Адаптивное устройство для мажоритарного сглаживания сигналов

(51) Н 05 К БРЕТЕНИЯОПИСА ИЕ ИУ СВИДЕТ(71) Сибирский ордена ТрудовогоКрасного Знамени металлургическийинститут им. Серго Орджоникидзе(56) 1. Гильбо Е.П, и др. Обработкасигналов на основе упорядоченноговыбора, И., "Советское Радио",1975, с. 281-282, рис. 6.16,2, Авторское свидетельство СССРУ 706949, кл. Н 05 К 10/00, 1978..ДЛЯ МАЖОРИТАРНОГО СГЛАЖИВАНИЯ СИГНАЛОВ, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которого подключенк входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственнок выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматорасоединены с выходом первого сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства, дифференцирующий фильтр, вход которого соединен с выходом мажоритарного элемента, являющимся выходом устройства,и блок выделения модуля, входом подключенный к выходу дифференцирующегофильтра, а выходом - к входу первогоинвертора, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точности устройства при обработке нестаГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОВ ЕТЕНИЙ И ОТНЯТИИ ционарных сигналов, в него введеныалгебраический сумматор, первыйи второй нелинейные элементы, второйи третий сглаживающие фильтры, второй инвертор, первый и второй блокиделения, а также первый и второйблоки умножения, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и второго сумматоров,первые входы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого и второгоблоков деления, второй вход первогоблока умножения подключен к выходу первого инвертора, а второй входвторого блока умножения - к выходублока выделения модуля, вход делимого первого блока. деления подключенк выходу второго сглаживающегофильтра, соединенного также с входомделителя второго блока деления, входделимого второго блока деления подключен к входу делителя первого блокаделения и к выходу третьего сглаживающего фильтра, вход которого связанс выходом второго нелинейного элемента, входом подключенного к выходуалгебраического сумматора и входупервого нелинейного элемента, выходкоторого связан с входом второгоинвертора, выходом подключенного квходу второго сглаживающего фильтра,суммирующий вход алгебраИческогосумматора подключен к входу устройства, а вычитающий - к выходу перного сглаживающего фильтра.40 Изобретение относится к автомати.- ке и измерительной технике и может быть использовано в измерительных системах для обработки сигналов датчиков первичной информации.Известно устройство для сглаживания сигналов, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которо-. го подключен к входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматора соединены с выходом сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства 1.Недостаток устройства состоит в том, что при определенных характеристиках полезного сигнала (скорость изменения и амплитуда) возрастают ошибки преобразования, так как величина строба в известном устройстве все время остается постоянной, выставленной при настройке. Известно также адаптивное устройство для мажоритарного сглаживания сигналов, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которого подключен к входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматора соединены с выходом сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства, дифференцирующий фильтр, вход которого соединен с выходом мажоритарного элемента, являющимся выхоцом устройства, и блок выделения модуля, входом подключенный к выходу дифференцирующего фильтра, выход блока выделения модуля подключен к второму входу первого сумматора непосредственно и через инвертор к второму входу второго сумматора 2 .Недостаток известного устройства , состоит в том, что при нестационар-. ном, например, ступенчатом изменении входного сигнала ошибки его преобразования имеют большую величину, так как строб, имеющий переменную величину, формируется симметрично относительно сглаженного входного сигнала, а значения сглаженного входного сигнала располагаются несимметрично относительно фактических значений входного сигнала из-за инер 15 2 О 25 ЗО 35 45 5 О 55 ционности сглаживающего фильтра.За счет этого происходит "срезка"значений входного сигнала не содер.жащих выбросов, на границе строба,совпадающей по знаку с направлениемизменения сглаженного входногосигнала, и пропускание на выход устройства значений входного сигнала,содержащих выбросы, если знак ихотклонений от сглаженного сигнала противоположен направлению изменения сглаженного входного сигнала.Цель изобретения заключается в повышении точности устройства при обработке нестационарных сигналов.Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее мажоритарный элемент, первый вход которого подключен ко входу устройства, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, первые входы каждого сумматора соединены с выходом первого сглаживающего фильтра, вход которого подключен к входу устройства, дифференцирующий фильтр вход которого соединен с выхо"ом мажоритарного элемента, являющимся выходом устройства, и блок выделения модуля, входом подключенный к выходу дифференцирующего фильтра, а выходом - ко входу первого инвертора, дополнительно введены алгебраический сумматор, первый и второй нелинейные элементы, второй и третий сглаживающие фильтры, второй инвертор, первый и второй блоки деления, а также первый и второй блоки умножения, выходы которых соединены соответственно с вторьвчи входами первого и второго сумматоров, первые входы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого и второго блоков деления, второй вход первого блока умножения подключен к выходу первого инвертора, а второй вход второго блока умножения - к выходу блока выделения модуля, вход делимого первого блока деления подключен к выходу второго сглаживающего фильтра, соединенного также с входом делителя второго блока деления, вход делимого второго блока деления подключен к входу делителя первого блока деления и к выходу третьего сглаживающего фильтра, вход которого связан с выходом второго нелинейного эле3 1136 мента, входом подключенного к выходу. алгебраического сумматора и входу первого нелинейного элемента, выход которого связан с входом второго инвертора, выходом подключенного 5 к входу второго сглаживающего Фильтра, суммирующий вход алгебраического сумматора пОдключен ко входу устройства, а вычитающий - к выходу первого сглаживающего фильтра. 1 ОНа чертеже представлена блок-схема адаптивного устройства для мажоритарного сглаживания сигналов, .Устройство содержит первый сглаживающий фильтр 1, первый 2 и второй 15 3 сумматоры, мажоритарнь 1 й элемент 4, алгебраический сумматор 5, первый б и второй 7 нелинейные элементы, второй инвертор 8, второй 9 и третий 10 сглаживающие фильтры, первый 11 2 О и второй 12 блоки деления, первый 13 и второй 14 блоки умножения, первый инвертор 15, блок выделения модуля 16, дифференцирующий фильтр 17.Первый 1, второй 9 и третий 10 25 сглаживающие фильтры выполнены в виде интегрирующих усилителей, охваченных отрицательной обратной связью. Сумматоры 2 и 3 и алгебраический сумматор 5 выполнены на базе суммиру-ЗО ющих усилителей. Мажоритарный эле:мент 4 может быть реализован на базе диодно-транзисторных схем, Первый 15 и второй 8 инверторы представляют собой усилители перемены знака (инвертирующие усилители). Блок35 16 выделения модуля представляет собой выпрямитель, реализованный на усилителе и диодах. Нелинейные элементы 6 и 7 выполнены на диодах.49 Блоки 13 и 14 умножения и блоки 11 и 12 деления выполнены на базе диодных квадраторов, составленных из токовых диодных ячеек. Дифференцирующий фильтр 17 представляет собой45 схему дифференцирования, выполненную на базе операционного усилителя.Адаптивное устройство для мажоритарного сглаживания сигналов рабо,тает следующим образом.50 334 4гих входа мажоритарного элемента 4сигналы поступают с выходов первого2 и второго 3 сумматоров. На первыевходы первого 2 и второго 3 сумматоров поступают сигналы с выходапервого сглаживающего фильтра 1, ана их вторые входы - сигналы соответственно с выходов первого 13 и второго 14 блоков умножения.Выходной сигнал первого блока 13умножения формируется в результатеперемножения выходных сигналов первого блока 11 деления и первого инвертора 15. Выходной сигнал второгоблока 14 умножения формируется врезультате перемножения выходныхсигналов второго блока 12 деленияи блока 16 выделения модуля.Выходной сигнал первого блока 11деления формируется в результатеделения выходного сигнала второгосглаживающего фильтра 9 на выходнойсигнал третьего сглаживающего фильтра 10, а выходной сигнал второгоблока. 12 деления - в результате деления выходного сигнала третьегосглаживающего фильтра 10 на выходной сигйал второго сглаживающегоФильтра 9. Для этого сигнал с выхода второго сглаживающего фильтра 9поступает на вход делимого первогоблока 11 деления и на вход делителявторого блока деления 12, а сигналс выхода третьего сглаживающегофильтра 10 поступает на вход делимого второго блока 12 деления ина вход делителя первого блокаделения.Сигналы на выходе второго 9 итретьего 10 сглаживающих фильтровформируются следующим образом.В алгебраическом сумматоре 5из входного сигнала х Ц вычитаетсяего сглаженное в первом сглаживающем Фильтре 1 значение х (1) иехполученный при этом сигналЕф = К ВЩ- Х хИ) поступает на входыпервого 6 и второго 7 нелинейныхэлементов. Первый нелинейный элемент6 функционирует по законуВходной сигнал поступает на первый вход мажоритарного элемента 4, на вход первого сглаживающего Фильтра 1 и на суммирующий вход алгебраического сумматора 5, на вычитающий 55 вход которого поступает сглаженный входной сигнал с выхода первого сглаживающего фильтра 1, На два друЕ(%) при ЕЯ(О ,О при Е(11-О а второй нелинейный элемент 7 - позаконуЕ й) при Е(1) 0; ЕР 1 О при Е(10,ф= ,Ф: ,)г= фгИ 1 , Ф,где 1,Ц ,х 2- выходные сигналысоответственно первого 11 и второго.12 блоков деления.В первом блоке 13 умножения сигнал к И умножается на сигналЩпоступающий с выхода первого инвертора 15, Во втором блоке 14 умножения сигнал к 2 умножается насигнал Ф) , поступающий с выходаблока 16 выделения модуля. СигналыЩ ф и цЮ Формируются следуюцумобразом,40Выходной сигнал мажоритарногоэлемента 4 поступает на вход дифференцирующего фильтра 17, на выходекоторого Формируется сигнал, пропорциональный скорости изменениявыходного сигнала мажоритарногоэлемента 4. Полученный сигнал поступает на блок 16 выделения модуля,где формируется сигнал ц постоянной полярности, пропорциональныйскорости. изменения выходного сигналамажоритарного элемента 4. Сигналф поступает на вход первого инвертора 15, на выходе которого фор -мируется сигнал ц Й) , равный иовеличине ЯИ 1 , но обратной полярности. 55 Таким образом, нелинейный элемент 6 пропускает на выход только отрицательные, нелинейный элемент 7 - только положительные отклонения Ю сглаженного входного сигнала 5 ГвЩ от его Фактических значений 1 Щ . Выходной сигнал второго нелинейного элемента 7 Е (Ц поступа 2ет непосредственно на вход третьего сглаживающего фильтра 10, а на вход второго сглаживающего фильтра 9 через второй инвертор 8 поступает сигнал, равный по величине, но обратный по знаку сигналу Е Щ с выхода первого нелинейного элемента 6. 15 В фильтрах 9 и 10 сигналы Г,Я и Е 2(Ц сглаживаются. Здесь Е,) обозначено инвертированное значение сигнала Е 1 ф,,- Сигналы о сглаженных значениях 20 Е,Ц и Е 21 Ч с выходов второго 9 и третьего 10 сглаживающих фильтров поступают на входы первого 11 и второго 12 блоков деления, в которых выполняются операции вида 25 Выходные сигналы й х, В) 1,Ю Ц (Чпервого блока 13 умножения и Ь (Ц= 2Щ 11) второго блока 14 умножения поступают на вторые входыпервого 2 и второго 3 сумматоровсоответственно, на первые входы которых поступает сигнал с выходапервого сглаживающего фильтра 1, Впервом сумматоре 2 вычисляется оценка нижней границы стробах" Й=Кь,Ю+аХ 1 С),а во втором сумматоре 3 - оценкаверхней границы стробаМ= х,Юь , ц,Таким образом, на первый вход мажоритарного элемента 4 поступаетвходной сигнал устройства, а навторой и третий его входы поступаютсигналы, содержащие сглаженными входной сигнал, но смещенные отчосительно него по амплитуде в противоположные стороны на величины, определяемые значениями сигналов на выходе дифференцирующего фильтра 17и первого 9 и второго 10 сглаживающих фильтров. Сигналы, поступающиена второй и третий входы мажоритарного элемента 4, образуют строб,границы которого изменяются пропорционально сглаженным отклонениямвходного сигнала от его низкочастотной составляющей. Соответствующимвыбором и настройкой фильтров длясглаживания отклонений можно на ихвыходе получить такие сигналы,что на Участках данных с резким изменением тренда входного сигнала,когда выделяемая сглаживающим фильтром входного сигнала низкочастотнаясоставляющая проходит несимметрично относительно его фактических значений, строб с необходимой точностьюотслеживает несимметричные отклонения входного сигнала от его сглаженных значений.Тем самым использование новыхэлементов - алгебраического сумматора, нелинейных элементов, второгои третьего сглаживающих фильтров,блоков деления и умножения и второго инвертора - позволяет уменьшитьпогрешности прн обработке нестационарных сигналов.Технико-экономический эффект изобретения состоит в повышении точностисистем, в которых оно использовано.