Устройство для дискретного преобразования фурье

( 57) Изобретдискретногоможет быть ительной обра ДИСКРЕТНОГО ПР ВО ДЛЯУРЬЕние .ореобрпользотки носится к техникезования Фурье ивано для предваринформации в измеГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗО рительных системах различного назначения. Цель изобретения - повышение точности. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входит информационный вход 1, вход запуска 2, блок вычитания Э,блок управления 4 с входами и выходами 5-12, блок детектирования 13 с входами и выходами 14-19, умножители 20,21, генератор гармонических функций 22 с выходами 23,24, накапливающие сумматоры 25, 26, элемент задержки 27, триггер 28, элемент И 29, регистр кода 30,. цифроаналоговый преобразователь 31, делитель 32,аналогоцифровые преобразователи 33,34, выходы синусной и косинусной составляющих 35,36, выход синхронизации выдачи 37, выход окончания вычислений 38, 2 з.п.ф-лы, 3 ил.1 13615Изобретение относится к техникедискретного преобразования Фурье иможет быть использовано для предварительной обработки информации в изме 5рительных системах различного назначения,Целью изобретения является повышение точности преобразования за счетуменьшения динамического диапазонаизменения входного сигнала АЦП и блока умножения, путем центрирования идетектирования этого сигнала, а такжеза счет одновременного устранениявлияния дрейфа нулевого уровня всего 15устройства на конечный результат путем учета постоянной составляющей сигнала на его выходе.На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 - блок управления; 20на фиг.З - блок детектирования.Устройство содержит информационный вход 1, вход 2 запуска, блок 3вычитания, блок 4 управления с входа-,ми и выходами 5-12, блок 13 детекти 25рования с входами и выходами 14-19,умножители 20 и 21, генератор 22 гармонических функций с выходами 23и 24, накапливающие сумматоры 25 и 26,элемент 27 задержки, триггер 28, элемент И 29, регистр ЗО кода, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 31,делитель 32, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 33 и 34, выходы 35и 36 синусной и косинусной составляю- ЗО5щих, выход 37, синхронизации выдачии выход 38 окончания вичислений,Блок 4 управления ( фиг,2 ) содер- .жит элемент И 39, одновибратор 40,элемент И 41, триггер 42, генератор 43 тактовых импульсов, элементИЛИ 44, счетчик 45 номеров значенийвесовых функций, счетчик 46 номероввесовых функций, элемент 47 задержки, формирователь 48 импульсов и элемент ИЛИ 49,Блок 13 детектирования (фиг.З) содержит (аналоговый) переключатель 50(прямой и инверсный), операционныеусилители 51 и 52, узлы 53 и 54 срав-,50нения, состоящие из элемента 55,.элемента ИЛИ 56, элементов НЕ 57 и 58и. элемента И 59,и компаратор 60 (полярности входного сигнала),Устройство работает следующим образом.В исходном (статическом) состоянии, которое устройство принимаетпосле подачи питания, триггер 28 блоки 76 2рует элемент И 29, а триггер 42 блокирует элементы И 39 и 41. Цепи сбрса упомянутых триггеров на схемахне обозначены.Устройство начинает работать с пступлением сигнала запуска на вход 2,По этому сигналу переключается триггер 28, деблокируя соответствующийвход элемента И 29. Одновременно этосигнал запуска в блоке 4 управленияподтверждает исходное состояние триггера 42 и сбрасывает в нулевое состояние счетчики 45 и 46, После этого сзадержкой в элементе 47 переключается триггер 42, чем деблокируются элементы И 39 и 41.Выходные коды счетчиков 45 и 46блока 4 управления (выходы 6 и 7 блока) представляют собой адреса, покоторым в генераторе 22 гармоническихфункций выбираются соответствующиезначения дискрет весовых функций.Приэтом счетчик 46 формирует адрес ,номер) гармоники, а счетчик 45 - адреса(номера) дискретных значений синуспойи косинусной составляющих этой гармоники, Кодированные значения гармонических составляющих передаются в умно 1жители 20 (синусная составляющая)и 21 (косинусная составляющая).При сбросе счетчиков 45 и 46 блока 4 в нулевое состояние с выхода 24генератора 22 на умножитель 21 подается код нулевой дискреты косинуснойсоставляющей нулевой гармоники (постоянной составляющей), а на вход умножителя 20 с выхода 23 генератора 22подается нулевой код, На другие входы умножителей при этом поступает свыхода 15 блока 13 нецектрированныйпроцесс, детектируемый в блоке 13следующим образом, В зависимости отполярности сигнала на входе 14 блока 13 по сигналу компаратора 60 через переключатель 50 подается на выход 15 блока сигнал с операционногоусилителя 51, когда сигнал положительный, или с усилителя 52, когдасигнал на входе 14 блока отрицательный,Усилитель 51 является неинвертирующим, а усилитель 52 - инвертирующим.Поэтому на выходе 15 сигнал являетсявсегда однополярным. Благодаря инвертированию отрицательной части сигнала сжимается динамический диапазон,уровней этого сигнала с(-Пмакс.,+Бмркс.)до (О; +Омаи)з 136157Для учета знаков при перемножении мгновенных значений входного процесса и соответствующих дискретных значений весовых функций в блоке 13 ис 5 пользованы узлы 53 и 54 сравнения со - впадения знаков.На бдин из входов этих узлов поступает с компаратора 60 сигнал полярности процесса, а на другой из входов - знак весовой функции 10 из генератора 22 гармонических функций. При этомв узел 54 сравнения поступает знак синусной составляющей, а в узел 53 сравнения - косинусной. На выходе каждого узла сравнения сиг нал равен л 1 ", если знаки процесса и весовой функции совпадают, и нулю в противном случае, что обеспечивается логической схемой на элементах 55-59Определенные таким образом знаки 20 произведений мгновенных значений процесса и дискрет весовых функций, получаемых в умножителях 20 и 21, учитывают при суммировании этих произведений в накапливающих сумматорах 25 25 и 26 соответственно.Так как исходный нецентрированный процесс характеризуется широким динамическим диапазоном изменения сигналов, то на вход АЦП 34, определяю щего нулевую гармонику, подают масштабно преобразованный сигнал. Масштабное преобразование осуществляют умножением в умножителе 21 мгновенных значений сигнала нецентрированного процесса не на единичное дискретное значение нулевой гармоники, а на значениеменьшее единицы, записанное в генераторе 22 в соответствуг ющих ячейках. Это значение (коэффи циент масштабного преобразования) выбирают таким, чтобы максимальное значение нецентрированного процесса не вышло за допускаемый диапазон входных сигналов АЦП, 45С передачей первого тактового сигнала генератора 43 тактовых импульсов через деблокированный элемент И 41 запускаются оба АЦП 33 и 34 Запуск АЦП благодаря элементу 47 за держки в блоке, 4 задерживается относительно момента сброса счетчиков 45 и 46, на время, достаточное для выбора кодов весовых функций и установления сигналов на выходах умножите-,; лей 20 и 21.Коды с выхода АЦП 34 по сигнали конца преобразования суммируются в сумматоре 26. Частоту запуска АЦП и, тем самым, дискретизации процесса задают частотой генератора 43 в блоке 4 управления, Каждый сигнал конца преобразования АЦП 34 с временной задержкой в элементе 27, необходимой для суммирования кодов в сумматоре 26, передается через вход 10 блока 4 управления и деблокированный элемент И 39 этого блока на вход счетчика 45, При этом на кодовом выходе счетчика устанавливается код адреса очередного дискретного значения весовой функции. При определении нулевой гармоники дискретные значения косинусной составляющей весовой функции, как было отмечено, остаются постоянными.и равными выбранному масштабному коэффициенту, а коды синусной составляющей соответствуют нулю.По мере формирования тактовых сигналов и запусков АЦП происходит накопление содержимого счетчика 45,емкость которого равна числу дискрет весовых функций.С завершением цикла преобразования произведения текущего мгновенного значения процесса на последнее дискретное значение весовой функции гармоники, в данном случае нулевой, счетчик 45 переполняется и сигнал на его выходе,. подключенном к выходу 11 блока, становится единичным, Этот сигнал деблокирует по соответствующему входу элемент И 29.С завершением указанного цикла преобразования задержанный в элементе 27 сигнал конца этого цикла преобразования через деблокированный. элемент И 29 поступает на вход переписи регистра 30 и одновременно переключает триггер 28, нулевым выходным сигналом которого блокируется элемент И 29 на все последующее время, в течение которого определяются все остальные гармонические составляющие,Сумма кодов, соответствующих нулевой гармонике, с учетом смещения нулевого уровня устройства переписывается из сумматора 26 в регистр 30. Этот код в ЦАП 31 преобразуется в эквивалентное выражение, С выхода делителя 32 снимается напряжение, соответствующее постоянной составляющей и нормированное с учетом объема выборки. Масштабное преобразование входных сигналов АЦП 34 можно также учесть с помощью делителя 32 или (и) выбором коэффициента преобразования ЦАП 31.5 13615Выходное напряжение делителя 32 вычитается в блоке 3 вычитания из исходного процесса, который тем самым центрируется.Одновременно с переписью кода нулевой составляющей в регистр 30 сигналом элемента 27 счетчик 45 перепол" няется. С изменением сигнала на выходе этого счетчика суммируется едини ца в счетчике 46 с его содержимым; а также запускается одновибратор 40. Формируемый этим одновибратором сигнал определенной длительности (допускаемой для считывания кодов из сум матора) передается через выход 37 во внешнее устройство регистрации в качестве сигнала считывания содержимого накапливающих сумматоров 25 и 26. С завершением сигнала одновибратора 40 20 из заднего фронта этого сигнала формирователем 48 вырабатывается импульс, который через выход 8 блока управления передается в цепь сброса сумматора. 25С поступлением каждого выходного сигнала переполнения счетчика 45 в счетчик 46 на кодовом ВЪходе последнего формируются коды соответствующих номеров адресов ) гармоник, а счет- ЗО чик 45 переключается в исходное нулевое состояние. По кодам счетчиков 45 и 46 выбираются значения весовых функций и описанным выше образом определяются составляющие всех гармоник.Синусные составляющие считывают с выхода 35 накапливающего сумматора 25, в косинусные составляющие - с выхода 36 накапливающего сумматора 26. С переполнением счетчика 46 его выходным сигналом в исходное состояние переключается триггер 42 и тем самым блокируются элементы И 39 и 41, При этом блокируется передача тактовых сигна,лов и устройство прекращает свою Ра боту. Единичный сигнал триггера 42, переданный через выход 12 блока управления на выход 38 устройства является признаком окончания определения всех гармонических составляющих про цесса. Формула изобретения 1. УстРОЙство Для дискретного преобразования Фурье, содержащее блок управления, генератор гармонических функций, первый и второй накапливающий сумматоры, первый и второй анало 76его-цифровые преобразователи, первый и второй умножители, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы конца преобразований и информационные выходы которых подключены соответственно к тактовым входам и информационным входам соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых являются выводами соответственно еинусной и косинусной составляющих устройства, входом запуска которого является вход запуска блока управления, первый и второй выходы которого подключены к входам синхронизации выдачи соответственно синуса и косинуса генератора гармонических функций, выходы синуса и косинуса которого подключены к первым входам соответственно первого и второго умножителей, входы обнуления первого и второго накапливающих сум.-. маторов подключены к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого подключен к тактовым входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, пятый выход которого является выходом синхронизации выдачи устройства, выходом окончания вычислений которого является шестой выход блока управления, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены триггер, элемент И, элемент задержки, делитель, цифроаналоговый преобразователь, регистр кода, блок детектирования и блок вычитания, выход которого подключен к первому входу блока детектирования, информационный выход которого подключен к вторым входам первого и второго умножителей, выходы знаков синуса и косинуса генератора гармонических функций подключены соответственно к второму и третьему входам блока детектирования, первый и второй выходы признаков детектирования которого подключены к входам знака соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, седьмой выход блока управления подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен к тактовому входу регистра кода и первому установочному Входу триггера, выход которого подключен к второму входу элемента И, третий вход которого соединен с входом задания режима блока управления13 Г 15и подключен к выходу элемент задержки, вход которого подключен к выходу окончания преобразования второго цифроаналогового преобразователя, выход5 второго накапливающего сумматора подключен к информационному входу регистра кода, выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к вхо О ду делителя, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого является информационным входом устройства, вход запуска которого подключен к второму 15 тактовому входу триггера. 2, Устройство по п.1, о тл и - ч а ю щ е е с я тем, что блок детектирования содержит первый и второй узлы сравнения, переключатель, компаратор, первый и второй операционные усилители, выходы которых подключенысоответственно к первому и второму информационным входам переключателя, 25 управляющий вход которого соединен с первыми входами первого и второго узлбв сравнения, и подключены к выходу .компаратора, вход которого соединен с входами первого и второго операционных усилителей и является первым входом блока, вторым и третьим входами которого являются вторые входы соответственно первого и второго узлов 1 равнения, а выходы переключателя пер 35 вого и второго узлов сравнения являются соответственно информационным выходом и первым и вторым выходами признаков детектирования блока,76 83. Устройство по п.1, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит триггер, два элемента И, два элемента ИЛИ, два счетчика, элемент задержки, одновибратор, формирователь импульсов и генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого эле - мента И, второй вход которого соединен с первым входом второго элемента И и подключен к прямому выходу триггера, первый и второй установочные входы которого подключены соответственно к выходу элемента задержки и выходу первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с входом элемента задержки, входами обнуленияпервого и второго счетчиков и первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен со счетным входом первого счетчика и подключен к выходу переноса второго счетчика, счетный вход которого подключен к выходу второго элемента И, выходами блока управления с первого по седьмой являются соответственно информационные выходы второго и первого счетчиков, второго элемента ИЛИ, выход первого элемента И, выход одновибратора, инверсный триггер и счетный выход второго счетчика, а входом запуска и входом задания режима блока управления являются соответственно вход элемента задержки и второй вход второго элемента И.1361 576 Составитель А. Баранов Техред А.Кравчук Корр Редакто гренков Зимокосов аказ 6292/4 наб.,Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород, ул.Проектная,4 ВНИИПИ Г по дел 113035, Подписно та СССРтий Тираж 671ударственного комитизобретений и открсква, Ж, Раушска