Устройство для анализа электрических сигналов

Союз Советских Социалистических РеспубпнкОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОУСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет С 0615/36 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВИзобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано при создании устройств распознавания, контроля, диагностики и оценки уровня подготовки человека-оператора.Известно устройство для анализа корреляционных функции электрограмм, содержащее квантователь случайного входного сигнала, схему определения знака сигнала, устроиство задержки, генератор импульсов сдвига, частотно-импульсный модулятор, утроитель импульсов, каскады совпадения и анти" совпадения знаков, счетчики импуль" 15 сов и логические схемы. Устройство работает по алгоритму Стильтеса, то есть определяет корреляционную функ" цию как среднее по времени значение произведения входного сигнала на 20 второй, квантованный по некоторомуколичеству уровнеи 1 1.Корреляционная функция является интегральной характеристикой случайного сигнала и содержит о сигнале 25 сжатую информацию, представленную также в виде кривой, поэтому дальнейшее ее применение в автоматических системах затруднительно. Кроме того, иногда необходимо провести детальный 30 внешнил анализ формы случайных сигналов, например выделение и подсчет .характерных составных колебательных движении на протяжении всего сигнала, то есть компонентный анализ электро- грамм, которого часто бывает достаточно для принятия решения, Для этой цели данное устройство, а также другие нам известные устройства для анализа сигналов не применимы.Наиболее близким к предложенному является устроиство, содержащее дифференцирующии блок, блок выделения модуля, счетчики, квантователь, элементы И 21.Однако это устройство относится к анализаторам распределения экстремумов и не позволяет производить компонентный анализ сигнала.В электрограмчах (особенно это касается электрограьм управляющих действий человека-оператора) можно выделить три составляющих: определяющие, корректирующие и фоновые движения.В электрограммах управляющих действий человека-оператора определяющие движения обычно называют управляющими движениями. Для выделения этих компонентов не применимы также и специализированные фильтры, так каккомпоненты сигнала могут иметь одина.ковые спектры частот.Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей устройства за счет компонентного разделениясигнала,Поставленная цель достигается тем,что в устройство для анализа электрических сигналов, содержащее блокдифференцирования, блок выделения модуля, входы которых объединены с первым входом блока квантования и являются входом устройства, второй входблока квантования соединен с выходомблока выделения модуля, выход блокадифференцирования через нуль-органс счетньм входом первого счетчика,введены второй счетчик, триггер, блокрегистрации, первый и второй блокключей, блок элементов И и блок Управления счетчиком, первый и второйвыходы которого подключены соответственно к входу уставки нуля первогосчетчика и к установочным входам первого счетчика, первый выход которогосоединен с первыми входами блока регистрации и первого блока ключей,второй выход гервого счетчика подключен к второму входу блока регистра-,ции и к первому входу блока управления счетчиком, третий вход блока регистрации подключен к выходу второгоблока ключей, выход второго счетчика соединен с вторым входом блокауправления счетчиком, с первым входомблока элементов И, с первым входомвторого блока ключей и с четвертымвходом блока регистрации, пятый входкоторого объединен с вторым входомпервого блока ключей и соединен с выходом блока элементов И, второй выход которого подключен к первому выходу блока управления счетчиком, вы. -ход триггера подключен к третьимвходам блока управления с летчиком иблока элементов И, первый выход блока квантования соединен с четвертымвходом блока управления счетчиком,с третьим входом первого блока ключей, с первым входом триггера и ссчетным входом второго счетчика,второй выход блока квантования соединен с входом установки для второгосчетчика, с вторым входом триггераи с вторым входом блока элементовИ, выход первого блока ключей соецинен с вторым входом второго блокаключей. Блок управления счетчиком содер" жит три элемента И и элемент ИЛИ,первые входы первого и второго элементов И оъединены и являются первым входом блока, первый вход элемента ИЛИ и второй вход первого элемента И объединены и являются вторым входом блока, третьим и четвертым входами которого являются второй вход второго элемента И и первый вход третьего элемента И, второй вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ, второйвход которого подключен к выходувторого элемента И, первым и вторымвыходами блока являются соответственно выходы третьего и первого элементов И.На фиг. 1 приведена структурнаясхема описываемого устройства (двойными линиями обозначены векторныесвязи между блоками). На фиг. 2пример анализа устройством типовогосигнала, где о.д. - определяющее движение, к.д. - корректирующее движениеф,д. - фоновое движение, "-1", "0","1", ,"5" - уровни квантования.Устройство для анализа электрических сигналов содержит блок 1 дифференцирования, нуль-орган 2, блок 3выделения модуля, блок 4 квантования, счетчики импульсов 5 и 6 (счетчик импульсов нечетных уровней),триггер 7, блок В управления счетчиком, блоки 9 и 10, ключей, блок 11элементов И и блок 12 регистрации.Устройство работает следующим образом.Входной сигнал поступает черезпервый вход блока 4 квантования на"-1", "0" и ф 1" каналы квантования,через блок 3 выделения модуля и второй вход - на остальные каналы блока4, а также через блок 1 дифференцирования и нуль-орган 2 нГ счетныйвход счетчика импульсов 5.В исходном положении все ключиустройства открыты, триггер 7 и всесчетчики обнулены,При колебании сигнала вокруг нулевого уровня квантования срабатываетнулевой канал блока 4 квантования,выходной импульс которого осуществляеттолько обнуление счетчика 6 н триггера 7. Входной сигнал поступает такжечерез блок 1 дифференцирования инуль"орган 2 иа счетный вход счетчика5, который подсчитывает все изменения знака производной, регистрируятаким образом число колебаний входного сигнала. После записи трех импульсов на первом выходе счетчика 5 появляется сигнал, который записываетединицу в счетчик корректирующих двидений блока 12 регистрации. Это сос"тояние сохраняется при поступлении насчетчик 5 четвертого и пятого импульсов. При записи шестого импульса навтором выходе счетчика 5 появляетсясигнал, который осуществляетблокировку блока 9 ключей, запись единицыв счетчик фоновых движений блока 12и ее вычитание в счетчике корректирующих движений, фиксируя таким образом, наличие только одного фоновогодвижения, В этом состоянии устройство остается до изменения характера(компоненты) входного сигнала. Аналогично работает устройство ив случаях колебания входного сигнала вокруг других только четных уровней квантования и или между уровнями.При дальнейшем пересечении сигналов первого уровня срабатывает первый канал блока 4 квантования, выходной импульс которого записывает единицу в счетчик б импульссв нечетныхуровней, поступает на счетный входтриггера 7 и через блок 8 управлениясчетчиком на вход обн,ления счетчика 5, через соответствующий ключ блока 9 ключей и блок 10 ключей поступает на счетный вход счетчика определяющих движений регистрирующего блока12, фиксируя появление определяюцегодвижения(если соответствующий ключблока 9 ключей закрыт, то этот им"пульс осуществляет только его разблокировку и всегда блокирует остальные ключи блока 9 ключей).Лналогнчно работает устройство,и при втором пересечении сигналомпервого уровня, записывая второй импульс в сч тчик определяющих движений блока 12 и в счетчик б.При третьем пересечении счетчик бнаполняется, его выходной сигналблокирует блок 10 ключей, после чего импульсы, начиная уже с третьегос выхода блока 4 квантования наблок 12 регистрации не проходят;списывает в счетчике определяющих движений блока 12 единицу, оставляя записанным только один импульс, фиксирующий наличие одного определяющего движения; поступает на третий вход блока 8 управления счетчиком,осуцеств-ляя; блокировку его первого выхода,после чего счетчик 5 уже не обнуляется последующими импульсами с блока4 квантования, и теперь все импульсы,,поступающие с нуль-органа 2 на счет"ный вход счетчика 5, регистрируются,установку счетчика 5 через второйвыход блока 8 управления счетчикомв положение записи трех единиц,учитывая таким образом,поступившие до,этого три импульса.Далее устройство рабОтает как, врассмотренном случае колебания сигна"ла вокруг нулевого уровня квантова"ния, фиксируя после шестого импульса наличие фонового движения. Приэтом раэблокировка блока 9 ключей,независимо от поступления на негопоследуюцих импульсов с блока 4 кван"тования, поддерживается сигналом свторого выхода счетчика 5 до его об"нуления.Таким образом, в данном случаерегистрируются одно определяюцее иодно фоновое движения,При пересечении сигналом второгоуровня обнуляются счетчик б и триггер 7. При троекратном пересечениисигналом третьего уровня устройствоработает как в рассмотренном случаеколебания сигнала вокруг первогоуровня и регистрирует одно корректирующее и одно определяющее движение,так как блок 9 ключей открыт сигналом предшествуюцего Фонового движения. При первом пересечении пятогоуровня определяющее движение не реги"стрируется, но соответствуюций ключблока 9 ключей открывается и поэ.ому при втори чном его пересечении регистрируется новое определяющее движение и, как обычно, блокируютсяостальные ключи блока 9 ключей. При 0 дальнейшем пересечении "3"-го,"1"-гои "-1"-го уровней определяющее движение уже не регистрируется, После"-1"-го уровня анализируется выпрямленный сигнал с помощью тех же ка налов блока 4 квантования. При колебании выпрямленного сигнала междувторым и третьим уровнями работаеттолько цепь, свяэывающая вход устройства через дифференцирующий блок и 20 нуль-орган со счетным входом счетчи 1ка 5, где регистрируются в данномслучае три импульса, а в блоке 12одно корректируюцее движение, Припервом пе.есечении третьего уровни 2 определяющее движение не регистрируется, а нри вторичном - регнстрируется и далее при пересечении "-1 ф-го,"1"-го и "3"-го уровней - не регистрируется. При вторичном пересечении З третьего уровня регистрируется определяюцее движение, но оно списывается при наполнении счетчика 6 притретьем пересечении уровня, а Фикси"руется через счетчик 5 корректирующее движение. Определяющее движениене регистрируется и при четвертом пересечении третьего уровня, хотя после этого началось новое определяющее движение, которое не зарегистрирует" ся и при пересечении первого уровня,40 так как соответствующий ключ 4 блока9 ключей заблокирован при пересечениитретьего уровня. Такие случаи могутвстречаться и при пересечении другихнечетных уровней четное число раэ, неравное двум, при этом обычно имеется сигнал на выходе счетчика импульсов нечетных уровней 6, имеется сигнал на выходе триггера 7, так как нечетный уровень пересекается четное число раз, пересекается соседний нечетный уровень.Для распознавания этих состояниислужит блок 11 элементов И, на входысхем совпадения которого заведеныукаэанные сигналы,зз Выходкой сигнал блока 11 записывает единицу в счетчик определяющихдвижений блока 12 регистрации, обну"ляет счетчик 5 и блокирует все ключиблока 9 ключей, кроме ключа, соответф ствуюцего тому нечетному уровню .квантования, вокруг которого происходилирассматриваемые колебания сигнала,Влокировка блока 9 ключей необходимапотому, что после возможного здесьЯ ФОНОВОГО ДВИженИЯ ОНИ будут открыты, 858001а зто может привести в ошибке в регистрации определяющих движений.Рассмотренный пример анализа устройством электрического сигнала полностью раскрывает назначение и работу всех его блоков, аналогично могут быть проанализированы и другие сигналы.Применение блока 3 выделения моду" ля позволяет обработку знакоперемен" ного сигнала свести к обработке однополярного сигнала, что способствует сокращению необходимого количества уровней квантования почти в два раза и, следовательно, объема аппаратуры.Блок 1 дифференцирования позволяет получить сигнал производной, необ ходимыи как сигнал, в котором (в отличие от входного сигнала, где колебания могут совершаться на разных уровнях) все колебания осуществляются относительно оси абсцисс. Поэтому 20 число изменений знака производной, то есть число переходов ее через нуль, равно числу колебаний входного сигнала. Это позволяет обеспечить инвариантность устройства к ординате 25 местоположения компонент анализируемого сигнала.Устройство осуществляет распознавание и подсчет компонент входного сигнала,а именно: опрецеляющих,корректирующих и фоновых движений.Описанное устройство, реализующее метод компонентного анализа, дополняет существующие средства анализа электрических сигналов и способствует повышению эффективности и полноты их анализа за счет использования информативных участков сигнала, При решении различных задач данное устройство может применяться или совместно с другими устройствами анали за сигналов, или самостоятельно.Например, при анализе управляющих действий оператора с помощью описанного устройства по процентному содержанию компонент можно судить о степени его 45 подготовки. формула изобретения501. Устройство для анализа электрических сигналов, содержащее блок дифференцирования, бпок выделения модуля, входы которых объединены с первым входом блока квантования И яв" ляются входом устройства, второй вход блока квантования соединен с выходом блока выделения модуля, выход блока дифференцирования через нуль- орган - с счетным входом первого счетчика, отличающееся 0 тем, что, с целью расширения функцио" нальных возможностей за счет покомпонентного разделения сигнала, в устройство введены второй счетчик,триггер, блок регистрации, первый и второй блоки ключей, блок элементов И иблок управления счетчиком, первыйи второй выходы которого подключенысоответственно к входу установки нуля первого счетчика и установочнымвходам первого счетчика, первый выход которого соединен с первыми входами блока регистрации и первогоблока ключей, второй выход первогосчетчика подключен к второму входублока регистрации и к первому входублока управления счетчиком, третийвход блока регистрации подключен квыхоцу второго блока ключей, выходвторого счетчика соединен с вторымвходом блока управления счетчиком,с первым входом блока элементов И,спервым входом второго блока ключейи с четвертым входом, блока регистрации, пятыи вход которого объединенс вторьм входом первого блока ключейи соединен с выходом блока элементовИ, второй выход которого подключенк первому выходу блокауправлениясчетчиком, выход триггера подключенк третьим входам блока управлениясчетчиком и блока элементов И, первый выход блока квантования соединенс четвертым входом блока управлениясчетчиком, с третьим входом первогоблока ключей, с первым входом триггера и с счетным входом второго счетчнка, второй выход блока квантованиясоединен с входом установки нулявторого счетчика, с вторым входомтриггера и с вторым входом блока элементов И, выход первого блока ключейсоединен с вторым входом второго блока ключей,2. Устройство по и. 1, о т с ич а ю щ е е с я тем, что блок управ"ления счетчиком содержит три элемента И и элемент ИЛИ, первые входы первого и второго элементов И объединены и являются первым входом блока,первый вход элемента ИЛИ и второйвход первого элемента И объединеныи являются вторым входом блока, третьим и четвертым входами которогоявляются второй вход второго элемента И и первый вход третьего элементаИ, второй вход которого подключен квыходу элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу второгоэлемента И, первым и вторым выходамиблока являются соответственно выходытретьего и первого элементов И.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 222022, кл. С Об Г 15/34, 1968.2. Мирскии Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных про"цессов, М., "Энергия", 1972, с.348,431 (прототип).858001 а.йкУ аФ.М а к.й а,д фийР Составитель В. ЖовинскийПоловка Техред М. Коштура Корректор Г. Решетник от Подписи аказ 7246/80 Тираж 745 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4 5 филиал П фПат ктная г, Ужгород, ул.