DD230950A1

DD230950A1 - Schnellarbeitender fourier-analysator

Info

Publication number: DD230950A1
Application number: DD83248651A
Authority: DD
Inventors: Gabor Rajkai; Rozalia Szabo; Istvan Dohar; Sandor Vinkovits; Marta Hetei; Gyoergy Florian
Original assignee: Elektroakusztikai Gyar
Priority date: 1982-03-31
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1985-12-11
Also published as: AT389181B; NL8301015A; US4615027A; ATA70083A; DE3307601A1; BG42010A3; HU184537B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen schnell arbeitenden Fourier-Analysator mit Mikroprozessor-Aufbau, der fuer Messungen, Steuerungen und regelungstechnische Aufgaben, z. B. zur Schall- und Schwingungsanalyse geeignet ist. Der erfindungsgemaesse Frequenzanalysator enthaelt einen A/D-Umsetzer und jeweils einen Mikroprozessor mit zugehoerigen Speichern zur Erfuellung folgender Funktionen: Messdatensammlung, FFT-Berechnung und Steuerung der Kathodenstrahlroehren-Anzeige. Zwischen den Mikroprozessoren erfolgt die Datenuebertragung durch Austausch der Einschreibe-Auslese-Speicher der zugehoerigen Mikroprozessoren. Das Betaetigungsorgan der Einrichtung ist eine alphanumerische Tasteinrichtung, mittels der der Analysator mit Hilfe einer bekannten Programmsprache programmierbar ist. Fig. 1

Description

15 4-90 57

Schnell arbeitender Fourier-Analysator

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die' Erfindung bezieht sich auf einen schnell arbeitenden Fourier-Analysator mit Mikroprozessor-Aufbau, der zur Durchführung von Messungen, Steuerungen und zur Lösung von regelungstechnischen Aufgaben, z. B. zum Analysieren von Schall- und anderen Schwingungen, eingesetzt werden kann,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Kompakte schnell arbeitende Fourier-Analysatoren, die als Tischgeräte oder tragbare Geräte ausgebildet sind, sind schon bekannt. Diese bekannten Einrichtungen können hinsichtlich ihres systemtechnischen Aufbaus in drei Gruppen eingeteilt werden:

— 2 *·

1. Geräte, die aus digitalen Schaltungsgruppen (z.B. TTL, ECl) aufgebaut sind, wobei außer diesen Schaltungsgruppen ein schnellwirkender bipolarer multiplizierender Akkumulator vorgesehen ist. Diese Einheiten sindmit Bedienungsorganen, mit einer Anzeige-Katodenstrahlröhre und mit anderen digitalen äußeren Einrichtungen, komplettierbar und werden durch Mikroprozessoren ergänzt. .

2. Geräte, die über einen Bit-Schnitt-bipolaren Mikroprozessor verfügen. Die hier eingesetzten Mikroprozessoren sind aufgrund ihrer sehr schnellen Arbelt zur Meßdatensammlung, zur schnellen Fourier-Analyse und zur Steuerung der Anzeige der Katodenstrahlröhre gut ein-

. s4r>Srhi\ /3

setzbar. Auch sind sie mit einenPaür die Steuerorgane versehen. Als Beispiel für diese Gruppe sei der Schmalband -Analysator vom Typ 2033 der Firma Brüel and Kjaer (Dämnark) erwähnt, der mit einem Mikroprozessor versehen ist.

3. Geräte, die mit speziellen MOS-inte&rierten Schaltungen aufgebaut sind und die für eine digitale Siebung und für eine FFT-Analyse geeignet sind. Die Hersteller dieser Gruppe von Geräten sind vor allem in den USA und in Japan ansässig. Als Beispiel sei die Firma Hewlett-Packard genannt, die einsi selbstentwickelten Spektrumanalysator vom Typ 3582A auf den Markt gebracht hat. Diese Einrichtung ist mit einem MITOS-Prozessor versehen.

Es ist allgemein bekannt, daß ein schnell arbeitender Fourier-Analysator, der aus Elementen einer beliebigen digitalen Stromkreisgruppe aufgebaut ist, eine große Anzahl von Bauteilen enthält, und daß die Entwicklung einer derartigen Anlage viel Zeit erfordert und sehr kostspielig ist.

Ein Nachteil dieser Anlagen liegt darin, daß sie "hardware -orientiert" sind, d.h., daß nach der Entwicklung einer Anlage im Pail von speziellen und veränderten Forderungen der Benutzer neu geplant "bzw. entwickelt werden muß, weil diese Anlage bei einer Änderung des Programmes nicht mehr einsetzbar ist. Dagegen besitzt diese Anlage den Torteil, daß die SignalVerarbeitungsgeschwindigkeit sehr hoch ist. Der bereits erwähnte schnell arbeitende Fourier-Analysator mit einem Bit-Schnitt-bipolaren Mikroprozessor erfordert demgegenüber weniger Bauteile als die vorher erwähnte Anlage, sein Nachteil liegt jedoch darin, daß er aus sehr kostspieligen Bauteilen aufgebaut ist, und daß die Entwicklung eines solchen Analysator^ sehr viel Zeit

beansprucht. Ein v/eiterer Nachteil liegt darin, daß die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit bedeutend kleiner als diejenige der vorher genannten Anlage ist. Sein Vorteil liegt darin, daß der Nachteil der "hardware-Orientierung" teilweise beseitigt ist und das Gerät somit innerhalb bestimmter Grenzen programmierbar ist. Der Nachteil der schnell arbeitenden Fourier-Analysatoren, die mit speziellen MOS-integrierten Stromkreisen aufgebaut sind, ist die sehr niedrige Signalverarbeitungsgeschwindigkeit. Ein weiterer wesentlicher Mangel dieser Geräte liegt außerdem darin, daß die Stromkreise nicht handelsüblich sind. Daher können außer dem Hersteller der Analysatoren keine anderen Benutzer sich derartige Baugruppen beschaffen.

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines schnell arbeitenden Fourier-Analysators, der die im großen Umfang verwendeten,in MOS-Technologie hergestellten Mikroprozessoren enthält, der vom Verbraucher mit Hilfe einer universellen Tasteinheit durch Programmierung stets an die jeweils zu lösende Aufgabe angepaßt werden kann. Die Entwicklung der erfindungsgemäßen Einrichtung und deren Her-

stellung soll bedeutend billiger als die bekannten Geräte sein. Infolge der Möglichkeit einer flexiblen Anpassung an die Ansprüche der jeweiligen Benutzer soll die Einrichtung im "Vergleich zu den bekannten Einrichtungen bedeutend vorteilhafter sein.

des Wesens der Erfindung;

Der schnell arbeitende Fourier-Analysator gemäß der Erfindung enthält allgemein verbreitetes billige Mikroprozessoren,die in BIOS-Technologie hergestellt sind. Zur lösung der einzelnen systemtechnischen Aufgaben werden getrennte Mikroprozessoren verwendet. Die Steuerung der Meßdatensammlung, die Fourier-Analyse, die Steuerung der Meßergebnisanzeige durch eine Katodenstrahlröhre und die Kupplung mit den Bedienungselementen erfolgt mit Hilfe je eines Mikroprozessors. Die möglichst schnelle Datenübertragung zwischen den Mikroprozessoren wird zweckmäßigerweise derart durchgeführt, daß die beiden Einschreibe-Auslesespeicher, in denen die zu übertragenden Daten gespeichert sind, durch Wirkungsaustausch stets durch jeweils zwei Mikroprozessoren realisiert sind. Die Mikroprozessoren arbeiten stets gleichzeitig und immer parallel miteinander, wobei die Verbindung zwischen den Mikroprozessoren nur im Augenblick der Datenübertragung, zweckmäßig nur innerhalb eines einzigen Zeitt/aktes, hergestellt wird. Die hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit vorteilhaft ausgebildete Einrichtung enthält ein universelles alphanumerisches Talgtorgan. Das Bedienpersonal kann mittels einer bekannten Programmsprache, z.B. ASSEMBLER oder BASIC, die Anlage programmieren. Die Bestimmung der Datenverarbeitungsparameter des Fourier-Analysators, wie z.B. die Eingangempfindlichkeit, die Einstellung der Musternamefrequenz und/oder die nachträgliche Auswertung der Ergebnisse der Datenverarbeitung, z.B. der Vergleich des aktuellen und des Referenzspektrums sowie die Signalisierung von unerwünschten Abweichungen, können ebenfalls programmiert werden.

- 5 Ausführungsbeispiel;

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt den.systemtechnischen Aufbau des erfindungsgemäßen Fourier-Analysators.

Das zu analysierende analoge Signal gelangt in die analog- -digital umsetzende Einheit 1. Diese Einheit 1 enthält einen analogen Verstärker, einen analogen Tiefpaß mit hoher Steilheit und einen A/D-Umsetzer. Der Ausgang des digitalen A/D-Umsetzers ist über einen Adressen-, Daten- und Steuerungs-BUS an einen Mikroprozessor 3 angeschlossen. Am selben BUS des Mikroprozessors 3 liegt die Einheit 2, die die Auslese-(ROM) und die Einschreibe-Auslesespeicher enthält, außerdem ist die speicheraustauschende Einheit 4 angeschlossen. Die Einheit 4 enthält dreistellige digitale Schalter, die den Steuer-BUS für die Daten, die Adressen und die Steuerung der Mikroprozessoren 3 und 8 abwechselnd an' die RAM-Einheiten 5 und 6 anschließen. Der BUS des Mikroprozessors 8 ist mit der Einheit 4> mit der die RAM- und ROM-Speicher enthaltenden Einheit 7 und mit der speicheraustauschenden Einheit 9 verbunden. Der innere Aufbau der Einheiten 9 und 14 ist gleich. Die speicheraustauschende Einheit 9 schaltet den BUS der Mikroprozessoren 8 und 13 abwechselnd an die RAM-Einheiten 10 und 11 an. Der BUS des Mikroprozessors 13 ist mit der die ROM- und RAM-Speicher enthaltenden Einheit 12 mit dem Steuerstromkreis der alphanumerischen Tasteinrichtung 14» mit dem Steuerstromkreis der Katodenstrahlröhren-Anzeigeeinheit 15 und der Anpaßschaltung 16 des standardisierten äußeren BUS verbunden. Der Mikroprozessor 3 steuert die Sammlung der Meßdaten und stellt die Verstärkung des analogen Verstärkers, die Bandgrenze des analogen Filters sowie die Musternahmefrequenz ein und löst die Datenspeicherung im gewünschten Augenblick und bei dem vorge-

schriebenen Signalpegel aus. Er steuert ferner über die Einheit 4 die Datenaufladung der Meßdaten für die RAM-Einheiten 5 oder 6. Das Programm der Meßdatensammlung enthält die Einheit 2. Die zur Pourier-Analyse erforderlichen Berechnungen erfolgen durch den Mikroprozessor 8. Der Eingangsdatenblock ist in einer der RAM-Einheiten 5 oder 6 enthalten, und das Programm ist in der Einheit 7 gespeichert. Das Meßergebnis entsteht in einer der RAM-Einheiten 10 oder 11. Der Mikroprozessor 13 bewirkt die Anzeige, die Tastung und die Steuerung der äußeren digitalen Einrichtungen. Die Daten und das Frequenzspektrum werden von einem der EAM-Einheiten 10 oder 11 über die speicheraustauschende Einheit 9 erhalten, deren Programm ist in der RAM- und ROM-Speicher enthaltenden Einheit 12 gespeichert.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen schnell arbeitenden Fourier-Analysators wird nachstehend beschrieben.

Am Ausgang des A/D-Umsetzers erscheinen die Daten im Takt der Musternahmefrequenz. Diese Daten füllen der Reihe nach die RAM-Einheit 5, deren Kapazität z.B. das Wort 1K ist. Sobald die RAM-Einheit 5 gefüllt ist, liefert der Mikroprozessor 3 ein Steuersignal an die speicheraustauschende Einheit 4, die die RAM-Einheiten 5 und 6 umtauscht, indem die RAM-Einheit 5 an den BUS des Mikroprozessors 8 und die RAM-Einheit 6 an den BUS des Mikroprozessors 3 angeschlossen wird. Während der Umschaltzeit befinden sich beide RAM-Einheiten 5;6 in einen nicht aktivierten Zustand, so daß kein Datenverlust und kein Datenüberfluß zustande kommen kann. Der Austausch des Inhaltes der Speicher kann nur innerhalb einer Zeit erfolgen, die kürzer als das Zeitintervall von zwei Musternahmen ist, erfolgen, so daß die Eingangsdatenspeicherung kontinuierlich erfolgt. Der Mikroprozessor 8 bearbeitet die Daten der RAM-Einheit 5 als Eingangsdatenblock, führt die diskrete IOurier-Trans-

formation im Sinne des FFT-Algoritmus durch, und hält das Meßergebnis in der RAM-Einheit 10 fest. Nach Beendigung der Berechnungen liefert der Mikroprozessor 8 ein Signal an die speicheraustauschende Einheit S, die die RAM-Einheiten 10 und 11 umtauscht. Die RAM-Einheit 10 wird dann also an den BUS des Mikroprozessors 13 und die RAM-Einheit 11 an den BUS des Mikroprozessors 8 angeschlossen. Der Mikroprozessor 13 leitet das in der RAM-Einheit 10 befindliche komplexe Frequenzspektrum nach einer Absolutwertbildung und nach entsprechender Formung an die Anzeigeeinheit, die mit der Katodenstrahlröhre 15 versehen ist. Solange die diskrete Fourier-Transformation erfolgt, wird die RAM-Einheit β mit neuen Daten gefüllt. Falls die FFT-Berechnung eine kürzere Zeit als die Zeit, die zur Wiederspeicherung der RAM-Einheit 6 erforderlich ist, erfordert, arbeitet die Einrichtung als Analysator-mit gleichem Zeitanspruch, d.h. die Bearbeitung des Eingangsignales erfolgt kontinuierlich, und es treten keine, ausgelassenen Zeitintervalle auf. Falls die FFT-Berechnung eine längere Zeit erfordert als die Wiederaufladung der RAM-Einheit 6, kommt es solange zu keinem Umtausch der Speicher 5 und 6, wie der Mikroprozessor 8 die Berechnungen nicht durchgeführt hat. In diesem Falle werden einige Abschnitte der Eingangsignale während der Datenverarbeitung nicht berücksichtigt. Bei der Untersuchung von periodischen Signalen und Schwingungsvorgängen bedeutet dies aber keinen Nachteil.

Die alphanumerische Tasteinrichtung 14 ist an den BUS des Mikroprozessors 13 angeschlossen. Die Befehle des Operators werden größtenteils durch diesen Mikroprozessor durchgeführt. Diejenigen Befehle, die an die Mikroprozessoren 8 bzw. 3 gerichtet sind, werden während des Austausches der RAM-Einheiten 10 und 11 bzw. 5 und 6 weitergeleitet. Die Strömungsrichtung der Befehle ist der Richtung der Strömungsrichtung der Signale entgegengesetzt. Die Übersetzungsprogramme der an sich bekannten Programmsprachen sind im ROM-Speicher der Einheit 12 gespeichert.

Bei Versuchen wurden Mikroprozessoren der Typen 8085 und 8086 verwendet. Die inneren multiplizierenden Befehle des die FFT-Berechnung durchführenden Prozessors wurden nicht verwendet, für diesen Zv/eck wurde ein separater multiplizierender Stromkreis eingesetzt. Der A/D-Umsetzer hatte ein Auflösungsvermögen von 12 bit und der Eingangdatenblock 1K bestehend aus einem Wort von 16 bit. Die FFT-Berechnungszeit betrug ca. 1 see, so daß "bis zu 400 Hz eine gleichzeitige Analyse durchführbar war. Die größte Bandbreite der Einrichtung war 20 kHz. Das Frequenzspektrum besaß ein Auflösungsvermögen von 400 Punkten.

Wie ersichtlich, kann der erfindungsgemäße, schnell, arbeitende Fourier-Analysator unter geringem Kostenaufwand mittels in MOS-Technologie hergestellter Mikroprozessoren aufgebaut werden.. Dadurch wird auch der Yorteil gesichert, daß die entwickelten Schaltkreise und die software mit geringem Aufwand realisiert werden können und eine einfache Konstruktion erhältlich ist. Yon großem Yorteil ist ferner die Programmierbarkeit der Einrichtung, der Benutzer kann mittels einer bekannten Programmsprache den Analysator ohne weiteres der gegebenen Aufgabe anpassen.

Claims

- 9 Erfindungsanspruch:

1· Schnell arbeitender Fourier-Analysator mit Mikroprozessor-Aufbau, versehen mit Eingabe- und Auslese-Speichern und daran angeschlossenen dreistelligen digitalen SchaltStromkreisen, wobei die SchaltStromkreise mit einer Steuersignalquelle versehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß ^ljeder Mikroprozessor (3, 8, 13) mit einem Speicher (2, 7, 12) versehen ist, der über Eingabe- und Auslesespeicherteile (5$ S, 10, 11) verfügt, wobei diese Mikroprozessorenteile (5, 6, 10, 11) durch dreistellige digitale Schalter (4, 9) ergänzt sind, die zum nächsten Mikroprozessor (3, 8, 13) umschalten und die dreistelligen digitalen Schalter (4·, 9) am Ausgang einer gemeinsamen Steuerquelle - zweckmäßig an einem Mikroprozessor (3 bzw. 8 bzw. 11) angeschlossen sind·

2· Schnell arbeitender Fourier-Analysator nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die dreistelligen digitalen Schalter (4, 9) der Eingabe-Auslese-Speicherteile (5, 6, 10, 11) das Steuerorgan *für die Daten- und Befehlsströme zwischen den Mikroprozessoren sind.

- Hierzu 1 Blatt Zeichnung -