Устройство для определения вариации сигналов

Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано при обработке сигналов сложной формы.Известен анализатор временных интервалов, предназначенный для им пульсного зондирования сигнала, т.е. определения интервалов времени, в течение котсрых сигнал находится в некоторых заранее установленных пределах по числу используемых уст ройств сравнения 1..Однако указанный анализатор временных интервалов не позволяет оценить вариацию измеряемого сигнала.Наиболее близким техническим ре шением к изобретению является устройство для цифрового измерения пространственного или временного положений и. крутизны фронтов элект-. рических сигналов, содержащее блок управления, счетчик времени измерения сигналов, компараторы, счетчик числа пересеченных уровней, входы которого соединены с выходами соответствующих компараторов, элемент И. Оно предназначено для цифрового измерения среднего времени от начала сигнала до достижения нескольких уровней напряжения и для измерения крутизны фронтов импульсов с помощью приближенного цифрового 30 дифференцирования на уровне сигнала, соответствующем среднему значению уровня напряжения. Устройство имеет несколько, пре- З 5 имущественно четыре, компараторов,на входы которых поданы измеряемый сигнал и пороговое напряжение,. соответствующее уровню сигнала, но раз- ное для ка лого ко"паратора В уст ройстве имеется также соответствующееколичество счетчиков пересеченных уровней. Их сбросовые входы соединены с выходами соответствующих компараторов, а выходы - каждый с элементом И, которые пропускают импульсы 45 тактирующегс устройства через элемент ИЛИ к счетчику для измерения временного, положения импульса. Выходы четырех компараторов соединены с двумя устройствами управления так, 50 что их прямые входы соединены с выходами первого и третьего компараторов, а их обратные входы - с выходами второго и четвертого компараторов. Выходы спусковых схем соединены каж дый с соответствующим элементов И. Эти элементы пропускают импульсы второго тактирующего устройства черезеще один элемент И к счетчику крутизны 21.60Недостаток описанного устройства - узкие функциональные возможности. Данное устройство предназначено для определения только усредненных временных интервалов достижения нескольких пороговых уровней напряженйй ивычисления дифференциала сигнала назаданном уровне и не позволяет оценить такие показатели сигнала, какполная и.локальная вариация.Целью изобретения является расширение функциональных возможностейустройства за счет измерения полнойи локальной вариации в заданной области определения сигналов.Указанная цель достигается тем,.что в устройство для определения вариации сигналов, содержащее элементИ, блок управления, вход которогоявляется входом устройства, а первый выход соединен с входом счетчика времени измерения сигналов, компараторы, выходы которых подключенысоответственно к входам счетчика числа перечисленных уровней, введеныдискриминатор, блок выделения моду-.ля, счетчики вариаций соответственно положительной и отрицательнойчастей, преобразователь код - напряжения и счетчик локальной вариации сигналов, выход которого является первым выходом устройства, информационный вход соединен с выходом элемента И, а вход сброса объединен с входами сброса счетчика числа пересеченных уровней и счетчиков вариации соответственно положительной и отрицательной частей иподключен к второму выходу блокауправления, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к входам дискриминатораи блока выделения модуля, выходыкоторых подключены соответственно к установочным и к информационным входам компараторов, эталонныевходы котрых объединены с первЫмвходом элемента И и подключены квыходу преобразователя код - напряжение, входы которого объединены соответственно с вторым и третьимвходамИ элемента И и подключены соответственно к первым выходам счетчика вариации положительной части исчетчика вариации отрицательнойчасти, счетные входы которых объединены к подключены к выходу счетчика числа пересеченных уровней,управляющие входы объединены и подключены к соответствующему выходублока управления, а вторые выходыявляются соответственно вторым итретьим выходами устройства, управляющие входы компараторов соединеныс соответствующими выходами блокауправления,На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройствами на Фиг. 2 - то же, блока управления, на фиг. 3 и 4 - графики, поясняющие ра-, боту устройстваСхема на фиг. 1 содержит блок 1 управления, один из входов которого1012271 является входом устройства,.а выходы соединены со счетчиком 2 времени измерений сигналов, дискриминатор 3, блок 4 выделения модуля, выйоды дискриминатора 3 и блока 4. подключены соответственно к установочным и информационным входам компараторов 5, 6 и 7, выходы которых соединены со счетными входами счетчика 8 пересеченных уровней, вы ход .счетчика 8 подключен к счетным входам счетчиков 9 и 10 вариации положительной части и вариации отрицательной .части, выходы которых соединены с двухканальным преобразовате лем 11. код - напряжение и через элемент И 12 со счетным входом счетчика 13 локальной вариации. Выход преобразователя 11 вход - напряжение подключен к одному из входов элемента И 12 и к эталонным входам компараторов 5, 6 и 7, сбросовые входы счетчиков 8, 9, 10 и 13 соединены с соответствующим выходом блока 1 управления. Блок 1 управления на фиг. 2 содержит группу 14 кнопок управления, один из выходов которой через генератор 15 имнульсов стабилизированной частоты и делитель 16 частоты соединен с коммутатором 17 задания временного интервала. Этот же выход генератора 15 подключен к блоку 3 и,генератору 18 импульсов опроса, выход которого через элементы И 19, 20 и 21 соединен .с компараторами 5, 6 и 7 (фиг. 1) и через элемент И 22 со счетчиком 2, второй выход группы 14 подключен через элемент И 23 и схе.му 24 выделения знака сигнала к управляющему триггеру 25, выход которого соединен со счетчиками 8, 9, 10 и 13 (,Фиг. 1) и с элементом И 26, другой вход элемента И 26 является входом блока управления, а выход элемента И 26 соединен с блоком 4 и выходами элементов И 19, 20 и 21.Традиционные методы анализа сигналов сложной форьы, такие как: Фурье-анализ интегрирование по методу прямоугольников, усреднение и т.п имеют значительные погрешности и тем большие, чем дальше форма сигнала отстоит от гладких, дифференцируемых функций. Наличие в реальных сигналах резких выбросов и пиков, отсутствие периодичности зачастую снижают эффективность математической обработки экспериментальных кривых.В то жевремя повышение точности существующих устройств обработки приводит к усложйению схемных реализа ций. В предлагаемом устройстве ис,пользован следующий подход, Измеряют вариацию сигналов, т.е. количество пересечений функцией заданного набора амплитудных уровней, Как, 6 45 правило, достаточно нескольких тысяч уровней, чтобы родственные поисточнику сигналы легко идентифицировались. Ниже будут приведены примеры реализации, различных по вариациямсигналов.В основу работы устройства положен .метод сравнительных оценок. В качестве образцовых уровней приняты синтезированные аналоговые сигналы,1 О Схема работает по принципу слежения за входным сигналом и позволяет измерять полную и локальную вариации сигналов в заданной облас-ти определения.15 Устройство работает следующимобразом.Перед подачей входного сигналавсе счетчики устанавливаются в состояние "Сбросф сигналом блока 1 управления, устанавливается максимальное значение временного интервалаизмеряемого сигнала счетчиком 2,вводится исходное значение в дискриминатор 3 (задатчик области определения сигнала) и в компараторы 5,6 и 7 вводятся требуемые эталонныеуровни, Формируемые преобразователем 11 код - напряжение. Например,для сигнала, изображенного на Фиг.3счетчик 2 содержит значение временного интервала (О-;50) с, дискриминатором 3 выделена область амплитуд напряжений (-10, 10)В, а преобразователем 11 определены уровни 35ВПолучение характеристик сигналаОпроисходит слецующим образом.При поступлении на вход измеряемого сигнала блок 1 управления 4 О в зависимости от знака сигналаформирует импульс, поступающий навходы начальной установки счетчиков 8, 9, 10 и 13. Блок 4 выделяет абсолютную величину входногосигнала, который поступает на ин-.формационные входы компараторов 5,6 и 7, после чего блок 1 управленияформирует импульс опроса компараторов. Три компаратора отмечаютпревосходство измеряемого сигналанад уровнями "1 ф, "2" ф 3" в положительной полуплоскости и формируют три импульса, соответствующих этим операциям. Импульсы поступают в счетчик 8 количества пересеченных уровней, Емкость счетчика выбирается равной трем, таккак принято троичное ступенчатоеслежение за сигналом. Импульсы сОвыхода счетчика 8 поступают навход счетчика 9 вариации положительной части сигнала, которыйфиксирует номер "2" и, воздействуяна преобразователь 11, поднимаетвсе три эталонные уровня сигналов5 компараторов на две ступени. Од"новременно с этим блок 1 управления формирует импульс, поступающий на вход обратного счета ( реверсивного) счетчика 2, уменьшая число, записанное в нем, на единицу, что означает окончание первого такта5 работы. Второй импульс опроса ком параторов фиксирует превышение текуцим значением сигнала второго уровня, счетчик 8 пересеченных уровней фиксирует цифру "2", а 10 счетчик 9 вариации положительной части 9 увеличивает счет на единицу и формирует сигнал, поступающий к преобразователю 11 код - напряжение, поднимающему эталонные 15 уровни компараторов на одну ступень и т.д, Работа устройства продол. жается как показано на фиг. 3 в со" ответствии со ступенчато-аппроксимированным сигналом. Все счетчики устройства снабжены регистраторами, фиксирующими измеряемые значения. Полная вариация сигнала определяется как сумма вариаций положительной и отрицательной частей входного5 сигнала.Для измерения локальной вариации сигнала осуществляется предварительная уставка для счетчика локальной вариации. Поступление импульсов на счетный вход счетчика локальной вариации происходит при совпадении сигналов от счетчика 9(10 ) положительной (отрицательной) вариации и преобразователя 11 код - напряжение 35Блок 1 управления ( фиг. 2) рабо" ,тает следующим образом.Переключателем группа 14 кнопок управления устанавливается на требуемый временной:интервал измерений 40 сигнала. По команде "Сетьф запускается генератор 15 импульсов ста;билизированной частоты с кварцевым резонатором, сигнал с выходакоторого поступает на делитель 16 частоты и далее на коммутатор 17 задания временного интервала, который формирует импульс останова счетчика 2 после отсчета количества импульсов, соответствующего заданному временному интервалу. Одновременно с генератором 15 запускаетсягенератор 18 импульсов опроса компараторов, генерирующий .импульсы,поступающие, на входы элементов И 1920 и 21, и Формируется управляющийсигнал к дискриминатору 3. По команде "Пускф элемент И 23 разрещет прохождение входного сигнала, потенциал с выхода которой поступает на вход управляющего триггера 25, формирующего сигнал начальной установки счетчиков 8, 9, 10 и 13. Одновременно с выхода управляющего триггера 25 поступает на элемент И 26 сигнал разрешающий прохождение входного сигнала Обх к блоку 4. С выхода элемента И 26 управляющий сигнал поступает к элементам И 19, 20 и 21, разрешая Прохождение импульсов опроса к компараторам 5, 6 и 7, сигналы опроса компараторов поступают к элементу И 22, формирующему импульс, подаваемый на вход обратного счета счетчика 2 после каждого опроса, уменьшая счет счетчика 2 на единицу после каждого такта работы.Итак, полные вариации положительной и отрицательной частей сигнала О .(с) на всем интервале с(0,50 )с . составляют 41 и 18 соответственно. Измерение вариаций сигналов О (с) и О (с) производится аналогично. Анализ процессов в смысле идентификации состоит в одновременном измерении параметров и сравнении их с. показателями образцового сигнала. Анализируя сигналы, показанные на фиг. 3 и 4, можно убедиться в наибольшей близости к образцовому сиг" нала О (с)таким образом, использование; дискриминатора 3 блока 4 выделения модуля, преобразователя 11 код - напряженйе, счетчиков 9, 10 и 13 локальной вариации и вариаций положительной и отрицательной частей сигналов, работа которых согласуется во времени блоком управленйя; позволяет получить оценку полной и локальной вариации сигйала, что существенно расширяет функциональные возможности устройства.роме того в предлагаемом уст;. ройстве отсутствует необходимость запоминания больших массивов данных,. а используемые в схеме счетчики являются основными узлами памяти и арифметическими устройствами. Устройство сравнительно просто в технической реализации, так как отсутствуют сложные множительные и делительные устройства, причем возможно измерение других характеристик сигналов, таких как главные экстремумы и .амплитудное значение сигнала..Заказ 276 113 илиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4 Тираж 704ИИПИ Государственногопо делам изобретений35, Москва, Ж, Рауш Подписноомитета СССРоткрытийкая наб., д.4/5