Корреляционная измерительная система

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может применяться в измерительных информационных системах, системах автоматизации научного эксперимента и т. п. Устройство служит для измерения авто- или взаимокорреляционной функции входных сигналов. Повышение точности, расширение информационной полосы частот и упрощение устройства достигнуты за счет применения вероятностной меры повышенной точности путем введения в устройство двух схем сравнения, генератора псевдослучайных напряжений и набора схем эквивалентности. 1 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может применяться также в соседних областях науки и техники при необходимости измерений авто- и взаимнокорреляционных функций широкополосных процессов.

Известен коррелометр типа "знак-знак", содержащий последовательно соединенные генератор импульсов опроса, блок определения знаков и фиксации их совпадений и электронно-счетный частотомер, другой вход которого объединен со 2-ым входом блока определения знаков и подключен ко 2-ому выходу генератора, кроме того, 3-й и 4-й входы блока определения знаков подсоединены к входам коррелометра.

Недостатком данного устройства является его применимость лишь для тех входных сигналов, одномерная плотность распределения мгновенных значений которых является гауссовой.

В качестве прототипа может служить корреляционная измерительная система, содержащая последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на 1-ом входе, регистр сдвига, параллельный набор цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), параллельный набор множительных элементов, параллельный набор интегрирующих цепей, коммутатор и устройство отображения на выходе, а также генератор тактовых импульсов (ГТИ), выход которого подсоединен к другому входу регистра сдвига; кроме того, другие входы множительных элементов объединены и подключены ко 2-ому входу системы.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Под действием импульсов ГТИ кодовые комбинации, формирующиеся на выходах АЦП и соответствующие отсчетам 1-го входного сигнала, поступают в регистр сдвига и распределяются на выходах; число выходов регистра сдвига соответствует числу одновременно измеряемых точек корреляционной функции. После перехода вновь к аналоговой форме с помощью ЦАП сдвинутые во времени отсчеты 1-го сигнала перемножаются в множительных элементах со 2-ым сигналом, а результаты перемножения накапливаются в соответствующих интегрирующих цепях. После циклической коммутации выходных сигналов интегрирующих цепей на выходе коммутатора формируется сигнал, соответствующий авто- или взаимно корреляционной функции, который в устройстве отображения индицируется или (и) регистрируется.

Недостатком устройства-прототипа являются ограниченная точность и сравнительно узкая полоса частот для инфор- мационных сигналов, обусловленные применением аналоговых множительных элементов, а также сложность.

Целью предлагаемого изображения является повышение точности, расширение информационной полосы частот и упрощение устройства.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого подсоединен к тактовому входу регистра сдвига, набор интегрирующих цепей, выходы которых подключены к соответствующим входам коммутатора, выход последнего соединен со входом устройства отображения, введены схемы сравнения на каждом из двух входов устройства, генератор псевдослучайных напряжений, выходы которого подключены к соответствующим другим входам схем сравнения, а тактовый вход - к выходу генератора тактовых импульсов, и набор схем эквивалентности, выходы которых подсоединены ко входам соответствующих интегрирующих цепей, первые входы объединены и подключены к выходу второй схемы сравнения, вторые входы всех схем эквивалентности, кроме первой, подсоединены к соответствующим выходам регистра сдвига, а второй вход первой схемы эквивалентности объединен с информационным входом регистра сдвига и подключен к выходу первой схемы сравнения.

Благодаря этому в устройстве реализуется перемножение на основе статистической меры, что расширяет полосу частот и устраняет погрешности перемножения, а сдвиг во времени осуществляется для однобитовых элементов, что упрощает устройство.

Среди известных устройств нет таких, которые обладали бы совокупностью указанных свойств (точность, широкая полоса частот и простота конструкции), поэтому можно считать предложенные отличия (две схемы сравнения, генератор псевдослучайных напряжений и набор схем эквивалентности) удовлетворяющими критерию существенности.

На чертеже представлена структурная схема системы.

Корреляционная измерительная система содержит генератор тактовых импульсов ГТИ 1, 1-ю схему сравнения (СС) 2, регистр сдвига (РС) 3, генератор псевдослучайных напряжений (ГПСН) 4, 2-ю схему сравнения (СС) 5, N схем эквивалентности Э₁. . . Э_N 6₁. . . 6_N, N интегрирующих цепей ИЦ₁. . . ИЦ_N 7₁. . . 7_N, коммутатор (К) 8 и устройство отображения УО 9, причем ГТИ 1, РС 3, набор схем Э₂. . Э_N, набор ИЦ 7₂. . . 7_N, К8 и УО 9 соединены последовательно, выход СС 2 подключен к информационному входу РС 3 непосредственно, а к соответствующему входу К 8 - через последовательно соединенные Э₁ 6₁ и ИЦ ₁ 7₁, тактовый вход ГПСН 4 соединен с выходом ГТИ 1, а выходы - с соответствующими входами СС 2 и СС 5, входы которых являются входами всей системы, а выход СС 5 подключен к вторым входам всех схем 6.

ГТИ 1 формирует последовательность импульсов, период которых определяет дискретность аргумента корреляционного анализа. ГТИ 1 реализуется стандартно.

Схемы сравнения СС 2 и 5 являются типовыми и формируют на выходах "1" или "0", если соответствующее входное напряжение больше или меньше, чем соответствующее выходное напряжение ГПСН 4.

Регистр сдвига 3 является типовым элементом и осуществляет сдвиг входного двоичного сигнала (от СС 2) по своим N-1 выходам под действием тактовых импульсов (от ГТИ 1). Число выходов РС 3 определяет наибольшую величину аргумента корреляционного анализа Δ τ_max= (N - 1)Т_о, где Т_о - период ГТИ 1.

Генератор ГПСН 4 формирует на своих выходах импульсы напряжения, амплитуды которых равновероятно распределены в динамическом диапазоне - U_m. . . + U_m входных сигналов системы. ГПСН 4 может быть реализован, например, в виде генератора М - последовательности и двух цифроаналоговых преобразователей, подключенных к соответствующим выходам генератора М - последовательности.

Схемы эквивалентности 6 формируют на выходе напряжение +U_o или -U_o, если входные логические сигналы равны (эквивалентны) или не равны. Схема 6 реализуется в виде типовой ячейки ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (например, интегральная схема типа К155 ЛП 5), нагруженной на соответствующий интегральный аналоговый ключ (например, типа 590 КН 4), коммутирующий на свой выход одно из напряжений ±U_o).

Интегрирующие цепи 7 предназначены для осреднения входных последовательностей импульсов с амплитудой ±U_o. ИЦ 7 реализуется в виде интегрирующей RC-цепи, постоянная времени которой на несколько порядков превышает длительность Т_о периода ГТИ 1.

Коммутатор 8 предназначен для поочередного подключения входных N напряжений на свой выход. К8 реализуется типовым образом на основе интегральных схем. Частота переключений в К8 должна соответствовать частотному диапазону УО 9 или информационным особенностям человека-оператора. Например, если УО 9 - электронный осциллограф, то цикл коммутации должен продолжаться не более 40 мс, чтобы изображение на экране воспринималось без мельканий.

УО 9 предназначено для отображения измерительной информации - индикации и (ИЛИ) регистрации. УО 9 может быть электронным осциллографом (в том числе и цифровым - для повышения точности), самопишущим прибором - при необходимости зарегистрировать результаты и т. п.

Корреляционная измерительная система работает следующим образом. На входы устройства поступают два напряжения U₁(t) и U₂(t), функция взаимной корреляции К₁₂( Δ τ) между которыми должна измеряться (при необходимости измерения автокорреляционной функции К(Δ τ) одного из напряжений входы 1 и 2 объединяются).

В совокупности элементы ГТИ 1, ГПСН 4, СС2, 5 и Э 6₁ образуют стохастический множительный элемент, в котором вероятность логической единицы на выходе схемы эквивалентности пропорциональна математическому ожиданию произведения входных напряжений: P₁= + 0,5.

После усреднения напряжения на выходе Э₁ 6₁ с помощью ИЦ 7₁получим напряжение в диапазоне -U_o. . . +U_o: U_вых = U_o для случая максимальных напряжений одного знака (U₁ = U₂ ±U_m), U_вых = - U_o для другого крайнего случая (максимальных разнополярных напряжений), когда U₁ = - U₂ = ±U_m.

Очевидно, что на выходе ИЦ 71 формируется напряжение, пропорциональное значению К₁₂ (0).

Для измерения значений взаимно корреляционной функции при Δ τ> 0 двоичная последовательность с выхода СС 2 сдвигается с помощью РС 3 на время Δ τ= iT_o, i = = 1, N-1, в результате чего на выходах схем Э₂. . . Э_Nвероятность логической единицы определяется соотношением P₁= + 0,5.

После усреднения на выходах ИЦ 7₂. . . 7_N, очевидно, появятся напряжения, пропорциональные отсчетам взаимно корреляционной функции при аргументе Δ τ= = iТ_о, i = 1, N-1.

После коммутации на выходе К8 формируется вся функция К₁₂(Δ τ) (или К(Δ τ) в виде периодически повторяющихся N импульсов U_к(iТ_к), амплитуды которых содержат результат измерения К₁₂(iT_o) = U_вых(iT_к) · U²_m/U₀, i = 0, N-1, Т_к - длительность такта в коммутаторе 8.

Последовательность этих импульсов поступает в УО 9 для индикации или регистрации.

Точность в данной системе обеспечивается использованием прецизионной меры постоянного напряжения (в ГПСН 4), точностью коммутации напряжений ±U_o ключами на выходе схем Э 6₁. . . 6_N, стабильностью постоянных напряжений ±U_o и отсутствием погрешностей в пассивных цепях 7₁. . . 7_N. Уровень статических погрешностей системы может быть понижен до долей процента (в отличие от 1-2% в прототипе).

Ширина информационной полосы частот системы определяется наиболее инерционными элементами: ГПСН 4 и выходными ключами в схемах Э₁. . . Э_N. Использование наиболее совершенных элементов позволяет в настоящее время уменьшить значение Т_о до нескольких десятков наносекунд, т. е. расширить полосу частот входных сигналов до ≈10 МГц (в отличие от 1-2 МГц в прототипе).

Упрощение конструкции предлагаемой системы определяется тем, что в РС 3 сдвигается однобитовый сигнал (а в прототипе - кодовые комбинации из 4-6 бит каждая) и, кроме того, вместо N множительных элементов прототипа применяются N логических схем 6₁. . . 6_N.

(56) Мирский Г. Я. Радиоэлектронные измерения. М. : Энергия, 1975, с. 452.

Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. М. : Энергия, 1974, с. 189.

Формула изобретения

КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, содержащая регистр сдвига, интеграторы, коммутатор, устройство отображения и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовым входом регистра сдвига, выходы интеграторов подключены к информационным входам коммутатора, управляющий вход которого является входом задания номера отсчета взаимокорреляционной функции системы, а выход подключен к устройству отображения, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности, в нее введены две схемы сравнения, блоки эквивалентности и генератор псевдослучайных напряжений, вход запуска которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый и второй выходы генератора псевдослучайных напряжений соединены с первыми входами соответственно первой и второй схем сравнения, вторые входы которых являются соответственно первым и вторым информационными входами системы, выход "Больше" первой схемы сравнения соединен с первым входом первого блока эквивалентности и с информационным входом регистра сдвига, выход i-го разряда которого (где i = 1, N - 1, N - число отсчетов взаимно корреляционной функции) подключен к первому входу (i + 1)-го блока эквивалентности, вторые входы блоков эквивалентности соединены с выходом "Больше" второй схемы сравнения, выход i-го блока эквивалентности подключен к входу i-го интегратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1