Дискретно-аналоговый анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов

О П И СА Й.И:е ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявле 1) М. Кл.е 601 В 23/1 присоединением заявки Гасударственный комнтеСовета Министров СССРпо делам изобретенийи открытий(54) ДИСКРЕТНО - АНАЛОГОВЫЙ АНАЛИЗАТОР ОРТОГОНАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЕКТРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 2 большая погрешность интегрирования, обусловленная наличием в обратной связи операционного усилителя инерционного звена вместо чисто ем. костного. Эти недостатки затрудняют пос-роение параллельного анализа спектра, работающего от общей схемы управления с интервалом дискретизации Ь т=, где йв - верхняя частота рабочегсЯадиапазона частот.Известно устройство аналогового определения ортогональной составляющей спектра фипитных сигналов, в котором каждый выход сдвигового регистра устройства выборки подключен к отдельному ключу. При этом количество взвешивающих каналов (весовых резисторов сумматоров и ком. мутируемых ключей устройства выборки) равно соответственно й и 2 й. нике, в частности заторам спектра; определения прео сигнала.Известны ана 5торых щзаторы спектра При и ктической реализации анализатора рой схеме получается большой избы. резисторов и коммутируемых анало. Это усложняет схему устройства, го габариты и снижает технологичения. спектра по втток весовых говых ключе увеличивает еность изготовлЦель изоб Изобретение относится к вычислительной тех к дискретно-аналоговым аналиможет быть использовано для браэования Фурье исследуемого отсутствуют в явном виде генерация весовых коэф.фициентов и перемножение их с выборочными отсчетами сигнала, Генерация синусных и косинусных коэффициентов (опорных сигналов) в 10 таких устройствах объединяется с,умножением в умножителях в виде единой резисторно-переклю.чающей системы, что ведет к упрощению устройства, расширению его динамического диапазона и повышению надежности. Быстродействие подоб ных устройств превосходит быстродействие самой быстродействующей цифровой вычислительной машины в 10 - 100 раз.Недостатком устройства является сложная зависимость получения синусоидального закона о 0 изменения весовых коэффициентов. Для задания очередного по порядковому номеру весового коэффициента, соответствующего моменту времени(К+1 ) сХ т, используется параллельное подключение двух, трех и более резисторов. Другой недостатокения - повышение точности ана 55354710 еО 25 30 40 Цель достигается тем, что в дискретно.анало. говом анализаторе ортогональных составляющих спектра электрическтгх сигналовсодержащем последовательно соединенные генератор импульсов и устройство выборки мгновенных значений сигна. ла, выполненное в виде сдвигового регистра с ключами для четных и нечетных частот, подключенными к резисторам взвешивающих сумматоров в синусном и косинусном канали, а также блоки изменения знака, соединенные с сигнальными входами ключей устройства выборки мгновенных зна. чений сигнала, причем блоки изменения знака в синусном и косинусном каналах содержат инвертирующне уситщтели, между выходами регистра и управляющими входами ключей включены развязывающие элементы; при этом выходы первой четверти длины регистра подключены к управ. ляющим входам ключей через первые входы раэвязьтвающих элементов, выходы второй, третьей и четвертой четвертей длины регистра подключены к управляющим входам тех же ключей соответствен. но через вторые, третъи и четвертые входы развя. зывающих элементов, а входы блоков изменения знака подключены к сдвиговому регистру, раз. вязьтвающие элементы выполнены в виде логичес. ких элементовИЛИ ,В блок изменения знака косинусного канала введены триггер и два ключа; вход и выход инвертирующего усилителя блока изменения знака соединены с сигнальными входами ключей, управ. ляющие входы которых подключены к выходу триггера, входы которого подключены к первым выходам второй и четвертой четвертей ддины ре. гистра, а в блок изменения знака а;нусного канала введены два триггера, два элемента ИЛИ , две пары ключей; вход и выход инвертирующего уси. лителя блока изменения знака соединены с сигнальными входами ключей, управляющие входы которых подключены к выходам двух триггеров, причем входы одного из них подключены к первым выходам первой и третьей четвертей длины оегнстра, а входы второго триггера через элементы ИЛИ - к первым выходам первой и третьей, второй и четвертой четвертей длины регистра,На чертеже изображена структурная электрическая схема устройства.Анализатор содержит устройство выборки мгновенных значений сигнала 1, в которое входят сдвиговый регистр 2, две группы ключей 3 и 4 соответственно для четных и нечетных частот в косинусном канале н две группы ключей 5 и 6 соответственно для четных и нечетных частот в синусном канале, группу развязывающих элементов 7 типа четырехвходовых логических элементов ИЛИ в синусном и группу развязывающих четырехвходовых логических элементов 8 типа ИЛИ в косинусном каналах, блок изменения знака 9 в косннусном канале, состоящий из триггера 10, клю.чей 1, 12 н инвертирующего уснпнтеля 13 с едн.юяным 1.оэффи 1 аентом передачи, блок изменения зька 14 в синусном канале, состоящий из триггера 15, ключей 16, 17, двухвходовых элементов ИЛИ18 и 19, триггера 20, ключей 21, 22 и инвертирующего усилителя 23 с единичным коэффициентомпередачи, Анализатор спектра содержит также груп-.пы сумматоров 24, 25 и 26, 27 соответственно длячетных и нечетных частот в синусном и косинусномканалах и генератор импульсов 28, управляющийработой регистра сдвига.Отсчеты коэффициентов Фурье для укороченноо до Т/4 интервала преобразования совпадают помодулю и отличаются только знаками. Поэтому дляработы анализатора спектра используются значениявесовьй коэффициентов только одной четвертиинтервала преобразования (О- - ) с соот.ветствунпцим изменением знака входного сигнала,Исследуемьй сигнал поступает на усилителиинверторы в синусном и косииусном каналах. Втечение первой четверти интервала преобразованияпервый по порядковому номеру импульс (соответствующий К-О) с регистра 2 поступает на один иэвходов триггера 15 блока изменения знака 14 си.нусного канала и с прямого выхода триггера 15 -на ключ 17, открывая его на время О-,.Исследуемый сигнал с усилителя 23 через открытьй ключ 17 поступает на сигнальные входыключей группы 6 для нечетных частот синусногоканала. Инверсньй выход триггера 15 закрываетключ 16, запрещая прохождение сигнала положи.тельной полярности с усилителя 23 на сигнальныевходы ключей группы 6.Первый импульс первой четверти регистра 2поступает также на первый вход первого по порядковому номеру четырехвходов ого логи ческогаэлемента ИЛИ 29 группы 7 и с его выхода - науправляющие входы ключей 30 и 31, открывая ихна время Ьт.Исследуемый сигнал с ключа 17 через открытыйключ 30 в виде выборочного отсчета проходит навход весовых резисторов сумматоров группы 25для нечетных частот синусного канала (например,на вход весового резистора 32 сумматора 33). Этотже импульс с регистра 2 через один из входовразвязывающего элемента ИЛИ 19 блока 14 проходит на триггер 20 и с его прямого выхода - наключ 22, открывая последний на время О- ,Сигнал с усилителя 23 через открытьй ключ 22проходит на сигнальные входы ключей группы 5 ичерез открытьй ключ 31 - на весовые резисторысумматоров группы 24 сннусного канала (например, на вход весового резистора 34 сумматора 35)Инверсньй выход триггера 20 поддерживает взакрытом состоянии на время 0 - ключ 1, итсигнал положигельной полярности йе проходит насигнальные входы ключей группы 5,Первый импульс регистра 2 через перный входпервого по порядковому номеру чеырсхняолпвогоэлемента ИЛИ 36 группы 8 в косинуспом каналепоступает на управляющие ыходы клюзй 37, 18 иоткрывает их. Исследуемый с 1 плял ппя ч.плылчастот в косинусюм канале поступает прямо на сигнальные входы ключей группы 3, и через откры. тый ключ 37 я виде отсчета сигнала - на весовые резисторы сумматоров группы 26 для четных частот (например, на вход весового резистора 39 суйма. тора 40).Для нечетных частот косинусного канала исследуемый сигнал в первой четверти интервала преобразования 0- через открытый ключ 11 проходит на сигнальные входы ключей группы 4. Ключ 11 открыт потому, что потенциал на ин. версном выходе триггера 10 соответствует уровню логической единице (поскольку на управляющие входы триггера 10 не поступает импульс с первой четверти регистра 2), а потенциал на прямом выходе соответствует уровню логического нуля. Следо. вательно, ключ 11 открыт, а ключ 12 - закрыт на интервале 0- - , Сигнал положительной полярности с усилителя 13 проходит на вход ключей группы 4 для нечетных частот и через открытый ключ 38 поступает на весовые резисторы сумматоров группы 27 для нечетных чаегот (например на вход весового резистора 41 сумматора 42).Второй, третий и все последующие импульсы с выхода первой четверти длины регистра нсполь зуются как импульсы дискретизации для взятия очередных по порядковым номерам выборочных отсчетов исследуемого сигнала как в синусном, так и в косинусном каналах. Последний из серии импульсов первой четверти длины регистра (соответствующий номеру К=71) через первые логиИческие входы последних элементов ИЛИ 43,44 в группах 7 и 8 проходит на управляющие входы последних ключей 45, 46 и 47, 48 в группах 5,6 и 3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном н косннусном каналах, ВыборочныейГ,значения сигнала для К=- 1 поступают через открытые ключи 45, 46 и 47, 48 на весовые резисторы сумматоров групп 24 и 25 (например, на весовой резистор 49 сумматора 35 н на резистор 50 сумматора 33), а также на весовые резисторы сумматоров групп 26 и 27 (налример, на резнс. тор 51 сумматора 40 н на резистор 52 сумматора 42.) На этом заканчивается первый четвертьволновой цикл работы анализатора,Таким образом, с приходом импульсов регистрасдвига на управляющие входы ключей устройства выборки отсчеты сигнала распределяются на весовые резисторы групп сумматоров 24, 25, 26 и 27 соответственно в синусном и косинусном каналах, причем знак весовых коэффициентов для каждого момента времени определяется номером безразмерной частоты временным ее отсчетом и читы. вается для интервала преобраэонання О. - полярТ постыл входного сигнала и подключением весовых резисторов соответственно к инвертируюшему илн неинвертнрующему входу операционных усилигелсй сумматоров. Полярность входного сигнала вдается блоками изченення знака н д.я нечетных и 5 10 1 Ь 20 25 30 35 40 45 четных частот синусного канала остается отрица.тельной на интервале О. - .ЧДля нечетных частот косинусного канала полярность входного свтнала положительная на интервалеТ0-, а для четных частот полярностьвходногосигнала остается положительной для всего интер.вала преобразования, поскольку косинусная волнадля четных частот симметрична относительно четвертьволновых точек. Знак косинусных весовыхкоэффициентов для четных частот учитываетсятолько подключением весовых резисторов к инвер.тирующему или неинвертнрующему входу опера.ционных усилителей сумматоров. Для частоты 2 гцзнак косннусных коэффициентов изменяется наинтервале 0- - от 1 переход через нульдо -1,ТНа интервале значения весовых коэффициентов-остаются те же, их знак изменяется, Следо.вательно, для четных частот в косннусномканале на интервале -на сигнальные входыт т2коммутируемых ключей группы 3 поступает сигналположительной полярности, как и на интервалеО- , а последовательность подключения весовыхрезисторов сумматоров к ключам устройства выборки изменяется.Первый по порядковому номеру выходнойимпульс второй четверти длины регистра (соответствующий К=) поступает на триггер 10 блокаИ9 и опрокидывает его, в результате на его прямомвыходе появляется импульс, соответствующийуровню логической единицы, а на инверсном выходе -уровню логического нуля. При этом ключ 12открывается, а ключ 11 закрывается. На сигнальныевходы ключей группы 4 (для нечетных частоткосинусного канала) с усилителя 13 поступает сиг.нал отрицательной полярности, что совпадает сполярностью импульса триггера 10 блока измене.ния знака 9.В синусном канапе полярность входного сигнала для нечетных частот на интервале" - остат .тется такой же как и для интервала О 4 а дляачетных частот первый импульс второй четвертидлины регистра (для К= ) через первый входМэлемента ИЛИ 18 подводится к триггеру 20 иопрокидывает его. На прямом выходе триггера 20появляется импульс, соответствующий уровнюлогнческогс нуля, на инверсном выходе - уровнюлогическойединицы, Ключ 22 закрывается, аключ 21 открывается, и сигнал положительнойполярности с усилителя 23 поступает на сигнальныевходы ключей группы 5 для четных частот синусно.го канала,Первый, второй и все последующие до (- .1)И2импульсы с выхода второй четверти длины регистраиспользуются как импульсы дискретизации длявыборочных отсчетов исследуемого сигнала как всинусном, так и в косичусном каналах, и на интервале - - - через вторые логические входы четырех.Т Тй 2входовых хыментов ИЛИ 53 в группе 7 и 54 - вгруппе 8, начиная с предпоследних элементов ИЛИподкпалаю 1 ся к управца нипим входам ключей7групп 5,6 и 3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах в направлении, противодоложном подключению выходов регистра первой четверти его длины, Последний из серии импульсов второй четверти длины регистра (соответствующий номеру К= ф -1) через вторые логические входы элементов ИЛИ 29 и 36 в группах 7 и 8 подключен к управляннцим входам первых ключей 31, 30 и 37, 38 в группах 5,6 и 3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах. Выборочные значения сигнала (для К= 1) поступают черезноткрытые ключи 31, 30 и 37, 38 на весовые резисторы сумматоров групп 24, 25 и 26, 27 (например, на резистор 34 сумматора 35 и на резистор 32 сумматора 33 в синусном канале, а также на резистор 39 сумматора 40 и на резистор 41 сум.матора 42). На этом заканчиваются преобразования сигнала на интервале --- , а на выходах сумт т2маторов дискретно-аналогового анализатора спектра в конце второй четверти интервала преобразования накапливается результат, пропорциональ.ный результату двух частных сумм, представляющийсобой текущий спектр для интервала анализа о- .Первый по порядковому номеру импульс третьей четверти длины регистра (соответствующий;ЧК= - ) подводится к противоположному входугтриггера 15 блока 14 в синусном канале и опрокидывает его. При этом ключ 7 закрывается, а потенциал, соответствующий уровню логической единицы на инверсном выходе триггера 15, открывает ключ 16, и на сигнальные входы ключей группы б дпя нечетных частот в синусном канале подводится сигнал положительной полярности с усилителя 23.Этот же импульс, поступающий со сдвигового реЬ 1гистра (для К= - ) через второй логический вход элемента ИЛИ 19 блока 14 опрокидывает триггер 20.Потенциал, соответствуюпяй уровню логической единицы, с его прямого выхода открывает ключ 22, 40 а потенциал инверсного выхода закрывает ключ 21.С усилителя 23 на сигнальные входы ключей группы 5 (для четных частот синусного канала) подводится сигнал отрицательной полярности. Первый, второй и все последующие выходы т 1 ретьей четверти 45 длиньь регистра на интервале --- через третьиТ 32логические входы четырехвходовых элементов ИЛИ, начиная со второго логического элемента ИЛИ 55 в группе 7 и 56 в группе 8, подключаются к управляющим входам ключеи групп Э,б и 3,4 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах в направлении, совпадающем с подключением выходов регистра первой четверти его длины. Последний из серии импульсов третьей четверти длины регистра (соот ветствующий номеру К= - 1) через третьи логические входы элементов ИЛИ 43 в группе 8 подключен к управляющим входам последних ключей 45, 46 и 47, 48 соответственно для четных и нечетных частот в синусном и косинусном каналах. Ключи 45, 46 и 47, 60 48 распределяют отсчет сигнала по соответствующим весовым резисторам сумматоров в группах 24,25, 26 и 27. На этом заканчиваются преобразованияисследуемого сигнала на интервале ХфТ2Первый по порядковому номеру импульс четвертой четвер ти длинырегистра (соответствующий3 МК= , ) подводится через второй вход элементаИЛЙ 18 пока изменения знака 14 на противоположный Йод триггера 20 и опрокидывает его.Потенциал с его инверсного выхода, соответствующий уровню логической единицы, открываетключ 21, а потенциал с:прямого выхода, соответствующий уровню логического нуля, закрываетключ 22. На сигнальные входы ключей группы 5для четных Частот синусного канала подводитсясигнал положительной полярности с усилителя 23.Этот же импульс подводится на противоположныйвход триггера 10 блока изменения знака 9 и опро.кидывает его. Потенциал с прямого выхода триг.гера 10, соответствующий уровню логическогонуля, закрывает ключ 12, а потенциал с инверсноговыхода, соответствующий уровню логической единицы, открывает ключ 11, и на сигнальные входыключей группы 4 нечетных частот косинусногоканала подводится сигнал положительной полярности с усилителя 13, что условно совпадает сполярностью импульса прямого выхода триггера 10.Первый, второй и все последующие выходычетвертой четверти длины регистра на интервале- -Т через четвертые логические входы элементовИЛИ, начиная с предпоследних логических элементов ИЛИ 53 в группе 7 и 54 в группе 8, подключаются к управляющим входам ключей групп 5,б и3,4 соответственно дпя четных и нечетных частот всинусном и косинуспом каналах в направлении,совпадающем с подключением выходов регистравторой четверти его длины. На этом заканчиваютсяпреобразования сигнала на интервале -ТСпектр на выходе сумматоров пропорционаленсумме текущих спектров всех четырех частотныхсумм,Таким образом, для определения комплексноготекущего спектра на интервале 0-Т используютсявесовые резисторы сумматоров, выбранные дляодного четвертьволнового интервала преобразования. При этом в четыре раза уменыиается количество коммутируемых ключей устройства выбор.ки мгновенных значений сигнала и количествовесовых резисторов сумматоров, т.е. устраняетсяизбыточность алгоритма дискретного преобразо.вания Фурье.Формула изобретенияДискретно-аналоговый анализатор ортогональных составляющих спектра электрическихсодержащий последовательно соединенныегенератор импульсов и устройство выборки мгно.венных значений сигнала, выполненное в виде сдвигового регистра с ключами для четных и нечетныхчастот, подключенными к резисторам взвсгпивающих сумматоров в синусном и косинусном каналах, а также блоки. изменения знака, соединенные с сигнальными входами ключей устройства выборки мгновенных значений сйгнала, причем блоки изменения знака в синусном и косинусном каналах содержат ннвертирующие усилители, о тли ча ющийся тем, что, с целью повышения точности анализа, между выходами регистра и управляюшнми входами ключей включены развязывающие элементы, при этом выходы первой четверти длины регистра подключен ы к управляющим входам клю. чей через первые входы развязывающих элементов, выходы второй, третьей и четвертой четвертей длины регистра подключены к управляющим входам тех же ключей соответственно через вторые, третьи и четвер-, тые входы развязывающих элементов, а входы блоков изменения знака подключены к сдвигово му ре. гистру.2, Устройствопоп,1,отличающееся тем, что развязывающие элементы выполнены в виде логических элементов ИЛИ . 3, Устройство поп,1,отличающееся тем, что в блок изменения знака косинусного канала введены триггер и два ключа, при этом вход и выход инвертирующего усилителя блока изменения знака соединены с сигнальными входами ключей, управляющие входы которых подключены к выходу триггера, входы которогоподключены к первым вы ходам второй и четвертой четвертей длины регистра. 10 4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что в блок изменения знака синусного канала введены два триггера, два элемента ИЛИ, две пары ключей, при этом вход и выход инвертирующего усилителя блока изменения знака соединены с 15 сигнальными входами ключей, управляющие входыкоторых подключены к выходам двух триггеров, причем входы одного из них подключены к первым выходам первой и третьей четвертей длины регистра, а входы второго триггера через элементы 20ИЛИ - к первым выходам первой и третьей,второй и четвертой четвертей длины регистра.