Устройство для дискретного преобразования фурье

 

Изобретение относится к анализаторам частотного спектра сигналов и может быть использовано для их спектрального представления в аппаратуре обработки данных. Целью изобретения является повьшение точности дискретного преобразования Фурье за счет увеличения верхней граничной частоты анализируемого спектра. Устройство содержит блок выборки, управляемый потенциометр, генератор тригонометрических функций, операционный усилитель , четыре распределителя импульсов , две группы аналого-цифровых преобразователей, две группы блоков выборки, два блока управления суммированием , два сумматора, два элемента задержки, два элемента И, элемент ИЛИ, триггер, формирователь импульса , регистр сдвига и генератор тактовых импульсов. 4 ил. Q S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А 1) 4 G 06 Р 15/332

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н лвторСномм СвидН аЛьСтву

4@

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3815485/24-24 (22) 07. 10. 84 (46) 07.04.86. Бюл. ¹ 13 (72) К.П.Аверьянов, С.Г.Алексеев, М.Б.Беляев, M.M.Ãåëüìàí, С.С.Соболев, С.Ф.Чалкин, В.В.Вилистер и Л.Г.Голубчиков (53) 681.32 (088,8) (56) Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и ,применение цифровой обработки сигналов. M.: Мир, 1978.

Смеляков В.В. Цифровая измерительная аппаратура инфранизких частот.

М., Энергия, 1975, с. 13-,15,рис. 1-2. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО ПРЕ

ОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ (57) Изобретение относится к анализаторам частотного спектра сигналов и может быть использовано для их спектрального представления в аппаратуре обработки данных. Целью изобретения является повышение точности дискретного преобразования Фурье за счет увеличения верхней граничной частоты анализируемого спектра. Устройство содержит блок выборки, управляемый потенциометр, генератор тригонометрических функций, операционный усилитель, четыре распределителя импульсов, две группы аналого-цифровых преобразователей, две группы блоков выборки, два блока управления суммированием, два сумматора, два элемента задержки, два элемента И, элемент ИЛИ, триггер, формирователь импульса, регистр сдвига и генератор тактовых импульсов. 4 ил.

1223248

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 k-ì 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, блоки

1 и 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

Й

А, = х. sin

i=1

В = хcos

2llik

2й k

N (2) (3) 55 где R„- сопротивление масштабируищего резистора;

R — входное сопротивление ре зистора 4; где А и  — соответственно синуск к ная и косинусная составляющие И -и гармоники;

N — число выборок (дискрет);

i — текущий номер выборки;

Устройство работает следующим образом.

По внешнему сигналу запуска,поступившему на шину 45,устройство переключается в исходное состояние, в котором открывается первый выход

21 регистра 20, в распределителе 47 генератора 8 на первом его выходе устанавливается единичное значение сигнала, а триггер 50 переключается в состояние, при котором деблокируются элементы И 51 в цепях управления считыванием кодов первого блока

48 постоянной памяти, в распределителях 35 — 38 (фиг. 1) деблокируют ся первые выходы, содержимое сумма30 торов 41 и 42 становится нулевым, а в блоках 39 и 40 управления (см. черт. 3) в исходное состояние переключаются все триггеры. Внешний сигнал запуска с задержкой в элементе

30 переключает триггер 29, который деблокирует элемент И 19. Тактовые импульсы генератора 18 начинают поступать в регистр 20. Первый появившийся на входе регистра 20 тактовый импульс передается в блок 2 выборки,, и одновременно этим импульсом закрывается выход 21 и открывается выход 22. Тактовым импульсом строби.руется блок 2 выборки, и в этом блоке

4 запоминается первое дискретное значение измеряемой величины х =х,, I которое передается на вход преобразователя 3. Напряжение0,„на выходе резистора 4 определяется в соответщ ствии с выражением

223248 4

3 1

U †. напряжение на выходе блока 2

Вых выборки;

М вЂ” число разрядов двоичного кода;

L — значение j-го разряда, равно нулю или единице.

Можно записать, что

М-1 =о

= Со х5 н

R„+R

Из этого выражения следует, что

Б „, изменяется в соответствии со знаМ-1 г" чением кода -у . р В данном слу.о чае необходимо, чтобы U было npo-—

Bs

M-1 —,1 USX гИ!К . г — „" = u

2.и-1 N x

3=0

М-1 3

2 ц,к

=5

2"-1 .1 =О (.4) 45

Аналогично для второй составляющей и-1

20|к

= соз . (51 гм-1 М

i =O

Из последних выражений для каждой из гармоник вычисляют значения кодов

k"

; 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 ре1 зистора 4 устанавливается напряжение, пропорциональное произведению Х„ на величину s п

С 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 де5

l5

40 блокированный выход на соответ ствующий вход блока 39 и одновременно на вход стробирования соответствующего блока 6 выборки. Тем са1ым 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 cos °

2.11 Ê 1 N

После 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 установле-. ния 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 Х1 на величину гтрк

cos . Одновременно (и+1)-й тактоhf вый импульс передается в генератор

8, на выходах !5 которого устанавливается код, соответствующий второму

1223248 значению синусоидальной функции. По этому коду выходное сопротивление резистора 4 устанавливается пропорциональным величине sin

2пк

Н

С 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. 20

Таким образом, к началу следующего цикла оказываются де блокированными одноименные выходы (позиции) этих распределителей. Далее циклы получения дискретных значений Х;, их умножения на соответствующие значения весовых функций sin — и cos

21Г К м М и коцирования этих произведений повторяются аналогично. Генератор 8 (фиг. 2) в кажцом К -м фильтре содер- 30 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 З5 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- 40 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- 45 ля 47.

В каждом цикле умножения текущего значения Х; из каждого блока памяти выбирают по одному соответствующему слову, сначала из блока 48 памяти 50 (sin " ) 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- sS 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 N.

Широкополосчость блока 2 выборки измеряемой величины предопределяет достижимую верхнюю граничную частоту анализа и соответственно шаг д t дискретизации по времени измеряемого сигнала. Однако при этом шаг g t должен выбираться с учетом быстродействия всех элементов устройства, прежде всего АЦП и сумматоров.

Предлагаемое техническое решение позволяет свести к минимуму зависимость шага дискретизации gt 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 условия (б) с1> — + +1, Таким образом, каждый АЦП с блоком выборки запускается в группе через интервал времени d 26t. 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 сумгде „ — время преобразования одного AIJII, — время передачи и суммирования в сумматоре кода одного

АЦП.

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 2М, так как в одном цикле работы устроиства определя зтся значения двух составляющих k --й "гармоники. Поэтому количество АЦП с блоками выборки в группе выбирают с учетом шага дискретизации, равного 2ht. С увеличением времени преобразования одного АЦП увеличивают их количество в группе.

7 1223 маторы,передаются последовательно в соответствии с позицией АЦП через блоки 39 и 40 управления.

Блок управления (фиг. 3) работает следующим образом. 5

Сигналы кодов АЦП передаются в сумматор через группу ключей 53, одноименные разряды которых объединены элементами ИЛИ 58 блока. Выходные шины кодов разрядов блока элементов 10

ИЛИ 58 подсоединены к кодовому выходу блока управления. Коды в блок элементов ИЛИ 58 передаются только от одного АЦП.

B исходном состоянии триггером 62, 15 который управляется через соответствующие элементы 54 и 59 сигналом конца преобразования АЦП последней позиции в группе, деблокирован элемент И

55 в цепи сигнала конца преобразова- 20 ния АЦП первой позиции в группе.Все остальные элементы И 55 первой группы блокированы сигналами триггеров

57, а элементы И 64 — сигналами триггеров 56 и 57. Триггер 61 в исходном 25 состоянии выдает сигнал, соответствующий знаку "плюс . В исходное состояние указанные элементы переключаются по сигналу сброса устройства, который передается в блоке через 30 элементы ИЛИ 59. По сигналу конца .преобразования АЦП первой позиции, переданному через деблокированный триггером 62 элемент И 55, выполня ется считывание и передача кода это- 35 го АЦП в сумматор и одновременно переключается триггер 62 и блокируется указанный элемент И 55. Этот же сигнал, но с задержкой в элементе 54, необходимой для выполнения операций 40 в сумматоре, переключает соответствующий триггер 57, который, в свою очередь деблокирует связанный с ним элемент И 55 в цепи сигнала конца преобразования АЦП соседней позиции. 4g

По сигналу конца преобразования этого

АЦП выполняется считывание его выходного кода и передача этого кода в сумматор. Далее процесс передачи кодов из АЦП в сумматор последователь- щ но повторяется аналогично описанному с 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 8

56 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 группы 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 i-ro (i=

=1 N-1) элемента задержки подключен к первому установочному входу i-го триггера первой группы, выход которого подключен к первому входу (i+1)223248 10 го элемента И первой группы и первому входу (i+1)-го элемента Итретьей группы, выход которого подключен к (i+1)-му входу второго элемента

ИЛИ, выход которого подключен к входу синхронизации первого триггера, выход

j-ro (j=1,N) элемента И первой группы подключен к первому входу j-ro ключа группы н первому входу j-ro элемента ИЛИ группы, выход которого подключен к первому установочному входу j-го триггера второй группы, выход которого подключен к второму входу j-ro элемента И третьей группы, выход j-ro элемента И второй группы подключен к второму установочному входу j-го триггера второй группы, выход (j+1)-го элемента ИЛИ группы

° подключен к второму установочному входу )-го триггера первой группы, выход j-го ключа группы подключен .к 1-му входу второго элемента ИЛИ, выход N-го элемента задержки группы подключен к первому входу (N+1)-го элемента ИЛИ группы, выход которого подключен к первому установочному входу второго триггера, выход которого подключен к первым входам первых элементов И третьей и второй групп, выход первого элемента И первой группы подключен к второму установочному входу второго триггера, выход окончания преобразования j-го аналого-цифрового преобразователя первой группы подключен к входу j-го элемента задержки группы и второму входу j-го элемента И первой группы первого блока управления суммированием, выход окончания преобразования., .j --ro аналого-цифрового преоб40 разователя второй группы подключен к входу J --Fo элемента задержки группы и второму входу g --го элемента И первой группы второго блока управ.ления суммированием, информационные

45 выходы J --x аналого-цифровых преобразователей первой и второй групп подключены к вторым входам ключей групп соответственно первого и второго блоков управления суммированием, выходы первых элементов ИЛИ которых подключены к первым входам соответственно первого и второго сумматоров, выходы второго и третьего распределителей подключены к вторым входам соответствующих элементов И вторых групп соответственно первого и второго блоков управления . суммированием, выходы первых тригге1) 1223248 !2 ров которых подключены к вторым вхо- тановочные входы первых триггеров дам соответственно первого и второ- первого и второго блоков управления

ro 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 ус- ля.

I фиг. !

1223248

Puz 3

Фиа4

Составитель А.Баранов

Редактор В.Петраш Техред Н.Бонкало Корректор Е.Сирохман

Заказ 1716/53 Тираж 671 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4