Аналого-цифровой фурье-преобразователь

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социапистических

Республик (ii> 966886.,//» (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 22.12.80 (21) 3219636/18-21 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 15.10.82. бюллетень" ¹ 38

Дата опубликования описания 15.10.82 (И)М Кп з

Н 03 К 13/02

Государственный комитет

СССР но делаю изобретений и открытий (ЮДК 681.325 (088. 8) МЕС0ВШАЯ (72) Авторы изобретения

С.Г.,Алексеев, М.М.Гельман и С.A Ñoêîëîâà

7 Ф ЦДТЕ4Гиа- 7 9

ТРХИИЧВСЕАЯ

БИБЛИ ОТБьА (71) Заявитель (54 J АНАЛОГО-ЦИФРОВОИ ФУРЬЕ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к технике аналого-дискретного преобразования и может быть использовано в аппаратуре предварительной обработки информации на основе алгорит- . ма дискретного Фурье-преобразования в измерительных системах многоцелевого назначения.

Известен аналого-цифровой преобразователь (AUII) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), обеспечивающей выполнение арифметических операций и предназначенный для умножения двух величин и преобразования произведения в код. Устройство содержит блок управления, генератор пилообразного напряжения и компаратор, образующие ШИМ, частотный модулятор измеряемой величины, ключ и счетчик f1).

Недостатком известного устройства является ограниченность функционапьных возможностей.

Известен также аналого-цифровой .Фурье-преобразователь (АЦФП), содержащий первый широтно-импульсный модулятор, первый вход которого соединен с первым выходом блока управления, а выход - c сигнальным входом первого ключа, к управляющему входу которого подключен выход генератора опорной частоты, два счетчика, входы сброса которых соединены с вторым выходом блока управления, а счетные входы - соответственно с выходами второго и третьего ключей, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго частотных модуляторов, а сигнальные входы — с выходами второго и третьего широтно-импульсных модуляторов, входы управления которых соединены с третьим выходом блока управления (2g.

Однако известный преобразователь обладает низким быстродействием, так как в нем все операции выполняются последовательно во времени.

Цель изобретения — повышение быстродействия.

Поставленная mezz pi TH eT тем что в аналого-цифровой Фурье-преобразователь, содержащий первый широтноимпульсный модулятор, первый вход которого соединен с первым выходом

25 блока управления, а выход — c сиг- нальным входом первого ключа, к управляющему входу которого подключен выход генератора опорной частоты, два счетчика, входы сброса которых

30 соединены с вторым выходом блока уп966886

S = А + В к к Кр где

cos (— - — )

2® 1С 1

Wki sin (— г-)

Лк,В„,8„ равления, а счетные входы — соответственно с выходами второго и третьего ключей, управляюши входы которых соединены соответсть ..но с выходами первого и, второго частотных модуляторов, а сигнальные входы — с выхода- 5 ми второго и третьего широтно-импульсных модуляторов, входы управления которых соединены с третьим выходом блока управяения, введены блок выборк, генератор строб-им- 10 пульсов, два резистора, два блока

-преобразования кода в сопротивление), генератор .кодов обратных значений весовых функций, два интегратора, четвертый широтно-импульсный моду- 15 лятор, четвертый ключ и сумматор, вход которого подключен соответственно к выходам счетчиков, а вход сброса соединен с вторым выходом блока управления, к третьему, четвертому и пятому выходам которого подключены соответственно входы четвертого широтно-импульсного модулятора, генератора строб-импульсов, генератор кодов обратных функций, выходы которого соединены с входами преобразователей кода в сопротивление, выходы которых подключены к сигнальным входам первого и четвертого широтно- импульсных модуляторов и через резистор — с,выходом блока выборки, вход управления которого подсоединен к выходу генератора строб-импульсов, а информационный вход — к входной клемме, при этом выход четвертого широтно-импульсного модулятора сое- N динен с сигнальным входом четвертого ключа, упранляющий вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, причем выходы первого и четвертого ключей подсоединены к 40 входам первого и второго интеграторов соответственно, входы сброса которых подключены к третьему выходу блока управления, а выходы соответственно - к параллельно соединенным 45 сигнальным входам первого частотного и второго широтно-импульсного модуляторов и второго частотного и третьего широтно-импульсного модуляторов. 50

На чертеже представлена блок-схема предложенного АЦФП.

АЦФП содержит клемму измерительного входа 1, блок 2 выборки, генератор 3 сТроб-импульсов, первый частотный модулятор 4, первый широтноимпульсный модулятор (шИМ) 5; первый ключ 6, первый счетчик 7, первый 8 и второй 9 резисторы, второй 10 и третий 11 широтно-импульсные модуляторы, первый блок 12 и второй преобразователь 13 кода в ссятротивле- . ние, генератор 14 кодов обратных значений весовых функций, блок 15 управления, второй 16 и третий 17 клшчи, 65 генератор 18 опорной частоты, первый

19 и второй 20 интеграторы, второй частотный модулятор 21, четвертый широтно-импульсный модулятор 22, четвертый ключ 23, второй счетчик 24, сумматор 25.

Устройство обеспечивает представление исследуемых эргодических сигналов рядом Фурье, определение и кодирование их спектральных характеристик в соответствии с выражением

Ак = + .у х.cos(),k=1,+-1, 2 N 2kki N

j=4 1

2 g х.sin(), k=1,>-1.. н . 2®ki N к Я = номер дискретного значения выборки исследуемого сигнала

x(t);

М - объем выборки; — номер гармонической составляющей ряда

Фурье; аналитические представления ортогональных весовых функций

Фурье-преобразования, — действйтельная, мнимая и спектральная компоненты k-ой гармоники соответствен- но;

- нормирующий коэффициент.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу внешнего запуска, поступающему на вход блока 15 управления, последний осуществляет начальную установку соответствующих элементов, устройства и формирует серии

1,N тактовых импульсов (ТИ), необходиьмх дпя обеспечения синхронного дискретного представления в анало говой форме как исследуемого процесса x(t), так и весовых функций "Cos" и "sin" для k = 1, — 1 гармоник

Фурье-преобразования. Каждый i-й TH блока управления генератора 3 формирует строб-импульс, которым в блоке

2 выборки осуществляется считывание дискретного значения х исследуемого сигнала. Одновременно i .TH блока 15 управления генератора .14 формирует коды (c учетом знака) i-ых обратных значений весовых функций "1" — k-ой гармоники Фурье-преобразоsan

966886

Чи сло-импуль сные последов ательности с выходов ключей 16 и 17 преобразуются (с учетом знаков кода весовых функций) соответствующими интеграторами 19 и 20 в ступенчатые

2 йК1 напряжения, эквивалентные х.-cos(.и с . sin() соответственно. Прй

2 ki И

i N на выходах интеграторов 19 и

20 формируются напряжения, эквива-2%1с1 лентные величинам Е сов(†я †) и

1 х.sin(†) соответственно, т.е.

Kki

"Ф

N происходит формирование действитель,ной А и мнимой В< частей k-го комплексйого коэффидйента Фурье-преобразования. Условие i = М является ° признаком окончания:формирования компонент k-ro коэффициента Фурье, по которому блок управления производит .,запуск ШИМ 5 и ШИМ 22 без запуска

ШИМ 10 и ШИМ 11.

Формула изобретения.

Аналого-цифровой Фурье-преобразо45 ватель, содержащий первый широтноимпульсный модулятор, первый вход которого соединен с первым выходом блока управления, а выход — с сигнальным входом первого ключа, к

50 управляющему входу которого подключен выход генератора опорной частоты, два счетчика, входы сброса которых соединены с вторым выходом бло ка управления, а счетные входы - соответственно с выходами второго и

55.третьего ключей, управляющие входы

:которых соединены соответственно с выходами первого и второго частотных модуляторов, а сигнальные входы - с выходами второго и третьего широтно импульсных модуляторов, входы управления которых соединены с третьим выходом блока управления, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, введены, 65 блок выборки, генератор строб-импульвания, которые затем преобразуются блоками 12 и 13 в эквивалентные сопротивления. Поскольку блоки 12 и

13 с соответствующими резисторами

8 и 9 образуют делители напряжений с коэффициентом деления, определяемым блоком 14, то величины напряжений на выходах блоков 12 и 13 соот2tki ветствуют произведениям х-)cos()J

i и х. f sin()(соответственно.

21tk i

Указанные напряжения по сигналам блока управления 15 преобразуются соответствующими широтно-импульсными модуляторами 10 и 11 в эквивалентные указанным произведениям интервалы времени и одновременнов число-импульсные последовательности, получаете заполнением сформированных интервалов импульсами с выхчФ да генератора 18 опорной частоты;

Частотный модулятор 4 с ШИМ 5, ключом 6 и счетчиком 7 и частотный модулятор 21 с ШИМ 22, ключом 23 и счетчиком 24 осуществляют возведение в квадрат и кодирование выходных напряжений интеграторов 19 и 20, т.е. величин А и В соответственно. При этом на вйходах счетчиков 7 и 24 фор мируются коды величин A и В соф 7) ответственно, которые затем суммируются с учетом нормирующего коэффициента сумматором 25, кодовый вы2 ход которого является информационным выходом устройства, т,е. код на

2. этом выходе эквивалентен $„.

Одновременно блоком управления 15 вырабатывается разрешающий сигнал для считывания результата измерения

Ъ-ой гармоники спектра исследуемого сигнала x(t). После считывания кода

Б; потребителем (например, ЭВМ или устройством документирования) блок управления 15 устанавливает интег- . раторы 19 и 20, а также счетчики и сумматор в исходное состояние, переключает генератор 14 на формирование весовых функций текущей I(k+1)4

1 ) -ой гармоники исследуемого.

N сигнала, и работа устройства повторяется аналогично описанному выше до тех пор, пока К не станет равным

1, При выполнении этого условия N блок 15 управления вырабатывает сигнал конца преобразования.

20 Разрешающая способность спекртального анализа эргодических сигналов, выполняемого устройством, определяется задаваемой блоком управления частотой дискретизации исследуемого

25 сигнала и объемом выборки согласно условию

А

N где N — объем -выборки исследуемо. 30 го процесса x(t) „

F — частота дискретиз адни (квантование) исследуемого про9 цесса.

При этом погрешность кодирования

35 спектральных характеристик в основ- ном определяется разрядностью генератора кодов весовых функций, точ-, ностью,делителя напряжений и частотным разрешением ШИМ-интервалов.

966886

Составитель Г.Шаповал редактор Л.Веселовская Техред A-Бабинец . Корректор Н.Король

Заказ 7900/76 Тираж 959 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

173035, Москва, И-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4 сов, два Резистора два блока преобразования кода в сопротивление, генератор кодов обратных значений весовых функций, два интегратора, четвертый широтно-импульсный модулятор, четвертый ключ и сумматор, вход которо- 5 го подключен соответственно к выходам счетчиков, а вход сброса соединен с вторым выходом блока управления, к третьему, четвертому, и пятому выходам которого подключены соот- 3Q ветственно входы четвертого широтноимпульсного модулятора, генератора строб-импульсов и генератора кодов обратных функций, выход которого соединен с входами преобразователей кода в сопротивление, выходы которых подключены к сигнальным входам первого и четвертого широтно-импульсных модуляторов и через резистор — с выходом блока выборки, вход управления которого подсоединен к выходу генЕратора строб-импульсов, а информационный вход — к входной клемме, при этом выкод четвертого широт1 но-импульсного модулятора соединен с сигнальным входом четвертого ключа, управляющий вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, причем выходы первого и четвертого ключей подсоединены к входам первого и второго интеграторов соответственно, входы сброса которых подключены к третьему выходу блока управле-ния, а выходы соответственно — к параллельно соединенным сигнальными 1 входам первого частотного и второго широтно-импульсного модуляторов и второго частотного и третьего широтно-импульсного модуляторов °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Темников Ф.Е., Славинский В.Л.

Математические развертывающие системы. М., 1970, "Энергия", с.90-91, рис.5-3.

2. Смеляков В.В. Цифровая измерительная аппаратура инфранизких частот. M., "Энергия", 1975, с.12-13, рис.11 (прототип).