RU1781653C - Устройство дл определени периодического электрического сигнала - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике, в частности может найти применение в цифровых вольтметрах, используемых при электроразведке рудных месторождений , залб ающих на глубинах до 1,5-2 км. Цель изобретени  - повышение помехоустойчивости . С этой целью в устройство дл  измерени  периодического электрического сигнала, содержащее блок синхронизации , блок кодировани , первый регистр и блок вычитани , дополнительно введены блок пам ти весовых коэффициентов, второй регистр, блок определени  минимального сигнала, первый и второй блоки делени , регистр сдвига, блок умножени , первый и второй накапливающие сумматоры. 4 ил.

Description

(Л

С

Изобретение относитс  к измерительной технике низких и инфраиизких частот и может найти применение в цифровых вольтметрах , используемых при поисках рудных месторождений, залегающих на глубине до 1,5-2 км.

Известны измерительные устройства, в которых входной периодический электрический сигнал преобразуетс  в пропорциональные отклонени  частоты, с дальнейшим преобразованием этих отклонений частоты в n-разр дный цифровой код (выборку сигнала ) за каждый период сигнала и накоплением информации за целое число периодов входного сигнала.

Известные устройства помехоустойчивы при флуктуационной помехе, имеющей нормальное Гауссово распределение. Однако эти устройства имеют низкую помехоустойчивость по отношению к импульсным помехам с неизвестным законом распределени , в том числе гауссовским с большой

дисперсией и (или) ненулевым математическим ожиданием.

Известно также устройство дл  геоэлектроразведки , вз тсо в качестве устройства- прототипа. В устройстве-прототипе накопление выборок сигнала осуществл етс  в интервалы времени отсутстви  импульсных помех. Основным существенным недостатком устройства-прототипа  вл етс  низка  помехоустойчивость из-за значительного вли ни  редких нестационарных помех, следующих со средним интервалом времени меньшим или равным интервалу времени накоплени  выборок периодического сигнала.

Целью изобретени   вл етс  повышение помехоустойчивости.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  измерени  периодического электрического сигнала, содержащем блок кодировани , первый и второй резисторы , блок вычитани , блок синхронизаvi

00

сЈ ел

CJ

ции. первый выход которого подключен к установочному входу блока кодировани , сигнальный вход которого  вл етс  входом устройства подачи измер емого сигнала, а выход подключен ко входу записи первого регистра, выход которого подключен к первому входу блока вычитани , второй вход которого подключен к выходу второго регистра , а управл ющий вход - ко второму выходу блока синхронизации, дополнительно введены блок пам ти весовых коэффициентов , блок определени  минимального значени  си гнйла, первый и второй блок делени , сумматор, первый и второй накапливающие сумматоры, блок умножени , регистр сдви- га, выход которого  вл етс  выходом устройства , информационный вход подключен к выходу второго блока делени , установочный вход - к третьему выходу блока синхро- низации, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров , к тактовому входу второго блока делени , первый и второй информационным входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго накаплива1- ющих сумматоров, информационные входы которых подключены соответственно к первому информ ционному входу блока умножени , к выходу блока пам ти весовых коэффициентов и к выходу блока умноже- ни , а вторые тактовые входы - соответственно к четвертому выходу блока синхронизации тактовым входам блока умножени  и первого блока делени  и к п тому выходу блока синхронизации, шестой выход которого подключен к установочному входу первого регистра, выход которого подключен соответственно к перв ому входу блока определени  минимального значени  сигнала , к первому входу сумматора, тактовый вход которого подключен ко второму выходу блока синхронизации, к установочному входу второго регистра, выход - ко второму входу блока умножени , второй информационный вход - к выходу второго регистра и ко второму входу блока определени  минимального значени  сигнала, выход которого подключен к первому информационному входу блока делени , второй информационный вход которого подключен к выходу бло- ка вычитани , а выход - ко входу блока пам ти весовых коэффициентов, выход блока кодировани  подключен ко входу записи второго регистра

На фиг, 1 изображена функциональна  схема устройства. На фиг 2 даны диаграммы (эпюры), по сн ющие принцип работы устройства. На фиг 3, 4 провод тс  результаты математического Моделировани  работы известного и предлагаемого устройства

Устройство содержит (фиг, 1) блок кодировани  1. первый регистр 2, блок вычитани  3, первый блок делени  4, блок пам ти весовых коэффициентсв (БП) 5, второй регистр б, блок определени  минимального сигнала 7, блок умножени  8, первый накапливающий сумматор 9, сумматор 10, второй накапливающий сумматор 11, второй блок делени  12, регистр сдвига 13, блок синхронизации (БС) 14, состо щий из задающего генератора 15, счетчика времени 16, инвертора 17, элемента И 18, распределител  импульсов 19, первого и второго элементов задержки 20 и 21, первого, второго, третьего , четвертого, п того и шестого выходов 22-1-22-6. На фиг. 2 изображены следующие эпюры: 23 - диаграмма сигнала на выходе счетчика времени 16, 24 - диаграмма сигнала на выходе задающего генератора 15, 25 - выходной код блока кодировани  1, 26 - выходной код первого регистра 2, 27 - выходной код второго регистра 6, 28, 29 - диаграммы выходного сигнала на первом и втором выходах распределител  импульсов 19, 30 - диаграмма выходного сигнала элемента И 18, 31 - диаграмма выходного сигнала первого элемента задержки 20, 32 - диаграмма выходного сигнала второго элемента задержки 21,

Блок кодировани  1 установлен на входе предлагаемого устройства и подключен выходом ко входам записи первого и второго регистров 2 и 6, подсоединенных выходами к информационным входам блока вычитани  3 и сумматора 10 ко входам блока определени  минимального сигнала 7. Первый блок делени  4 установлен между входом БП 5 и выходами блока вычитани  3 и блока определени  минимального сигнала 7 Блок умножени  8 подсоединен информационными входами к выходам сумматора 10 и БП 5 Выход БП 5 соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора 9 Информационные входы второго блока делени  12 подсоединены непос- редственно к выходу первого накапливающего сумматора 9 и через второй накапливающий сумматор 11 к выходу блока умножени  8 Выход второго блока делени  12 подключен к информационному входу регистра сдвига 13. БС 14 подсоединен первым выходом 22-1 к установочному входу блока кодировани  1, вторым выходом 22-2 ко входам управлени  блока вычитани  3 и сумматора 10 и к установочному входу второго регистра 6, третьим выходом 22-3 и установочному входу регистра сдвига 13, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров 9 и 11

и к тактовому входу второго блока делени  12, четвертым выходом 22-4 к тактовым входам первого блока делени  4 и блока умножени  8 и ко второму тактовому входу первого накапливающего сумматора 9, п тым выходом 22-5 ко второму тактовому входу второго накапливающего сумматора 11 и шестым выходом 22-6 к установочному входу первого регистра 2. В БС 14 элемент И 18 входами подключен непосредственно и через последовательную цепь, состо щую из счетчика времени 16 и инвертора 17 к выходу задающего генератора 15. Выход задающего генератора 15 подсоединен к тактовому входу непосредственно и через счетчик времени 16 к установочному входу распределител  импульсов 19. Первый элемент задержки 20 установлен между вторым выходом распределител  19 импульсов и входом второго 21 элемента задержки. Выходы задающего генератора 15, первого и второго распределител  импульсов 19, первого и второго элементов задержки 20 и 21 и элемента И 18 подсоединены соответственно к первому, шестому, второму, четвертому , п тому и третьему выходам БС 14.

Устройство работает на основе алгоритма поларнрго весового накоплени  выборок периодического электрического сигнала, в котором при измерении периодического входного сигнала Ux(t) осуществл ют выборки сигнала Ui, U2,...Un. кажда  из которых представл ет, например, интеграл от модул  за каждый период входного сигнала, где п - число накапливаемых выборок сигнала , при отсутствии помех выборки Ui, Ua,... Un за любой период входного равны между собой. При наличии нестационарных (импульсных) помех выборки станов тс  не равными друг другу.

Дл  каждой пары выборок, состо щей из U2H-1 (дл  нечетных номеров выборок) 1, 3, 5,,..а-- 1) и l)2i+2 (дл  четных номеров выборок 2,4,6,,.. п) определ ют абсолютную разность AU2iM |U2H-1 - U2H-2 | , меньшую из выборок по абсолютной величине min iU2i+i (; i U2H-2J) и сумму U2i+i + U2J+2, а также

отношение P2iM -;-/,,, , „.

min (|U2i+,|;|U2i+i|)

где i 0, 1, 2,.. ( - 1). По значени м Р2|+1

дл  каждой пары определ ют весовой коэффициент K2I+1 ехр(-11,1D2i+i2) или K2I+1 ,

1

%осуществл ют накопление

11.1 P2I-M+1

сумм пар выборок (U2i+i +1)21+2) умноженных на весовой коэффициент kai+i, результат накоплени  U определ етс  следующим выГУ2-1

ражением: 1) - Y К21-н (U2I-H U2I+2). Ука5i 0

занную сумму (нормируют и регистрируют

ГУ2-1

полученный результат: U

2 k2i+l(U2H1 + 0

5

0

0

IV2-1

U2H-2)/2 У К2Н-1. В блоке 1 кодировани 

периодический сигнал Ux(t) преобразуетс  в пропорциональные отклонени  частоты с дальнейшим преобразованием этих откло- нений за каждый период Т входного сигнала в n-разр дный цифровой код (кодовое слово ). Кодовые слова N21+1 изображены дл  нагл дности на эпюре 25 (фиг. 2) в виде пр моугольных импульсов. Синхронизаци 

0 (запуск) работы блока 1 осуществл етс  пр моугольными импульсами (эпюра 24, фиг. 4), поступающим с первого 22-1 выхода 22-1 БС 14. Коэффициент преобразовани  блока 1 выбираетс  таким образом, чтобы численные значени  N21+1, было равно выборке напр жени  U2i+l, где i 0, 1, 2,... п. При отсутствии помех кодовые слова за любой период входного сигнала, без учета погрешности преобразовани , должны быть равны между собой.

Первое кодовое слово NI блока кодировани  1 поступает на вход первого регистра 2. Запись NI в регистре 2 осуществл етс  передним фронтом импульса, поступающе- го с шестого выхода 22-6 БС 14 (эпюра 29, фиг. 2). Второе кодовое слово N2 записываетс  во втором 6 регистре передним фронтом импульса, поступающего со второго выхода 22-2 БС-14 (эпюра 28, фиг. 2). Содержимое NI и N2 регистров 2 и 6 (эпюры 26 и 27, фиг. 2) поступает на входы блока вычитани  3, блока определени  минимального сигнала 7 и сумматора 10. Задним фронтом импульса, поступающего со второго выхода

5 22-2 БС 14 (эпюра 28, фиг. 2), в блоке вычитани  3 определ етс  абсолютна  разность ANi fNi-N2|, а в сумматоре 10 сумма (Ni + N2). В блоке определени  минимального сигнала 7 находитс  меньшее из кодовых слов по абсолютной величине min( j N1) ; |N2 |). Содержимое ANi iNi - N2 блока вычитани  3 и min( | N11; (N2 | ) блока 7 поступают на информационные входы пер- вого блока делени  4. Передним фронтом импульса, поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 28, фиг. 2), осуществл етс  деление абсолютной разности A IMi на минимальный из двух NI и N2, т.е. на

0 выходе первого 4 блока делени  будет сниматьс  кодовое слово:

ANi

P1 min (|Ni ; N2) В БП 5 записаны значени  функций

1

-- дл  разехр (-11,1р),или-111р, + 1

личных р. Следовательно, значение р  вл етс  адресом записанного значени  функции весовых коэффициентов в БП 5, Пусть дл  определенности, в БП 5 записаны значени  функции ехр(-11,1р2). Выходной код Pi с выхода первого 4 блока делени  поступает на вход БП 5 снимаетс  значение весового коэффициента ki ехр(-11,1 pi ). Выходной код k1 поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 9 и на один из входов блока умножени  8, на второй вход которого подаетс  кодовое слово с выхода сумматора 10. Задним фронтом пр моугольного импульса, поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 31, фиг. 2), разрешаетс  умножение (Ni + N2) на ki в блоке умножени  8 и запись кода ki в первый накапливающий сумм тор 9. Выходной код ki(Ni N2) блока умножени  8 поступает на информационный вход второго накапливающего сумматора 11, Передним фронтом импульса, поступающего с п того выхода 22-5 БС 14 (эпюра 32, фиг. 2), код ki(Ni - N2) записываетс  во второй накапливающий сумматор 11.

Далее с блока кодировани  1 в первый и во второй регистры 2 и 6 поступают соответственно кодовые слова Мз и NA (эпюра 26 и 27, фиг. 2). Вновь определ етс  абсолютна  разность Д N3 . N3 - N4J в блоке вычитани  8, меньшее из Мз и N4 по абсолютному значению в блоке 7 и сумма (N3 + N/J) в сумматоре 10 В первом блоке делени  4

ДМ3г

наход т величину рз - -- едЩу С

выхода БП 5 снимаетс  значение весового коэффициента ka - ехр(-11,1рз2). Выходной код кз поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 9 и на один из выходов блока умножени  8, на второй вход которого подаетс  кодовое слово (N3 + N4) с выхода сумматора 10 Задним фронтом пр моугольного импульса поступающего с четвертого выхода 22-4 БС 14 (эпюра 31, фиг 2), разрешаетс  умножение (N3 N4) на кз в блоке умножени  8 и запись кода k в первый накапливающий сумматор 9. В первом накапливающем сумматоре 9 осуществл етс  определение суммы ki г N2. Выходной код кз (N3 N4) блока умножени  8 поступает на информационный вход второго накапливающего сумматора 11 Передним фронтом импульса, поступающего с п того 22-5 выхода 22-5 БС 14 (эпюра 32, фиг 2} код ka(№ + N4) записываетс  во второй накапливающий сумматор

11. В результате во втором накапливающем сумматоре 11 будет записано кодовое слово , равное сумме: ki(Ni + N2) + ks(N3 + N4).

Далее процесс накоплени  повтор етс  до тех пор пока не накопитс  определенное п/2 пар кодовых слов. В результате за интервал времени At пТ , в первом накапливающем сумматоре 9, результат будет

гу2 -1

равен K2i + 1 а во втором накапливаю-

щем сумматоре 11 результат - Г

I-О k2i+l(N2i+1 + N2i+2).

Выходные коды первого и второго накапливающего сумматора 9 и 11 поступают на информационные входы второго блока делени  12, где осуществл етс  деление coдержимого блока 11 на содержимое блока 9. Разрешение на проведение операции делени  осуществл етс  передним фронтом импульса , поступающего с третьего выхода БС 14 (эпюра 30, фиг. 2). В результате. на выходе второго блока делени  12 будет сниматьс код2N

fV2-1

2 K2i + 1( N2i + 1 +N2i+2)

У2-1

I K2, + 1

поступающий на информационный вход регистра сдвига 13. Информаци  2N записанна  в регистре сдвига 13 подвергаетс 

логической операции сдвига вправо (деление на 2). В результате в регистре сдвига 13 будет записан код N, который  вл етс  выходным кодом предлагаемого устройства Задним фронтом импульса (эпюра 28, фиг.

2) накапливающие сумматоры 9 и 10 устанавливаютс  в нулевое состо н иё. После этого процесс весового накоплени  повтор етс  и так далееi

В БС 14 задающий генератор 15 выра

батываемый пр моугольные импульсы длительностью Ati и периодом Т входного сигнала (эпюра 24. фиг. 2). Эти импульсы поступают на вход управлени  блока кодировани  1 и на входы счетчика времени 16 и

распределител  импульсов 19. Счетчик времени 16 вырабатывает пр моугольные импульсы (эпюра 28, фиг. 2) длительностью A t nT, в течение которого осуществл етс  весовое накопление выборок сигнала Распределитель импульсов 19 формирует импульсы , которые примен ютс  дл  выделени  кодовых слов с нечетными номерами (эпюра 28, фиг. 2). Импульсы со второго выхода распределител  19 импулыов е первом и втором элементах задержки 20 и

21, задерживаютс  на интервал времени Д ti, в котором (эпюра 31,32, фиг. 2), элементом И 18 выдел етс  (п + 1) - импульс (эпюра 30, фиг. 2). Сигналы, сформированные в БС 14, примен ютс  дл  управлени  работы блоков 1-13.

Проводилось моделирование на ЭВМ и сравнение результатов работы предлагаемого устройства обработки сигналов при обоих вариантах вычислени  весовых коэф- фициентов и известных устройств, в которых реализован способ простого накоплени  (среднего арифметического).

При проведении моделировани  многократно повтор етс  сигнал а, содержащий небольшую флюктуационную помеху с нормальным центрированным распределением N(0, 7i2). В одних опытах заданный процент еслучайно вз тых выборок сигнала поражалс  аномальной импульсной помехой# , также имеющий нормальное центрированное распределение, но гораздо большую, чем (1 , дисперсию а 2 . В других опытах все было аналогично но аномальна  импульсна  помеха бралась одного знака и равн ласьj% | . Оба случа  соответствуют помехам, действующим в геоэлектроразведке методом вызванной пол ризации При заданном г проценте выборок сигнала , пораженных аномальной помехой, про- водилось по 50 опытов. Дл  каждого опыта по одним и тем же исходным выборкам сигнала , проводилась обработка выборок и получалась оценка сигнала (результаты измерений ). Затем дл  всех 50 опытов, отдель- но дл  каждого способа, определ лось среднее квадратическое отклонение (тполучаемых оценок а, от истинного сигнала

а

502

S,(a,-a)

i - I

50

На графиках фиг. 3 изображены примеры полученных зависимостей дл  аномальной помехи , фиг.4 - дл  аномальной помехи), , имеющей несимметричное распределение и ненулевое математическое ожидание.По вертикальной оси отложено среднее квад- ратичное отклонение результата, нормированное к величине сигнала а/а, по горизонтальной - дол  выборок сигнала, пораженных аномальной помехой. Кривые 1 относ т к известному устройству, а кривые 2, 3 - предлагаемому устройству соответственно при весовых коэффициентах К2н-ч

1

11,1 р + 1

и k2i+i ехр(- 11.1 р ). Кривые

(фиг. 3,4) получены при следующих парамет5

10

15 0 5 0 5

0

5 0 5

рах моделировани : число выборок п в каждом опыте 32, сигнал а равен 1 вольту, корень из дисперсии х/сп у флюктуационной помехи задавалс  равным 0,1 а, у аномальной помехи Vo% равным 2а. На кривых (фиг. 3,4) видно, что предлагаемое устройство дает заметный выигрыш по сравнению с известным устройством. Так, например, если аномально большой несимметричной помехой одного знака поражена четверть выборок (фиг. 4), то среднее квадратическое отклонение результата от истинного в предлагаемом устройстве примерно в дес ть раз меньше, чем в известных устройствах.

Опыты аналогичные описанным, проводились также дл  аномальной помехи, имеющей другую дисперсию О2, а также другое распределение. В частности сравнение осуществл лось также при Oi 0,5а. Распределение аномальной помехи, кроме описанного, принимались равномерным от -За до За, равномерным от 0 до За.

Во всех опытах относительные результаты были примерно аналогичными приведенным на фиг. 3, 4. При увеличении числа выборок искаженных аномальной помехой до 70-80% от общего числа выборок предлагаемое устройство всегда давало заметное преимущество перед известными.

Таким образом, в предлагаемом устройстве повышена помехоустойчивость путем введени  дополнительных блоков и их св зей .

По сравнению с измерительным устройством аппаратуры ЭВП-801 1, выбранным в качестве базового объекта, применение предлагаемого-устройства позволит значительно повысить помехоустойчивость измерений в районах со значительным уровнем импульсных помех.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  определени  периодического электрического сигнала, содержащее блок кодировани , первый и второй регистры, блок вычитани , блок синхронизации , первый выход которого подключен к установочному входу блока кодировани , сигнальный вход которого  вл етс  входом устройства подачи измер емого сигнала, а выход подключен к входу записи первого регистра, выход которого подключен к первому входу блока вычитани , второй вход которого подключен к выходу второго регистра , а управл ющий вход - к второму выходу блока синхронизации, отличающее- с   тем, что, с целью повышени  помехоустойчивости , дополнительно введены блок пам ти весовых коэффициентов, блок определени  минимального значени  сигнала, первый и второй блоки делени , сумматор,

   первый и второй накапливающие сумматоры , блок умножени , регистр сдвига, выход которого  вл етс  выходом устройства, информационный вход подключен к выходу второго блока делени , установочный вход

   -к третьему выходу блока синхронизации, к первым тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров, к тактовому входу второго блока делени , первый и второй информационные входы которого под- ключены соответственно к выходам первого

   и второго накапливающих сумматоров, информационные входы которых подключены соответственно к первому информационному входу блока умножени , к выходу блока пам ти весовых коэффициентов и к выходу блока умножени , а вторые тактовые входы

   -соответственно к четвертому выходу блока синхронизации, тактовым входам блока умножени  и первого блока делени  и к п тому

   выходу блока синхронизации, шестой выход которого подключен к установочному входу первого регистра, выход которого подключен соответственно к первому входу блока определени  минимального значени  сигнала , к первому входу сумматора, тактовый вход которого подключен к второму выходу блока синхронизации, к установочному входу второго регистра, выход - к второму входу блока умножени , второй информационный вход - к выходу второго регистра и к второму входу блока определени  минимального значени  сигнала, выход которого подключен к первому информационному входу блока делени , второй информационный вход которого подключен к выходу блока вычитани , а выход - к входу блока пам ти весовых коэффициентов, выход блока кодировани  подключен к входу записи второго регистра.

   0.25o.50

   фиг 3

   0.75 Ј

   0.5 О

   0.75 I