Анализатор аналоговых сигналов

Изобретение относится к цифровойвычислительной технике, а более. точно - к специализированным устройствам для цифровой обработки аналого 5вых сигналов, и может быть использовано при решении задач, связанных снеобходимостью автоматического обнаружения в процессе обработки аналогового сигнала его характерного фрагмента с заданной скоростью изменения, такие задачи возникают например,при построении систем медицинской итехнической диагностики, а такжесистем предварительной обработки 15сигналов датчиков технологическихпараметров, в частности сигнала датчика температуры охлаждающейся пробыжидкого металла в процессе его кристаллизации, 20Цель изобретения - расширение области применения анализатора.На фиг.1 показана схема анализатора на фиг.2 - схема генератора импульсов; на фиг.З - вариант построения компаратора кода; на фиг,4 - временные диаграммы, иллюстрирующиепринцип действия устройства.Анализатор содержит (фиг.1) схему1 сравнения, первый вход которой является входом устройства, реверсивный счетчик 2, цифроаналоговый преобразователь 3, генератор 4 импульсов,первый 5 и второй 6 счетчики времени, первый и второй компараторы 7 и8 кода, триггер 9, с первого по пятый элементы И 10 - 14, элемент ИЛИ15 и первый и второй элементы НЕ 16и 17,40Элемент 1 сравнения имеет два выхода, причем на первом выходе образуется сигнал логической единицы, если входной сигнал Х, поступающий на первый вход схемы 1 сравнения, 45 превышает компенсирующий сигнал Х (1), поступающий на второй вход схемы 1 сравнения, на величину, большую некоторого порога 6 а на втором выходе схемы 1 сравнения образуется сигнал логической единицы, если компенсирующий сигнал Хпревышает входной сигнал Х(с.) на величину, большую порога с , Если разность значений сигналов Хо(С) и55 Х (Т) по модулю не превышает порогкто на обоих выходах схемы 1 сравонения образуются сигналы логическогонуля. Генератор 4 импульсов имеет два выхода, на которых образуются две серии импульсов, разнесенных во времени одна относительно другой. Такой генератор может быть собран, например, по схеме, представленной на фиг.2. Генератор содержит несимметричный мультивибратор 18, триггер 19, элементы И 20 и 21, входы которых подключены к единичному и нулевому выходам триггера 19, и делитель 22 частоты. Выход мультивибратора 18 подключен к счетному входу триггера 19 и к входам элементов И 20 и 21. Выход элемента И 21 образует первый выход генератора 4 импулЬсов - выход синхронизирующих импульсов. Выход элемента И 20 подключен к входу делителя 22 частоты. Выход последнего образует второй выход генератора 4 импульсов - выход тактовых импульсов.Посредством компараторов 7 и 8 кода анализатор настраивается на обнаружение фрагмента с заданной скоростью Ч изменения сигнала, причем настройка компаратора 7 определяет максимальную скорость Ч изменемакс ния сигнала на фрагменте, подлежащем обнаружению, а настройка компаратора 8 определяет минимальную скорость Ч изменение сигнала на фрагменте, мннподлежащем обнаружению.На фиг.З показан вариант построения компараторов 7 и 8, подключенных к счетчику 6 времени. Компаратор содержит многовходовой элемент И 23 и узел 24 переключателей. При этом один вход многовходового элемента И 23 образует импульсный вход селектора, объединенный со счетным входом счетчика 6 времени, а каждый из. остальных входов элемента И 23 через соответствующий переключатель узла 24 подсоединен к соответствующему единичному или нулевому разряду счетчика 6 времени. При этом положения переключателей узла 24 компаратора 7 должны соответствовать двоичному коду числа М, связанному с требуемой максимальной скоростью Час (выраженной в единицах заданных приращений с, в секунду), а также с частотой Г поступления импульсов на вход счетчика б времени следующим соотношениемСолоН = ----1макс(2) 25 Так, например, если обрабатываемый сигнал Х(Т) представляет собой изменение напряжения во времени и порог Е, (шаг квантования по уровню) составляет О, 1 В, а требуемая скорость Ч составляет 0,05 В/с или, что то же самое, 0,5 Е, /с, то при частоте ГО=100 Гц в соответствии с (1) имеем И,=20 (двоичный код Я,= =10100). Следовательно, в данном случае переключатели третьего и пятого разрядов узла 24 должны быть подключены к единичным выходам соответствующих разрядов счетчика 6 времени, а остальные к нулевым.Аналогичным образом с помощью узла 24 переключателей компаратора 8 устанавливается код числа И, связанного с требуемой минимальной скоростью Чизменения обрабатываемого сигнала на выделяемом фрагменте и величинами Е 1 соотношением Устройство работает следующим образом,Перед началом цикла обработки сигнала Х(1) с помощью кнопки начальной установки (не показана) счетчики 5 и 6 времени устанавливаются вначальное (нулевое) состояние. Приэтом на выходах переполнения счетчиков 5 и 6 времени образуются управляющие сигналы логической единицы,а значит на выходе элемента И 14 -сигнал логического нуля. Этот сигнал,проходя через элемент НЕ 17; открывает элементы И 10 - 12.40После открывания элемента И 10тактовые импульсы с частотой следования Е с второго выхода генератора4 (выхода делителя 22) поступают насчетные входы счетчиков 5 и 6 време" 45ни. Синхронизирующие импульсы с частотой следования Г=0,5 2, где Г-частота следования импульсов мультивибратора 18 с первого выхода генератора 4 (фиг. 1), поступают на входыэлементов И 11 и 12. В этом случае,когда входной сигнал Х(й) превышаетаналоговый компенсирующий сигналХ к, поступающий с выхода цифроаналогового преобразователя 3 на второйвход схемы 1 сравнения на величину,большую порога Я (режим "недокомпенсация"), схема 1 сравнения сигна-.лами на своих выходах открывает эле 51 6мент И 11 и закрывает элемент И 12. При этом синхронизирующие импульсы через открытый элемент И 11 поступают на вход сложения реверсивного счетчика 2. В том же случае, когда аналоговый компенсирующий сигнал Х к(С) превышает входной сигнал Х на величину, большую порога Е (режим "перекомпенсация"), схема 1 сравнения сигналами на своих выходах открывает элемент И 12 и закрывает элемент И 11. При этом синхронизирующие импульсы поступают на вход вычитания реверсивного счетчика 2. Поступление импульсов на вход сложения или вычитания реверсивного счетчика 2 прекращается только в том случае, когда компенсирующий аналоговый сигнал Х будет равен входному сигналу Х(й) с точностью до + Е . Тем самым осуществляется следящее аналого-цифровое преобразование обрабатываемого сигнала Х в цифровой эквивалент - параллельный двоичный код, образуемыи в реверсивном счетчике 2, и реверсивный унитарный (числоимпульсный) код, представляющий собой последовательность синхронизированных во времени кодовых,импульсов К и К , образуемых в зависимости от знака приращения сигнала Х(С) на выходе элемента И 11 или И 12 при элементарных приращениях сигнала Х(С), превышающих порогВ процессе обработки аналогового сигнала Х кодовые импульсы К и+ К с выходов элементов И 11 и 12 поступают на установочные входы счетчика 6 времени и сбрасывают пос" ледний в нуль. При этом в зависимости от скорости Ч изменения сигнала интервалы времени д(Ч=1,2,) между моментами сброса в нуль счетчика 6 будут различными - при больших скоростях интервалы йС будут малыми, а при малых скоростях интервалы ь 1 будут большими.Рассмотрим работу устройства на примере обработки сигналов, представленных на фиг.4. На фиг.4 а представлен график изменения во времени сигнала Х(С), который характеризуется тем, что между моментами времени й и С наблюдается фрагмент сигнала, скорость Ч изменения которого больше заданной величины Ч . В данном случае интервалы а времени оказываются настолько малыми, что к момен 1520551ту очередного сброса в нуль счетчика 6 времени (фиг. 1) этот счетчик не успевает досчитать ни до числа 11 ни цо числа гг, определяемыми настройка 2 5 ми компараторов 8 и 7. В связи с этим триггер 9 в моменты формирования очередного кодового импульса К будет оставаться в начальном (нулевом) состоянии. Сигнал с нулевого выхода этого триггера, управляя элементом И 13, обеспечит прохождение очередного кодового импульса К ца вход начальной установки счетчика 5 времени. В результате между моментамии 2 каждый кодовый импульс К осуществляет сброс в нулевое состояние счетчика 5 времени и, проходя через элемент ИЛИ 15 ца нулевой вход триггера 9, своим задним фронтом подтверждает нулевое состояние этого триггера, Поэтому при обработке сигнала (фиг4 а) управляющий сигнал на выходе переполнения счетчика 5 времени не образуется. 25На фиг.4 б показан график изменения сигнала ХИ), который характеризуется тем, что между моментами инаблюдается Фрагмент сигнала, скорость Ч изменения которого меньше 30 заданной величины Ч , Вследствие такой малой скорости интервалы дг.времени между очередными сбросами в нуль счетчика 6 (фиг,1) становятся4такими, что к моменту очередного сброса счетчик 6 успевает уже досчитать вначале до числа Ь, а затем идо числа В. Как только в счетчике 6 образуется число И , то с приходом следующего по счету тактового импульса ца вход40 этого счетчика и входу компаратора 7 (вход элемента И .22, фиг.3) на выходе компаратора 7 (фиг.1) образуется импульс, который устанавливает триггер 9 в единичное состояние. Как45 только в счетчике 6 образуется число 112, то.с приходом следующего по счету тактового импульса ца вход этого счетчика и вход компаратора 8 ца выходе компаратора 8 образуется импульс, который, проходя через элемент ИЛИ 15, возвращает триггер в нулевое состояние. Таким образом, при обработке сигнала, показанного на фиг,4 б к моменту формирования очередного кодового импульса К триггер55 9 (фиг.1) находится в нулевом состоянии, а значит элемент И 13 будет открыт для прохождения этого импульса на установочный вход счетчика 5 времени. Поэтому и в данном случае управляющий сигнал на выходе переполнения счетчика 5 времени це образуется,На фиг.4 в показан график изменения сигнала Х(г:), которьгй характеризуется тем, что между моментамии С наблюдается фрагмент сигнала,скорость Ч изменения которого заключена в заданных пределах Ч(ЧмччкЧ . При такой скорости изменениямакссигнала интервалы М времени будуттакими, что к моменту прихода очередного кодового импульса К счетчик 6успевает досчитать до числа И цоне успевает досчитать до числа Ы 2.Следовательно, к моменту прихода очередного кодового импульса К компарйтор 7 уже успевает установить триг".гер 9 в единичное состояние, а компаратор 8 еще не срабатывает. В результате, начиная с момента времени С(фиг.4 в) при формировании очередного кодового импульса К триггер 9(фиг,1) находится в единичном состоянии и своим выходом блокирует элемент И 13. Поэтому очередной кодовыйимпульс К не проходит на установочный вход счетчика 5 времени и этотсчетчик продолжает подсчет времени(считает тактовые импульсы) от момента 5 ( фиг.4 в) начала фрагмента сзаданной скоростью изменения. Приэтом кодовый импульс К своим заднимфронтом, проходя через элемент ИЛИ 15(фиг. 1), возвращает триггер 9 в нулевое состояние, Если и в дальнейшемскорость Ч изменения сигнала остаетаданных пределах Чф ЧЧ, кто описанная ситуация будет повторяться: к моменту прихода очередного кодового импульса К триггер успеваетустанавливаться в единичное состояние и осуществляет блокировку сбросасчетчика 5 времени этим кодовым импульсом К , возвращаясь по заднемуфронту этого же импульса в нулевоесостояние, При этом в момент времени+счетчик 5 времейи перепол 5 Онится и на его выходе переполненияобразуется сигнал логйческого нуля.Указанный сигнал, проходя через элемент НЕ 16, формирует на первом входе элемента И 14 сигнал логическойединицы, Поскольку на второй вход этого элемента в данной ситуации поступает сигнал логической единицы с вы 152 О 551хода переполнения счетчика 6 времени, то иа выходе элемента И 14 (выходе устройства) образуется сигналлогической единицы, свидетельствующий об обнаружении на обрабатываемомсигнале Х фрагмента продолжительностью С), Г,с заданной скоростью изменения сигнала, Одновременно управляющий сигнал с выхода элемента И 14,проходя через элемент НЕ 11, блокирует элементы И 10 - 12, вследствиечего прекращается дальнейшее поступление тактовых импульсов на входысчетчиков 5 и 6 времени, а также прекращается дальнейшее формирование кодовых импульсов К и К при изменениях сигнала Х(С) до начала следующего цикла обработки сигналаЕсли в течение интервала времени 2 Омежду моментами с и .1: (фиг,4 в)скорость изменения сигнала Х(Т) станет меньше заданной величины Чили же больше заданной величиныЧ , то к моменту формированияочередного кодового импульса К триггер 9 (фиг. 1) окажется в нулевом состоянии, поскольку этот триггер либоне успеет установиться в единичноесостоянИе, так как при Ч 7 Чм несработает компаратор 7, либо приЧ(Чтриггер 9 уже будет сброшенв нуль сработавшим компаратором 8.Поэтому в данном случае к моментуприхода очередного кодового импульсаК элемент И 13 окажется открытым, азначит этот импульс осуществит сбросв начальное состояние счетчика 5 времени,40На фиг.4 г показан график изменения сигнала Х(С), который характеризуется тем, что в течение интервала времени между моментами 8 и1 оизменения сигнала не превышают порог 45 Е а значит в течение этого времени кодовые импульсы К" не образуются.Вполне понятно, что в данном случае в момент времени С =С + 7 на выходе переполнения счетчика 5 времени образуется сигнал логического нуля, который через инвертор 16 формирует сигнал логической единицы на входе элемента И 14. Однако в этот же момент времени С =С +на выходе перепол 8 "о 55 нения счетчика 6 времени образуется сигнал логического нуля, который, поступая на другой вход элемента И 14, предотвращает формирование на выходе устройства ложного управляющего сигнала прц отсутствии фрагмента сигна"ла с заданной скоростью изменения,Изобретение имеет ряд существенных преимуществ ио сравнению с известным устройством, В отличие от известного устройства изобретение позволяет в реальцом масштабе времени осуществить автоматическое обнаружениехарактерного фрагмента сигнала с задаццой скоростью изменения, ограниченной как снизу, так и сверху заданными величинами Ч и ЧмПримонэтом в течение действия фрагмента допускаются локальные выбросы сигналав пределах заданного порога Е,. Изобретение может найти широкое применение при решении прикладных задач вмедицинской и технической диагностике, а также при обработке сигналовдатчиков различных физических величин, В частности, предлагаемое устройство полезно при обработке сигнала датчика температуры охлаждающейсяпробы жидкого металла с целью автоматической сигнализации наступления режима заданной скорости кристаллизации металла, обеспечивающей получение отливок металла с требуемой микроструктурой,Формула изобретения Анализатор аналоговых сигналов, содержащий схему сравнения, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, генератор импульсов, первый, второй и третий элементы И, первый счетчик времени, счетный вход которого подключен к выходу первого элемента И, первые входы второго и третьего элементов И подключены к первому и второму выходам схемы сравнения, вторые входы второго и третьего элементов И подключены к первому выходу генератора импульсов, второй выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выходы второго и третьего элементов И подключены к входам сложения и вычитания реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выходом подключенного к первому входу схемы сравнения, второй вход которой является входом устройства, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения анализатора, в него введены второй счетчик времени, первый и1520551 12 10 15 второй компараторы кода, триггер,четвертый и пятый элементы И, дваэлемента НЕ и элемент ИЛИ, подключенный выходом к первому установочномувходу триггера, второй установочныйвход которого соединен с выходом первого компаратора кода, а выход - спервым входом четвертого элемента И,выход которого подключен к первомуустановочному входу первого счетчика времени, выход первого элементаИ подключен к счетному входу второгосчетчика времени и к синхровходампервого и второго компараторов кода,кодовые входы которых соединены ссоответствующими выходами данных второго счетчика времени, выход переполнения которого соединен с первым входом пятого элемента И, выход переполнения первого счетчика времени черезпервый элемент НЕ подключен к второму входу пятого элемента И, выход которого через второй элемент НЕ соединен с вторым входом первого элементаИ, с третьими входами второго итретьего элементов И и является выходом анализатора, выход третьего элемента И соединен с первым установочным входом второго счетчика времени,вторым входом четвертого элемента Ии с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходувторого компаратора кода, а выход второго элемента И подключен к вторымустановочным входам первого и второго счетчиков времени..Крав ренко оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарин ЗаказВНИИПИ ударственног 113035Составитель И.Але вТехред Л.Сердюкова Корре Тираж 668 Подписное омитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5