Устройство для дискретного преобразования фурье

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИ 4 ЕСНИХРЕСПУБЛИК 248 119) 111) С 06 Р 15/3 НИЯ И ЕТ ВТОРСНО 21) 6)2)Б.Ф ксеев,С.Соболев и Л. (53) (56) .прим лов,С еория ики сигна измеритель их частот. в ,15,рис. 1 я ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ 3815485/24-24 07. 10. 84 07.04,86, Бюл. У 13 К.П.Аверьянов, С.Г. еляев, М.М,Гельман, алкин, В.В.Вклистер .Голубчиков 681.32 (088,8) Рабинер Л., Гоулд Б нение цифровой обра М.: Мир, 1978.меляков В.В. Цифровааппаратура инфранизкЭнергия, 1975, с. 13(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ(57) Изобретение относится к анализаторам частотного спектра сигналов и может быть использовано для их спектрального представления в аппаратуреобработки данных. Целью изобретенияявляется повышение точности дискретного преобразования Фурье за счетувеличения верхней граничной частотыанализируемого спектра. Устройствосодержит блок выборки, управляемыйпотенциометр, генератор тригонометрических функций, операционный усилитель, четыре распределителя импульсов, две группы аналого-цифровыхпреобразователей, две группы блоковвыборки, два блока управления суммированием, два сумматора, два элемента задержки, два элемента И, элемент ИЛИ, триггер, формирователь импульса, регистр сдвига и генератортактовых импульсов. 4 ил.Изобретение относится к анализа- торам частотного спектра сигналов и может быть использовано для их спектрального представления в аппаратуре обработки данных.Цель изобретения - повышение точности дискретного преобразования Фурье за счет увеличения верхней граничной частоты анализируемого спектра.На фиг, 1 приведена схема устройства с одним К-м фильтром; на фиг.2 - схема генератора тригонометрических функций; на фиг. 3 - схема блока управления суммированием; на фиг. 4 - схема блока постоянной памяти генератора кодов. Устройство содержит информационный вход 1, блок 2 выборки, цифроаналоговый преобразователь 3, состоящий иэ цифроуправляемого резистора 4 и операционного усилителя 5 с масштабирующим резистором, блокии 7 выборки группы, генератор 8 тригонометрических функций с входами 9-11 и выходами 12-15, аналогоцифровые преобразователи (АЦП) 16 и 17 группы, генератор 18 тактовых импульсов, элемент И 19, регистр 20 сдвига с выходами 21 - 26 и входами 27 и 28, триггер 29, элементы 30 и 31 задержки, элемент ИЛИ 32, формирователь 33 импульса, элемент И 34, распределители 35 - 38 импульсов, блоки 39 и 40 управления суммирова-. нием, сумматоры 41 и 42, информационные выходы 43 и 44, вход 45 запуска, выход 46 сигнала конца формирования гармоник, распределитель 47, первый 48 и второй 49 блоки постоян ной памяти, триггер 50, элементы И 51, элементы ИЛИ 52, группа ключей 53,группа элементов 54 задержки, элементы И 55 первой группы, группа триггеров 56, группа триггеров 57 блокировки, элемент ИЛИ 58, группа элементов ИЛИ 59, элемент ИЛИ 60, триггер 61 знака, деблокирующий триггер 62, элементы И 63 второй группы, элементы И 64 третьей группы, ячейки 65 памяти кодов весовых функций, ячейки 66 памяти кодов знака, элементы И 67, элементы ИЛИ 68.Устройство определяет синусную и косинусную составляющие гармоник разложения измеряемой величины в дискретный ряд фурье в соответствии .с известными выражениями(3) 55 где К- сопротивление масштабируищего резистора; К - входное сопротивление ре зистора 4; где А и В - соответственно синуск кная и косинусная составляющие 1 -и гармоники;М - число выборок (дискрет);х - текущий номер выборки;Устройство работает следующимобразом,По внешнему сигналу запуска,поступившему на шину 45,устройствопереключается в исходное состояние,в котором открывается первый выход21 регистра 20, в распределителе 47генератора 8 на первом его выходеустанавливается единичное значениесигнала, а триггер 50 переключаетсяв состояние, при котором деблокируются элементы И 51 в цепях управления считыванием кодов первого блока48 постоянной памяти, в распределителях 35 - 38 (фиг. 1) деблокируются первые выходы, содержимое сумма 30 торов 41 и 42 становится нулевым, ав блоках 39 и 40 управления (см.черт. 3) в исходное состояние переключаются все триггеры. Внешний сигнал запуска с задержкой в элементе30 переключает триггер 29, которыйдеблокирует элемент И 19. Тактовыеимпульсы генератора 18 начинают поступать в регистр 20. Первый появившийся на входе регистра 20 тактовыйимпульс передается в блок 2 выборкии одновременно этим импульсом закрывается выход 21 и открывается выход 22, Тактовым импульсом строби.руется блок 2 выборки, и в этом блоке45 запоминается первое дискретное значение измеряемой величины х =хкоторое передается на вход преобразователя 3. НапряжениеО цна выходерезистора 4 определяется в соответ 50 ствии с выражением45 50 55 3 1 Ц в . напряжение на выходе блока 2Выхвыборки,М - число разрядов двоичногокода;Ь - значение 3-го разряда, равнонулю или единице.Можно записать, чтом= совьюннИз этого выражения следует, что Б , изменяется в соответствии со знам-г"чением кода -у я В данном слу.очае необходимо, чтобы Б было про- -Оьх порционально произведению текущего значения П на текущие значения весбвых функций зп нк и соз ",н и ф т.е. для д-й дискреты к -й гармоникиМ д Пх 20 к или , г - " =В О2 м 1М Вх3=0 Аналогично для второй составляющЕй и 20 К:соз . 513=0Из последних выражений для каждой из гармоник вычисляют значения кодов",синусоидальной и косинусоидальной весовых функций. Эти коды хранят в блоке постоянной памяти генератора 8.Таким образом, по мере поступления кодов из генератора 8 на выходе резистора 4 появляются напряжения,значения которых пропорциональны текущим произведениям дискретных значений измеряемой величины Х; на соответствующие значения весовых функций. В исходном состоянии генератор 8 выдает код, соответствующий первому значе+нию синусоидальной функции. Поэтому при появлении на выходе блока 2 выборки напряжения Х на выходе резистора 4 устанавливается напряжение, пропорциональное произведению Хна величину зпС поступлением второго тактового импульса с генератора 18 этот импульс через открытый к этому моменту времени второй выход 22 регистра 30 передается на вход распределителя 36 и далее через его первый де 5 10 15 20 25 30 35 40 блокированный выход на соответствующий вход блока 39 и одновременно на вход стробирования соответствующего блока 6 выборки. Тем са 1 ым в блоке выборки фиксируется выходное напряжение резистора 4, переданное через блок 5.Вторым тактовым импульсом в регистре 20 закрывается второй выход и открывается третий выход 23 этого блока. Третий тактовый импульс передается через открытый выход 23 регистра 20 на вход распределителя 35 и далее через его первый деблокированный выход запускает соответствующий АЦП 16. При этом кодируется выходное напряжение блока 6 выборки. Одновременно с запуском АЦП тактовый импульс с выхода 23 регистра 20 передается в генератор 8, на выходах 15 которого устанавливается код, соответствующий первому значению косинусоидальной функции. При этом аналоговые ключи резистора 4 переключаются и на его выходе устанавливается напряжение, пропорциональное произведению Х, на величину соз11 КмПосле установления этого напряжения и-й тактовый импульс передается через предварительно открытый выход 24 регистра 20 . на вход распределителя 38 и далее через его первый деблокированный выход на вход стробирования соответствующего блока 7 выборки. Интервал времени между третьим и и-м тактовыми импульсами обеспечивает задержку, необходимую для установления напряжения на выходе блока 5 после переключения резистора 4. Период этих импульсов задают в соответствии с временем установления выходного сигнала блока выборки,Одновременно со стробированием блока 7 выборки и-м тактовым импульсом закрывается выход 24 и открывается выход 25 регистра 20. Очередной (и+1)-й тактовый импульс передается через выход 25 .регистра 20 на вход распределителя 37 и далее через его первый деблокированный выход запускает соответствующий АЦП 17. При этом кодируется напряжение соответствующего блока 7 выборки, пропорциональное произведению Х на величину23 ТКсоз . Одновременно (и+1)-й тактомвый импульс передается в генератор 8, на выходах 5 которого устанавливается код, соответствующий второмузначению синусоидальной функции. По этому коду выходное сопротивление резистора 4 устанавливается пропорциональным величине ып2 ПК5С задержкой нй время переключе"чя резистора 4 регистр 20 на предварительно открытом выходе 26 выдает импульс, которым после необходимого формирования в элементе 33 регистр 10 20 переключается в исходное состояние (открыт его первый выход 21),. указанная задержка достигается аналогично задержке в появлении импульсов на выходах 23 и 24 регистра 20. 15 В каждом распределителе 35 - 38 прохождение соответствующего тактового импульса. сопровождается блокированием открытого выхода и деблокированием следующего. 20Таким образом, к началу следующего цикла оказываются деблокированными одноименные выходы (позиции) этих распределителей. Далее циклы получения дискретных значений Х;, их умножения на соответствующие значения весовых функций зп -и соягг,м й и коцирсвания этих произведений повторяются аналогично. Генератор 8 (фиг. 2) в кажцсм К -м фильтре содер жит два блока 48 и 49 постоянной памяти. В первом из них записаны коды, вычисленные по выражению (4), а во втором - вычисленные по выражению (5) для одной к -й гармоники. Коды в блок З 5 постоянной памяти записывают в виде (М+1)-разрядных слов (М разрядов кода плюс 1 разряд знака в каждом слове). Каждое слово хранится в группе (строке) из М одноразрядных ячеек 65 па мяти и одной такой ячейки 66 для знака, Для считывания кодов использованы строки элементов И 64, Слова из каждого блока памяти выбираются последовательно по сигналам распределите ля 47.В каждом цикле умножения текущего значения Х, из каждого блока памяти выбирают по одному соответствующему слову, сначала из блока 48 памяти 50 (з 1 п " ) по тактовому импульсу, поступившему на вход 10 генератора 8, а затем из блока 49 памяти по такто-,вому импульсу, поступившему на вход 11 генератора 8, Эти тактовые импуль- у сы переключают триггер 50. Таким образом сигналы с выхода распределителя 47 задают код, соответствующий 1-му значению обеих весовых функций, а триггером 50 выбирается сама весовая функция - синусная или косинусная. Количество кодов (слов) в каждом блоке постоянной памяти равно М.Широкополосчость блока 2 выборки измеряемой величины предопределяет достижимую верхнюю граничную частоту анализа и соответственно шаг д 1 дискретизации по времени измеряемого сигнала. Однако при этом шаг д т должен выбираться с учетом быстродействия всех элементов устройства, прежде всего АЦП и сумматоров.Предлагаемое техническое решение позволяет свести к минимуму зависимость шага дискретизации 6 от быстродействия АЦП и сумматоров. Это достигается применением группы последовательно запускаемых по времени АЦП с блоками выборки, количество которых в каждой группе можно выбирать из условияд - "+(б)где- время преобразования одного АЦП,- время передачи и суммирования в сумматоре кода одногоАЦП.Скобки в приведенном выражении указывают на то, что от суммы отбрасывают дробную часть. Однако следующий АЦП с блоком выборки запускается в группе через интервал времени 2 М, так как в одном цикле работы устроиства определя зтся значения двух составляющих К -й гармоники. Поэтому количество АЦП с блоками выборки в группе выбирают с учетом шага дискретизации, равного 2 ЬС. С увеличением времени преобразования одного АЦП увеличивают их количество в группе.Таким образом, каждый АЦП с блоком выборки запускается в группе через интервал времени й 2 М. АЦП кодируют произведения мгновенных значений Х; измеряемой величины на текущие значения весовых функций в соответствии с выражениями (1) и (2), а алгебраическое суммирование кодов этих произведений с учетом знака осуществляется сумматорами 41 и 42, Коды в сум7 1223маторы,передаются последовательно всоответствии с позицией АЦП черезблоки 39 и 40 управления.Блок управления (фиг. 3) работаетследующим образом. 5Сигналы кодов АЦП передаются всумматор через группу ключей 53, одноименные разряды которых объединеныэлементами ИЛИ 58 блока. Выходныешины кодов разрядов блока элементов 10ИЛИ 58 подсоединены к кодовому выходу блока управления, Коды в блок элементов ИЛИ 58 передаются только отодного АЦП.В исходном состоянии триггером 62, 15который управляется через соответствующие элементы 54 и 59 сигналом конца преобразования АЦП последней позиции в группе, деблокирован элемент И55 в цепи сигнала конца преобразования АЦП первой позиции в группе.Всеостальные элементы И 55 первой группы блокированы сигналами триггеров57, а элементы И 64 - сигналами триггеров 56 и 57. Триггер 61 в исходном 25состоянии выдает сигнал, соответствующий знаку "плюс. В исходное состояние указанные элементы переключаются по сигналу сброса устройства,который передается в блоке через 30элементы ИЛИ 59. По сигналу конца.преобразования АЦП первой позиции,переданному через деблокированныйтриггером 62 элемент И 55, выполня ется считывание и передача кода этого АЦП в сумматор и одновременно переключается триггер 62 и блокируетсяуказанный элемент И 55. Этот же сигнал, но с задержкой в элементе 54,необходимой для выполнения операций 40в сумматоре, переключает соответствующий триггер 57, который, в своюочередь деблокирует связанный с нимэлемент И 55 в цепи сигнала концапреобразования АЦП соседней позиции. 45По сигналу конца преобразования этогоАЦП выполняется считывание его выходного кода и передача этого кода всумматор. Далее процесс передачи кодов из АЦП в сумматор последовательно повторяется аналогично описанномус переключением триггеров 57 и блокированием элементов И 55,Триггеры 56 запоминают сигналы,соответствующие изменениям знака алгебраического суммирования кодов АЦП.Эти сигналы через элемент ИЛИ 60 переключают триггер 61. Каждый триггер 248 856 соответствует одноименной позиции АЦП. Запоминание сигнала изменения знака триггером 56 данной позиции происходит по совпадению в соответствующем элементе И 63 единичного сигнала смены знака на выходе 13 или 14 генератора 8 и единичного импульсного сигнала на выходе соответствующей позиции распределителей 36 и 38. Выходные сигналы триггеров 56 передаются через соответствующие элементы И 64, каждый из которых деблокируется только при считывании кода АЦП данной позиции соответствующим триггером 62 или 57. Формула изобретения Устройство для дискретного преобразования фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, выход которого подключен к тактовому входу регистра сдвига, второй вход первого элемента И подключен к выходу триггера, первый установочный вход которого подключен к выходу первого элемента задержки, вход которого является входом запуска устройства, генератор тригонометрических функций, вход запуска которого объединен с входом первого элемента задержки, выход первого разряда регистра сдвига подключен к входу синхронизации блока вы борки, информационный вход которого является информационным входом устройства, выходы третьего и пятого разрядов регистра сдвига подключены соответственно к входу выбора тригонометрической функции и входу номера гармоники генератора тригонометрических функций, о т л и ч а ю щ е е - с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены цифроаналовый преобразователь второй элемент И, второй элемент задержки, элемент ИЛИ, формирователь импульса, четыре распределителя импульсов, первая и вторая грунпы аналого-цифровых преобразователей, первая и вторая группы блоков выборки,. первый и второй блоки управления суммированием,первый и второй сумматоры, выходы которых являются соответственно первым и вторым информационными выходами устройства, причем выход блока выбор.Ф ки подключен к информационному входу, 9 1 цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к информационным входам блоков выборки первой и второй групп, выход третьего разряда регистра сдвига подключен к тактовому входу первого распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих аналого-цифровых преобразователей первой группы, выход вто; рого разряда регистра сдвига подключен к тактовому входу второго распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих блоков выборки первой группы, выход пятого разряда регистра сдвига подключен к первому входу второго элемента И и тактовому входу третьего распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих аналого-цифровых преобразователей второй группы, выход четвертого разряда регистра сдвига подключен к тактовому входу четвертого распределителя импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих блоков выборки второй группы, выход шестого разряда регистра сдвига подключен к входу формирователя импульса, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к установочному входу регистра сдвига, второй вход элемента ИЛИ объединен с входами обнуления первого и второго сумматоров, первого, второго, третьего и четвертого распределителей импульсов и является входом запуска устройства, выход окончания формирования гармоник генератора тригонометрических функций подключен к второму входу второго элемента И, выход которого подключен к второму установочному входу триггера и входу второго элемента задержки, выход которого является выходом окончания вычислений устройства, при этом блок управления суммированием содержит группу элементов задержки, группу ключей, первую и вторую группы триггеров, первую,вторую и третью группы элементов И, группу элементов ИЛИ, первый и второй триггеры, первый и второй элементы ИЛИ, причем выход д-го (д= =1,0-1) элемента задержки подключен к первому установочному входу 1-го триггера первой группы, выход которого подключен к первому входу (+1)223248 1 Ого элемента И первой группы и первому входу (1+1)-го элемента Итретьей группы, выход которого подключенк (д+1)-му входу второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входусинхронизации первого триггера, выход1-го (1=1,М) элемента И первой группы подключен к первому входу 1-го ключа группы н первому входу 1-го1 О элемента ИЛИ группы, выход которогоподключен к первому установочномувходу 1-го триггера второй группы,выход которого подключен к второмувходу 1-го элемента И третьей группы,выход 1-го элемента И второй группыподключен к второму установочномувходу 1-го триггера второй группы,выход Я+1)-го элемента ИЛИ группыподключен к второму установочномувходу 1-го триггера первой группы,выход 1-го ключа группы подключенк 1-му входу второго элемента ИЛИ,выход И-го элемента задержки группыподключен к первому входу (И+1)-гоэлемента ИЛИ группы, выход которогоподключен к первому установочномувходу второго триггера, выход которого подключен к первым входам первых элементов И третьей и второйгрупп, выход первого элемента И первой группы подключен к второму установочному входу второго триггера,выход окончания преобразования 1-гоаналого-цифрового преобразователяпервой группы подключен к входу 1-гоэлемента задержки группы и второмувходу 1-го элемента И первой группыпервого блока управления суммированием, выход окончания преобразования., ,1-го аналого-цифрового преобразователя второй группы подключенк входу 1 -го элемента задержки группы и второму входу 1-го элемента Ипервой группы второго блока управ.ления суммированием, информационные 45выходы л -х аналого-цифровых преобразователей первой и второй группподключены к вторым входам ключейгрупп соответственно первого и второго блоков управления суммированием, выходы первых элементов ИЛИкоторых подключены к первым входамсоответственно первого и второгосумматоров, выходы второго и третьего распределителей подключены к вторым входам соответствующих элементов И вторых групп соответственнопервого и второго блоков управления11 1223248 2ров которых подключены к вторым вхо" тановочные входы первых триггеров дам соответственно первого и второ- первого и второго блоков управления го сумматоров, выходы знаков синуса суммированием объединены и являются и косинуса генератора тригонометри- входом запуска устройства, а,выход ческих функций подключены к вторым 5 значений функций генератора тригоновходам элементов И вторых групп со- метрических функций подключен к ответственно первого и второго бло- входу задания опорного напряжения ков управления суммированием, а вто- цифроаналогового преобразовате - рые входы элементов ИЛИ групп и усля.1ПодписноСССР Тираж 671Государственного комитета лам изобретений и открытий Москва, Ж, Раушская наб.