Устройство для вычисления коэффициентов фурье взаимного спектра

О П И С А Н И Е 11920739ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СсветсккхСоциалксткческнхРеспублик Ф(23) ПриоритетОпубликовано 15.04.82. Бюллетень14Дата опубликования описания 17.04.82 3 Ъоудорствениый комитет по делам изаоретеиий и открытии(72) Авторы изобретения Государственный научно-исследовательский институт машиноведения им. акад, А. А. Благонравова- ,-"А(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ФУРЬЕ ВЗАИМНОГО СПЕКТРА Изобретение относится к устройствам вычисления коэффициентов фурье взаимно-. го спектра и может быть использовано в аппаратуре синхронно-следящего спектрального анализа сигналов, обеспечивающей изучение динамических виброакустических характеристик машин и механизмов в стационарных и нестационарных режимах.Известно устройство для определения коэффициентов фурье взаимного спектра, содержащее первый и второй умножители, фазовращатель, первый и второй фильтры, аналого-цифровой преобразователь, ариф метико-логическое устройство, блок регистрации, управляемый переключатель и триггер, вход и выход которого соединены соответственно с выходом арифметикологического узла и управляющим входом управляемого переключателя, неподвижные контакты которого соеди.ены с выходами первого и второго фильтров, входы которых соединены с выходаМн.соответственно первого и второго умножителя,первые входы которых соединены с первым входом устройства, второй вход которого соединен с вторым входом первого умножителя и входом фазовращателя, выход которого соединен с вторым входом второго умножителя, переключающпй контакт управляемого переключателя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход и выход которого соединены соответствешю с выходом п входом арифметико-логнческого узла, выход которого соединен с входом блока регистрации Щ ,Недостатками этого устройства являются ограниченность функциональных возможностей, узкий динамический диапазон и низкая точность.Начболее близким к предложенному по техническому решению является устройство для вычисления коэффициентов фурье взаимного спектра, содержащееФпервый и второй усилители с регулируемым коэффициентом усиления, первый и второй аналоговые фильтры, первый ивторой аналого-цифровые преобразовате- ли, генератор кодов, четыре блока умножения, четыре перестраиваемых цифровых фильтра, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, арифметико-погический узел, блок цифроаналоговых преобразователей, интерфейсный блок, блок индикации, информационная шина которого соединена с информационными входами интерфейсно го блока, блока цифроаналоговых преобразователей и выходной шиной арифметикологического узла, шины данных которого соединены с постоянным запоминающим устройством и оперативным запоминаю шим устройством, информационные входы которого соединены с выходами перестра. иваемых цифровых фильтров, входы которых соединены с выходами блоков умножения, первые входы первого и второго 20 блоков умножения соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом первого аналогового фильтра, вход которого соединен с выходом первого усипи тепя с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с первым входом устройства, а управляющий вход первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с управ- ЗО пяющим входом второго усипитейя с регулируемым коэффициентом усиления и выходом арифметико-логического узла, второй вход устройства соединен с входом второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом второго аналогового фильтра, выход которого соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого блоков умножения, вторые входы первого и четвертого блоков генератора кодов, второй выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего блоков умножения 21. Йедостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, а именно невозможность работы в синхронном следящем режиме и возможность вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра в режиме перестройки по частоте с процентно-постоянной шириной полосы анализа, а также низкие динамические характеристики, что связано со сложностью перестройки по частоте, и сравнительно большой объем оборудования, что связано с необходимостью использования для его построения 39 фчетырех перестраиваемых цифровых фильтров,Цепь изобретения - упрощение устройства и расширение динамического диапазона.Поставленная цель достигается тем,очто в устройство для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра, содержащее первый и второй усилители срегулируемым коэффициентом усиления,блок задания коэффициента усиления, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй фильтры, блокобработки, группу цифроаналоговых преобразователей и блок индикации, входыкоторого объединены с входами цифроаналоговых преобразователей группы,входы блока обработки соединены с выходами первого и второго анапого-цифровых преобразователей, входы первого и второго фильтров соединены с выходами соответственно первого и второго усилителейс регулируемым коэффициентом усиления,управляющие входы которых соединеныс соответствующими выходами узла задания коэффициента усиления, а информационные входы первого и второго усилителейс регулируемым коэффициентом усилениясоединены с подвижными контактами соответственно первого и второго переключателей, размыкающие контакты которыхявляются соответственно первым и вторымвходами устройства, замыкающие контакты первого и второго переключателейсоединены с выходом генератора калибровочного сигнала, введены первый и второй модуляторы, третий и четвертыйаналого-цифровые преобразователи, блокпамяти весовой функции счетчик весовойфункции дешифратор, счетчик, делитель,формирователь прямоугольных импульсов,функциональный преобразователь, логарифматор, узел задания полосы, следящийумножитепь, частотометр и третий переключатель, размыкающий контакт которого соединен с третьим входом устройства, а замыкающий и переключающий коконтакты третьего переключателя соединены соответственно с выходом генератора калибровочного сигнала и входомформирователя црямоугопьных импульсов,выход которого соединен с входом следящего умножителя, а выход следящего умножителя соединен с входом частотометра,выход которого соединен с первыми входами цифроаналоговых преобразователейгруппы, вторые входы которых соединены с выходом логарифматора, вход которого соединен с первым выходом функцио9207 5 нального преобразователя, выходы которого соединены с третьими входами цифроаналоговых преобразователей группы,входы функционального преобразователя соединены с выходами блока обработки, входы которого соединены с выходами третьего и четвертого аналогоцифровых преобразователей, тактовыевходы которых объединены,с тактовымивходами первого и второго аналого-цифро вых преобразователей, входом счетчикаи подключены к выходу следящего умножи-.теля, первый выход счетчика соединенс входом делителя, управляющие входыкоторого соединены с выходами узлазадания полосы, а выход делителя соединен с входом счетчика весовой функции,выход которого соединен с входом блокапамяти весовой функции, выход которогосоединен с первыми входами первого и 20второго модуляторов, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров, выходпервого модулятора соединен с аналоговыми входами первого и второго аиало- Иго-цифровых преобразователей, выходвторого модулятора соединен с аналоговыми выходами третьего и четвертого аналогцифровых преобразователей, цифровые входы первого и третьего аналого- З 0цифровых преобразователей соединеныс первым выходом дешифратора, второйвыход которого соединен с цифровымивходами второго и четвертого аналогоцифровых преобразователей, а вход дешифратора соединен с вторым выходомсчетчика. Блок обработки содержит накапливающий сумматор, умножитель и узел усреднения, выходы которого являются выходами блока обработки, входами которого являются входы накапливаюшего сумматора, выходы которого соединены с входами умножителя, выходы которого соединены с входами узла усреднения.Следящий умножитель содержит первый и второй делители частоты, управляемый мультивибратор и узел сравнения частот, вход которого является входом0 следящего умножителя, выход которого является с выходом первого делителя частоты, управляющие входы которого являются входами задания кода знаменателя следящего умножителя, вход первого делителя частоты объединен с вхо-55 дом второго делителя частоты и соединен с выходом управляемого мультивибратора, вход которого соединен с пер 30 6вым входом узла сравнения частот, второй вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, управляющие входы которого являются входами задания кода числителя следящего умножителя.На чертеже представлена структурная схема устройства для вычисления коэффициентов фурье взаимного спектра. Устройство для вычисления коэффициентов фурье взаимного спектра содержит первый 1 и второй 2 усилители с регулируемым коэффициентом усиления, блок 3 задания коэффициента усиления, первый 4 и второй 5 аналого-цифровые преобразователи, первый 6 и второй 7 фильтры, блок 8 обработки, группа цифроаналоговых преобразователей 9 и блок 10 индикации, первый 11 и второй 12 модуляторы, третий 13 и четвертый 14 аналого-цифровые преобразователи, блок 15 памяти весовой функции, счетчик 16 весовой функции, дешифратор 17, счетчик 18, делитель 19, формирователь 20 прямоугольных импульсов, функциональный преобразователь 21, логарифматор 22, узел 23 задания полосы, следящий умно- житель 24, частотометр 25, входы блока 10 индикации соединены с входами цифроаналоговых преобразователей группы 9, входы блока 8 обработки соединены с выходами первого 4 и второго 5 аналогоцифровых преобразователей, входы пер вого 6 и второго 7 фильтров соединены с выходами соответственно первого 1 и второго 2 усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, управляющие входы которых соединены с блоком 3 задания коэффициента усиления, а информационные входы первого 1 и второго 2 усилителей с регулируемым коэффициентом усиления соединены с подвижными контактами первого 26 и второго 27 переключателей соответственно, контакты которых являются соответственно первым 28 и вторым 29 входами устройства для вычисления коэффициентов фурье взаимного спектра, контакты первого 26 и второго 27 переключателей соединены с выходом генератора 30 калибровочного сигнала и входом блока 20, выход которого соединен с входом следящего умножителя 24, вход следящего умножителя 24 соединен с входом частотометра 25, выход которого соединен с, дополнительными входою группы цифроаналоговых преобразователей 9, вход которого соединен с выходом логарифма7 920739тора 22, вход которого соединен с первым выходом функционального преобразователя 21, выходы которого соединеныс входами группы цифроаналоговых преобразователей 9, входы группы функциональпых преобразователей 21 соединеныс выходами блока 8 обработки, дополнительные входы которого соединены свыходами третьего 13 и четвертого 14аналого-цифровых преобразователей, такто-Овые входы которых соединены с тактовыми входами первого 4 и второго 5 аналого-цифровых преобразователей, входомсчетчика 18 и входом следящего умножителя 24, первый выход счетчика 18соединен с входом делителя 19, управляющие входы которого соединены свыходами узла 23 задания полосы, авыход делителя 19 соединен с входомСчетчика 16 весовой функции, выход кото рого соединен с входом блока 15 памяти весовой функции, выход которого соединен с первыми входами первого 11 ивторого 12 модуляторов, вторые входыкоторых соединены с выходами соответственно первого 6 и второго 7 фильтров,выход первого модулятора 11 соединенс аналоговыми входами первого 4 и второго 6 аналого-цифровых преобразователей, выход второго модулятора 12 соедицен с аналоговыми входами тр 4 тьего13 и четвертого 14 аналого-цифровыхпреобразователей, цифровые входы первого 4 и третьего 13 аналого-цифровыхпреобразователей соединены с первым 55выходом дешифратора 17, второй выходкоторого соединен с цифровыми входамивторого 5 и четвертого 14 аналого-цифровых преобразователей, а вход дешифратора 17 соединен с вторым выходомсчетчика, третий переключатель 31, вход32 пилот-сигнала устройства,6 цт п 40 45 50 55 Блок 8 обработки содержит накапливающий сумматор 33, умножитель 34 и узала 35 усреднения, выходы которого соединены с выходами блока 8 обработки, входы которого соединены с входами сумматора 33, выходы которого соединены с входами умножителя 34, выходы которого соединены с входами узла 35 усреднения.Следящий умножитель 24 содержит первый выход 36, первый 37 и второй 38 делители частоты, управляемый мультивибратор 39 и узел 40 сравнения частот, вход которого соединен с входом следующего умножителя 24, выход которого соединен с выходом первого делителя 37 частоты, управляющие входы которого соединены с входами 41 заданиякода знаменателя, вход первого делителя 37 частоты соединен с входом второго делителя 38 частоты и выходом управляемого мультивибратора 39, входокоторого соединен с входом узла 40 сравнения частот, вход которого соединен с выходом второго делителя 38 частоты, управляющие входы которого соединены с входами 42 задания кода числителя.Устройство для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра работает следующим образом.В режиме измерения переключатели 26, 27 и 31 находятся в исходно замкнутом состоянии, как это показано на чертеже.Переключение этих переключателей в другое состояние переводит устройство в режим контроля и калибровки. В режиме измерения исследуемые сигналы х Ц и у(В) подаются на входы 28 и 29 устройства соответственно. На вход 32 устройства подается пилот-сигнал, из которого формирователем 20 формируются импульсы стандартной формы с частотой пилот- сигнала 1 д, Эти импульсы подаются на вход следящего умножителя 24, который обеспечивает формирование на своем выходе импульсов с частотой где 6 и Ц - коды числителя и знаменателя, определяющие коэффициент умножителя. В качестве пилот-сигнала можетиспользоваться, например в случае последования вибрационных характеристик вращающихся объектов (турбин, редукторов),сигнал с датчика оборотной частоты, Таким образом частота,:на которой проводится анализ, будет определяться соотношением (1), т.е. всегда будет кратнойплит-сигнала, которой будет оборотнаячастота. Это обеспечивает возможностьавтоматической перестройки и работыв синхронно следящем режиме. Входныеусилители 1 и 2 обеспечивают требуемые входные характеристики устройствавходное сопротивление, чувствительностьи т,д. Кроме того, благодаря возможности дискретного управления их коэффициентом передачи с блоком задания коэффициентов усиления 3 обеспечиваетсявыбор соответствующего диапазона входных сигналов, что расширяет функцио 9207нальные возможности, так как обеспечивается как анализ слабых, так и больших входных сигналов. Сигналы с выходов усилителей 1 и 2 поступают на входы фильтров 6 и 7. Эти фильтры обеспечивают подавление тех составляющих входных сигналов, которые выходят за границы частотного диапазона устройства, что позволяет сузить требования к динамическому диапазону последующих О узлов или при тех же требованиях обеспечить большую разрешающую способность. сигналы л(т)и 111 с выхолов фильтров 6 и 7 поступают на входы модуляторов 11 и 12, на вторые входы которых подается сигнал весовой функции И И), Сигнал весовой функции И генерируется блоком 15 памяти весовой функции, который преобразует поступающие на его вход коды с выхода счетчика 16 весовой функции в аналоговый сигнал весовой функции. Период весовой функции 1,т.) таким образом будет определяться частотой импульсов, поступающих на вход счетчика 16 весовой функции,25 т.е, в конечном счете частотой пилот-сигнала и кодом, задаваемым узлом 23 задания полосы, который управляет коэффициентом деления частоты делителя 19, на вход которого подаются импульсы с выхода счетчика 18, который запускается импульсами с выхода следящего умножителя 24. Модуляторы 11 и 12 таким образом обеспечивают умножение входных сигналов ХЬ) и Ц(1) на весо 35 вую функцию Ь), которая определяется частотой пилот-сигнала и кодом на выходе узла 23 задания полосы. Изменение кода на выходе этого узла, который в простейшем случае представляет собой пере 4 а ключатель, обеспечивает изменение полосы частот анализа, для которой проводит определение коэффициентов Фурье взаимного спектра, Коды с выхода счетчика 18 поступают также на вход дешифрато 5 ра 17, который обеспечивает формирование на его выходах кодов, аппроксимирующих синусный и косинусный сигналы с частотой, равной частоте, на.которой определяются коэффициенты Фурье взаим 50 ного спектра и которая определяется произведением частоты пилот:сигнала 1 и на коэффициенты Кг и К з в соответствии с выражением (1) с точностью до коэффициента, определяемого дискретностью выборок в течение одного периода ука 55 занной частоты анализа о . Коды с выходов дешифратора 17 подаются на цифровые входы аналого-цифровых пре 39 10образователей 4, 5, 13 и 14, на аналоговые входы которых подаются сигналы 11) 11 ф и 11(1) (И. Таким образом, аналого-цифровые преобразователи 4, 5, 13 и 14 обеспечивают получение на своих выходах дискретных представлений выборок сигналов соответственно: ЬЮВ) зщИГа 1Далее эти дискретные представления поступают на входы блока обработки 8, в котором обеспечивается их усреднение по времени с помошью сумматора-накопителя, что эквивалентно интегрированию во времени, т.е. получениетХ а:Х 1) Б и ЫаАСЫотЦа=5 ЬИ) У(Ф) Б 1 ПоЭГОЫо ОтХб =5 И ХЕВБйЬтБ -ц Ж СОЗ йЪ Иффициенты 3 А и 3 попарно перемножаются и суммпруются в соответствии с выражениемв умножителе 34О. АБ = Х а Б - Х в ЦДв результате чего получаются оценки коэффициентов Фурье взаимного спектра АРАБ и О,ЛБ, которые усредняются по множеству реализаций узлом 35 усреднения. Таким образом, на выходе блока 8 обработки формируются коэффициенты, характеризующие действительную и мнимую часть коэффициентов Фурье взаимного спектра, Эти коэффициенты поступают на функциональный преобразователь 21, который обеспечивает преобразование их. в коды, соответствующие модулю ифазе взаимного спектра в соответствии с соотношениямии1 Оив 1 Тьв вт ЙьиО. АБ АБ О СЙ ЛБ9207Коды с выходов функционального преобразователя поступают на входы блока 10 индикации и группы цифроаналоговых преобразователей 9, которые обеспечивают формирование на своих выхо вдах аналоговых представлений коэффициентов фурье взаимного спектра, которые могут использоваться для управления самописцами, что позволяет получить графические представления амплитудно ф частотной и фазо-частотной характеристик взаимного спектра исследуемого объекта. Логарифматор 22 служит для получения оценки модуля взаимного спектра в логарифмическом масштабе, 1Предложенное устройство для определения коэффициентов Фурье взаимного спектра сигналов может быть использовано при построении анализирующей специализированной и универсальной аппаратуры, обеспечивающей оценку коэффициентов фурье взаимного спектра, в также модуля и фазы взаимного спектра в условиях большого уровня помех в синхронно следящем режиме в широком динамическом диапазоне.Формула изобретения1Устройство для вычисления коэффициентов Фурье взаимного спектра, содержащее первый и второй усилители с регулируемым коэффициентом усиления, блок задания коэффициентов усиления, первый И и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй фильтры, блок обработки, группу цифроаналоговых преобразователей и блок индикации, входы49 которого объединены с входами цифроаналоговых преобразователей группы, входы блока обработки соединены с выходами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, входы первого и4% вторрго фильтров соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами узла задания коэффициента усиления, а информационные, входы первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления соединены с подвижными контактами соответственно первого и второго переключателей, размыкающие контакты которых являются соответственно первым и вторым входами устройства, замыкающие. контакты первого и второго 39 12переключателей соединены с выходом генератора калибровочного сигнала, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и расширения динамического диапазона, в него введены первый и второй модуляторы, третий и четвертый аналого-цифровые преобразователи, блок памяти весовой функции, счетчик весовой функции, дешифратор, счетчик, делитель, формирователь прямоугольных импульсов, функциональный преобразователь, логарифматор, узел заданьяполосы, следящий умножитель, частотометр и третий переключатель, размыкающий контакт которого соединен с третьимвходом устройства, а замыкающий и переключающий контакты третьего переключателя соединены соответственно с выходом генератора калибровочного сигнала ивходом формирователя прямоугольных импульсов, выход которого соединен с входом следящего умножителя, в выход следящего умножителя соединен с входомчастотометра, выход которого соединенс первыми входами цифроаналоговых преобразователей группы, вторые входы которых соединены с выходом логврифматорв, вход которого соединен с первымвыходом функционального преобразователя, выходы которого соединены с третьими входами цифроаналоговых преобразователей группы, входы функциональногопреобразователя соединены с выходамиблока обработки, входы которого соединены с выходами третьего и четвертогоаналого-цифровых преобразователей, тактовые входы которых объединены с тактовыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, входомсчетчика и подключены к выходу следящего умножителя, первый выход счетчика соединен с входом делителя, управляющие входы которого соединены с выходами узла задания полосы, а выходделителя соединен с входом счетчикавесовой функции, выход которого соединен с входом блока памяти весовой функции, выход которого соединен с первымивходами первого и второго модуляторов,вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второгофильтров, выход первого модуляторасоединен с аналоговыми входами первогои. второго аналого-цифровых преобразователей, выход второго модулятора соединен с аналоговыми выходами третьегои четвертого аналого-цифровых преобразователей, цифровые входы первого итретьего вналого-цифровых преобразовать 920739 14лей соединены с первым выходом дешифратора, второй выход которого соединен с цифровыми входами второго и четвертого аналога-цифровых преобразователей, а вход дешифратора соединен с вторым 5 выходом счетчика.2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что блок обработки содержит накапливающий сумматор, умно- житель и узел усреднения, выходы кото- ф рого являются выходами блока обработки, входами которого являются входы накапливающего сумматора, выходы которого соединены с входами умножителя, выходы которого соединены с входами узла 1 усреднения.3. Устройствопоп, 1, отличаю щ е е с я тем, что следящий умно- житель содержит первый и второй делители частоты, управляемый мультивиб ратор и узел сравнения частот, вход которого является входом следящего умножителя, выход которого является выходом первого делителя частоты, управляющие входыкоторого являются входами задания кода знаменателя следящего умножителя, вход первого делителя частоты объединен с входом второго делителя частоты и соединен с выходом управляемого йультивибратора, вход которого соединен с первым входом узла сравнения частот, второй вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, управляющие входы которого являются входами задания ода числителя следящего умножителя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США И 3631339,кл. (Э 06 Р/332, опублик. 1970. 2, "ЙЫ 1 ЕИ РасаМ ЛОГоа 1",1978, 29, % 13 (прототип).ед илиал ППП "Патент, г. Ужгород, у 345/57 Тираж 73 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Подписикомитета СССРоткрытийаушская наб., д. 4/5