Измеритель дисперсии

 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано для обработки случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности. Измеритель содержит блок центрирования, двухполупериодный выпрямитель, элементы И, триггер, генератор тактовых импульсов, формирователь импульсов, формирователь временных интервалов, индикатор, детектор, делитель частоты и преобразователь частоты в напряжение. 1 ил.

Изобретение относится к специализированным средствам и может быть использовано для оперативной обработки быстроменяющихся процессов.

Известно устройство для определения дисперсии [1] содержащее генератор импульсов, счетчик, регистр, группу элементов И, блок возведения в квадрат, два сумматора, блок вычисления, дешифратор, две группы элементов 2И-ИЛИ, три элемента задержки, элемент запрета с соответствующими связями, обеспечивающими работоспособность устройства. Недостатками устройства являются узкий диапазон частот и низкая точность измерения.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является цифровой измеритель дисперсии [2] содержащий блок центрирования, двухполупериодный выпрямитель, компаратор, генератор тактовых импульсов, цифроана- логовый преобразователь, формирователь импульсов, два элемента И, формирователь пачек импульсов, индикатор, формирователь интервала измерения, триггер, кнопку. При этом блок центрирования, двухполупериодный выпрямитель, компаратор, индикатор соединены последовательно, вход сброса индикатора соединен с выходом триггера, вход установки в "1" которого является входом запуска измерителя, выход компаратора поступает на вход формирователя импульсов и первый вход элемента И, на второй вход которого поступает выход генератора тактовых импульсов, который также поступает на вход цифроаналогового преобразователя и на вход элемента И и вход формирователя интервала времени измерения, выход цифроаналогового преобразователя связан со вторым входом компаратора, выход элемента И поступает на второй вход формирователя пачек импульсов, выход которого поступает на второй вход второго элемента И, третий вход которого связан с выходом формирователя интервала измерения.

Известное устройство-прототип [2] имеет низкую точность измерения и узкий диапазон рабочих частот. Это обусловлено используемым в устройстве методом измерения, который состоит в определении дисперсии путем подсчета счетчиком числа импульсов, сформированных формирователем пачек импульсов в течение периода времени, соответствующего превышению случайным процессом пилообразного напряжения, также формируемого блоками устройства.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих частот и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее индикатор, последовательно соединенные блок центрирования, двухполупериодный выпрямитель и первый элемент И, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, второй элемент И и формирователь временных интервалов, а также кнопку и триггер, причем вход установки в "1" триггера связан с кнопкой, а вход установки в "0" триггера соединен с выходом формирователя временных интервалов, выход триггера поступает на вторые входы элементов И, вводятся последовательно соединенные первый формирователь импульсов, делитель частоты, детектор биений, преобразователь частоты в напряжение, интегратор, второй формирователь импульсов, выход которого соединен со вторым входом детектора биений, причем выход интегратора поступает на вход индикатора, а выход первого элемента И поступает на входы формирователей импульсов.

Принцип работы устройства можно пояснить следующим образом.

Число выбросов случайного, нормально распределенного сигнала определяется выражением N_E= N₀·exp- (1) где N_o число пересечений случайным сигналом нулевого уровня; N_Е число пересечений случайным сигналом уровня Е; D дисперсия случайного сигнала.

Число пересечений нулевого уровня и уровня Е за время измерения Т можно определить по формулам N_o f_o ˙ T; (2) N_E f_E ˙ T, где f_o частота пересечения сигналом нулевого уровня; f_Е частота пересечения сигналом уровня Е.

Из формул (1) и (2) получаем f_E= f₀·exp- (3) Из формулы (3) можно сделать вывод о том, что D E²; (4)
когда
ln -0,5 (5)
Используя формулу (5), имеем, что равенство (4) справедливо при следующем соотношении частот f_E и f_o:
f_E 0,606 f_o. (6)
Таким образом, определив f_o, сформировав f_E, согласно зависимости (6), можно получить величину уровня Е. Далее, проградуировав шкалу индикатора по квадратичной зависимости, имеем значение дисперсии D. При этом шкала индикатора относительно измеряемой величины Е является линейной.

Диапазон рабочих частот может достигать сотен мегагерц, поскольку он зависит только от быстродействия формирователей. Точность процесса измерения дисперсии повышается за счет сокращения числа промежуточных преобразований исходного процесса.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Измеритель содержит: блок 1 центрирования, двухполупериодный выпрямитель 2, элемент И 3, формирователь импульсов 4, делитель частоты 5, детектор биений 6, преобразователь частоты в напряжение 7, интегратор 8, индикатор 9, формирователь импульсов 10, генератор тактовых импульсов 11, триггер 12, элемент И 13, формирователь 14 временных интервалов, кнопку 15.

Блок 1 центрирования, двухполупериодный выпрямитель 2, элемент И 3, формирователь 4, делитель частоты 5, детектор 6 биений, преобразователь 7, интегратор 8, индикатор 9 соединены последовательно, при этом выход элемента И 3 соединен с первым входом формирователя 10, управляющий вход которого связан с выходом интегратора 8, а выход соединен со входом детектора 6 биений, кроме этого, генератор 11 тактовых импульсов, элемент И 13, и формирователь 14 соединены последовательно, причем входы триггера 12 связаны с кнопкой 15 и с выходом формирователя 14, выход триггера 12 поступает на вторые входы элементов И.

Измеритель дисперсии работает следующим образом.

До начала измерения обрабатываемое напряжение U_x(t), моделирующее стационарный эргодический нормальный процесс х(t) подается через блок 1 центрирования на вход выпрямителя 2. С выхода последнего выпрямленное и центрированное напряжение (U_x(t) поступает на первый вход элемента И 3. Процесс измерения D начинается с момента нажатия кнопки 15, при опускании которой на выходе триггера 12 формируется напряжение, разрешающее прохождение импульсов стабильной частоты с генератора 11 через элемент И 13 на вход формирователя 14 и прохождение выпрямленного и центрированного напряжения на входы формирователя 4 и формирователя 10. В начальный момент времени оба формирователя 4 и 10 формируют импульсы с частотой следования (частотой пересечения нулевого уровня входным сигналом). В этот момент
f_E f_o;
Е О.

С выхода формирователя 4 частота f_o поступает на вход делителя частоты 5 с коэффициентом деления 1,647. На выходе делителя частоты 5 имеем частоту 0,607 f_o. На первый вход детектора 6 биений поступает частота 0,607 f_o с выхода делителя частоты 5, а на второй вход частота f_о с выхода формирователя 10. На выходе детектора 6 биений снимается частота Δf, равная
Δ f f_o 0,607 f_o (7)
Эта частота поступает на вход преобразователя 7, который формирует напряжение, соответствующее частоте Δ f. Это напряжение поступает на интегратор 8, где формируется напряжение Е смещения, поступающее на управляющий вход формирователя 10 и вход индикатора 9. В результате этого уменьшается величина f_Е, формируемая формирователем 10. Процесс продолжается до момента, когда Δ f становится равной нулю. При этом на управляющий вход формирователя 10 подается напряжение Е смещения, равное величине уровня, при котором выполняется равенство (4). Поскольку шкала индикатора 9 проградуирована по квадратичной зависимости, то значение напряжения, отображаемого индикатором, равно величине дисперсии случайного сигнала X(t).

При переполнении формирователя 14 с его выхода поступает импульс на вход триггера 12. В результате этого заканчивается поступление исследуемого сигнала на измеритель и завершается процесс измерения.

Предлагаемый измеритель обладает существенными преимуществами по сравнению с известными. Диапазон рабочих частот определяется только быстродействием формирователей 4 и 10, и может достигать сотен МГц. За счет исключения из общего алгоритма функционирования ряда операций, свойственных известным устройствам, повышена точность и быстродействие измерения, а также существенно упрощена конструкция измерителя дисперсии и улучшены характеристики его надежности. Шкала индикатора 9 является линейной относительно измеряемой величины Е, что позволяет использовать устройство в автоматизированных измерительных системах.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ ДИСПЕРСИИ, содержащий двухполупериодный выпрямитель, генератор тактовых импульсов, два формирователя импульсов, два элемента И, триггер, формирователь временных интервалов и блок центрирования, вход которого является информационным входом измерителя, а выход подключен к входу двухполупериодного выпрямителя, выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом первого элемента И, вход установки в "1" триггера является входом запуска измерителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены делитель частоты, преобразователь частоты в напряжение, интегратор и детектор, входы которого соединены с выходами делителя частоты и первого формирователя импульсов, а выход через преобразователь частоты в напряжение подключен к входу интегратора, выход которого соединен с входом задания частоты следования первого формирователя импульсов, информационный вход которого подключен к выходу второго элемента И, соединенному через второй формирователь импульсов с входом делителя частоты, выход первого элемента И соединен с входом формирователя временного интервала, выход которого соединен с входом установки "0" триггера, единичный выход которого подключен к второму входу первого элемента И и первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом двухполупериодного выпрямителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1