усилителей сумматоров. Для частоты 2гц знак косннусных коэффициентов изменяется на интервале 0- — от 1.... переход через нуль ... до -1.

Т

На интервале„ значения весовых коэффициентов -3 остаются те же, их знак изменяется. Следовательно, для четных частот в косинус ном канале на интервале т- -- на сигнальные входы т 7

2 коммутируемых ключей группы 3 поступает сигнал положительной полярности, как и на интервале

О-, а последовательность подключения весовых резисторов сумматоров к ключам устройства выборки изменяется.

Первый по порядковому номеру выходной импульс второй четверти длины регистра (соответствующий К= ) поступает на триггер 10 блока

14

9 и опрокидывает его, в результате на его прямом выходе появляется импульс, соответствующий уровню логической.единицы, а на инверсном выходе— уровню логического нуля.. Прн этом ключ 12 открывается, а ключ 11 закрывается. На сигнальные входы ключей группы 4 (для нечетных частот косинусного канала) с усилителя 13 поступает сигнал отрицательной полярности, что совпгдает с полярностью импульса триггера 10 блока изменения знака 9.

В синусном канале полярность входного сигнала для нечетных частот на интервале "— остат .т ется такой же, как и для интервала 0--„, a для

)7 е четных частот первый импульс второй четверти длины регистра (для К=- ) через первый вход

М элемента ИЛИ 18 подводится к триггеру 20 и опрокидывает его. На прямом выходе триггера 20 появляется импульс, соответствующнй уровню логическогс нуля, на инверсном выходе — уровню логической единицы, Ключ 22 закрывается, а ключ 21 открывается, и сигнал положительной полярности с усилителя 23 поступает на сигнальные входы ключей группы 5 для четных частот синусного канала.

Первый, второй и все последующие до (- -1)

2 импульсы с выхода второй четверти длины регистра используются как импульсы дискретизации для выборочных отсчетов исследуемого сигнала как в синусном, так и в коси 1усном каналах, и нн интервале — - — через вторые логические входы четырех T Т и 2 входовых хыментов ИЛИ 53 в группе 7 и 54 — в группе 8, начиная с предпоследних элементов ИЛИ подклаланлся к унравнянипим входам ключей

553547

7 групп 5,6 и 3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах в направлении, противодоложном подключению выходов регистра первой четверти его длины. Последний из серии импульсов второй четверти длины регистра (соответствующий номеру К= ф -1) через вторые логические входы элементов ИЛИ 29 и 36 в группах 7 и 8 подключен к управляннцим входам первых ключей 31, 30 и 37, 38 в группах 5,6 и 3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах. Выборочные значения сигнала (для К= - - -1) поступают через

N открытые ключи 31, 30 и 37, 38 на весовые резисторы сумматоров групп 24, 25 и 26, 27 (например, на резистор 34 сумматора 35 и на резистор 32 сумматора 33 в синусном канале, а также на резистор 39 сумматора 40 и на резистор 41 сумматора 42). На этом заканчиваются преобразования сигнала на интервале — — —, а на выходах сумт т

2 ма торов дискретно-аналогового анализатора спектра в конце второй четверти интервала преобразования накапливается результат, пропорциональный результату двух частных сумм, представляющий собой текущий спектр для интервала анализа о- .

Первый по порядковому номеру импульс третьей четверти длины регистра (соответствЯощий

А

К= — ) подводится к противоположному входу

2 триггера 15 блока 14 в сипусном канале и опрокидывает его. При этом ключ! 7 закрывается, а потенциал, соответствующий уровню логической единицы на инверсном выходе триггера 15, открывает ключ 16, и на сигнальные входы ключей группы б дпя нечетных частот в синусном канале подводится сигнал положительной полярности с усилителя 23.

Этот же импульс, поступающий со сдвигового рей гистра (для К= — ) через второй логический вход элемента ИЛИ 19 блока 14 опрокидывает триггер 20.

Потенциал, соответствуюпяй уровню логической единицы, с его прямого выхода открывает ключ 22, 4р а потенциал инверсного выхода закрывает ключ 21.

С усилителя 23 на сигнальные входы ключей группы 5 (для четных частот синусного канала) подводится сигнал отрицательной полярности. Первый, второй и все последующие выходы третьей четверти 45 длиньь регистра на интервале — — — через третьи

Т 3

2 4 логические входы четырехвходовых элементов

ИЛИ, начиная со второго логического элемента

ИЛИ 55 в группе 7 и 56 в группе 8, подключаются к управляющим входам ключеи групп Э,б и

3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах в направлении, совпадающем с подключением выходов регистра первой четверти его длины. Последний из серии импульсов третьей четверти длины регистра (соот- 55 ветствующий номеру К= — 1) через третьи логические

Ц входы элементов ИЛИ 43 в группе 8 подключен к управляющим входам последних ключей 45, 46 и 47, 48 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах. Ключи 45, 46 и 47, 60

48 распределяют отсчет сигнала по соответствующим весовым резисторам сумматоров в группах 24, 25, 26 и 27. На этом заканчиваются преобразования исследуемого сигнала на интервале X — y Т

Первый по порядковому номеру импульс четвертой. четвер ти длины регистра (соответствующий

ЗК

К= — 1, ) подводится через второй вход элемента

ИЛЙ 18 блока изменения знака 14 на противоположный 6 од триггера 20 и опрокидывает его.

Потенциал с его инверсного выхода, соответствующий уровню логической единицы, открывает ключ 21, а потенциал с:прямого выхода, соответствующии уровню логического нуля, закрывает ключ 22. На сигнальные входы ключей группы 5 для четных Частот синусного канала подводится сигнал положительной полярности с усилителя 23.

Этот же импульс подводится на противоположный вход триггера 10 блока изменения знака 9 и опрокидывает его. Потенциал с прямого выхода триггера 10, соответствующий уровню логического нуля, закрывает ключ 12, а потенциал с инверсного выхода, соответствующий уровню логической единицы, открывает ключ 11, и на сигнальные входы ключей Iðóïïû 4 нечетных частот косинусного канала подводится сигнал положительной полярности с усилителя 13, что условно совпадает с полярностью импульса прямого выхода триггера 10.

Первый, второй и все последующие выходы четвертой четверти длины регистра на интервале — -Т через четвертые логические входы элементов

ИЛИ, начиная с предпоследних логических элементов ИЛИ 53 в группе 7 и 54 в группе 8, подключаются к управляющим входам ключей групп 5,6 и

3,4 соответственно дпя четных и нечетных частот в синусном и косинуспом каналах в направлении, совпадающем с подключением выходов регистра второй четверти его длины. На этом заканчиваются преобразования сигнала на интервале -Т

Спектр на выходе сумматоров пропорционален сумме текущих спектров всех четырех частотных сумм.

Таким образом, для определения комплексного текущего спектра на интервале 0-Т используются весовые резисторы сумматоров, выбранные для одного четвертьволнового интервала преобразования. При этом в четыре раза уменьшается количество коммутируемых ключей устройства выборки мгновенных значений сигнала и количество весовых резисторов сумматоров, т.е. устраняется избыточность алгоритма дискретного преобразования Фурье.

Формула изобретения

Дискретно-аналоговый анализатор ортогональных составляющих спектра электрических содержащий последовательно соединенные генератор импульсов и устройство выборки мгновенных значений сигнала. выполненное в виде сдвигового регистра с ключами для четных и нечетных частот, подключенными к резисторам взвсшиваю553547 щих сумматоров в синусном и косинусном каналах, а также блоки. изменения знака, соединенные с сигнальными входами ключей устройства выборки мгновенных значений сйгнала, причем блоки изменения знака в синусном и косинусном каналах содержат ннвертирующие усилители, о тли ча ющийся тем, что, с целью повышения точности

I анализа, между выходами регистра и управляюшнми входами ключей включены развязывающие элементы, при этом выходы первой четверти длины регистра подключен ы к управляющим входам ключей через первые входы развязывающих элементов, выходы второй, третьей и четвертой четвертей длины регистра подключены к управляющим входам тех же ключей соответственно через вторые, третьи и четвер-, тые входы развязывающих элементов, а входы блоков изменения знака подключены к сдвигово му регистру.

2. Устройство поп.l,отличающееся тем, что развязывающие элементы выполнены в виде логических элементов ИЛИ .

3. Устройство поп.l,îòëè÷àþùååñÿ тем, что в блок изменения знака косинусного канала введены триггер и два ключа, при этом вход и выход инвертирующего усилителя блока изменения знака соединены с сигнальными входами ключей, управляющие входы которых подключены к выходу триггера; входы которого подключены к первым вы. ходам второй и четвертой четвертей длины регистра.

1р 4. Устройство по п. l, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в блок изменения знака синусного канала введены два триггера, два элемента ИЛИ, две пары. ключей, при этом вход и выход инвертирующего

l усилителя блока изменения знака соединены с

1б сигнальными входами ключей, управляющие входы которых подключены к выходам двух триггеров, причем входы одного из них подключены к первым выходам первой и третьей четвертей длины регистра, а входы второго триггера через элементы ИЛИ вЂ” к первым выходам первой и третьей, второй и четвертой четвертей длины регистра.