SU1223248A1 - Устройство дл дискретного преобразовани Фурье - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к анализаторам частотного спектра сигналов и может быть использовано дл  их спектрального представлени  в аппаратуре обработки данных. Целью изобретени   вл етс  повьшение точности дискретного преобразовани  Фурье за счет увеличени  верхней граничной частоты анализируемого спектра. Устройство содержит блок выборки, управл емый потенциометр, генератор тригонометрических функций, операционный усилитель , четыре распределител  импульсов , две группы аналого-цифровых преобразователей, две группы блоков выборки, два блока управлени  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

Description

1

Изобретение относитс  к анализа- торам частотного спектра сигналов и может быть использовано дл  их спектрального представлени  в аппаратуре обработки данных.

Цель изобретени  - повышение точности дискретного преобразовани  Фурье за счет увеличени  верхней граничной частоты анализируемого спектра.

На фиг. 1 приведена схема устройства с одним К-м фильтром} на фиг.2- схема генератора тригонометрических функций; на фиг.З - схема блока управлени  суммированием} на фиг.4 - схема блока посто нной пам ти генератора кодов.

Устройство содержит информационный вход 1, блок 2 выборки, цифро- налоговый преобразователь 3, состо щий из цифроуправл емого резистора 4 и операционного усилител  5 с масштабирующим резистором, блоки и 7 выборки группы, генератор 8 ригонометрических функций с входаи 9-11 и выходами 12-15, аналого- ифровые преобразователи (АЦП) 16 17 группы, генератор 18 тактовых мпульсов, 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 управлени  суммированием , сумматоры 41 и 42, информационные выходы 43 и 44, вход 45 запуска , выход 46 сигнала конца формировани  гармоник, распределитель 47, первьш 48 и второй 49 блоки посто нной пам ти, 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 ШШ 59, элемент ИЛИ 60, триггер 61 знака, деблокирующий триггер 62, элементы И 63 второй группы элементы И 64 третьей группы,  чейки 65 пам ти кодов весовых функций,  чейки 66 пам ти кодов знака, элементы И 67, элементы ИЛИ 68.

Устройство определ ет синусную и косинусную составл ющие гармоник разложени  измер емой величины в дискретный р д Фурье в соответствии с известными выражени ми

223248

N . 2iuk . А, ,

iiiiK .

В Х| cos

N

0

5

0

где А и Ъ

N

-соответственно синусна  и косинусна  составл ющие k-и гармоники;

-число выборок (диск- рет);

i - текущий номер выборки; Устройство работает следующим

5 образом.

По внешнему сигналу запуска,поступившему на шину 45,устройство переключаетс  в исходное состо ние, в котором открываетс  первый выход

0 21 регистра 20, в распределителе 47 генератора 8 на первом его выходе устанавливаетс  единичное значение сигнала, а триггер 50 переключаетс  в состо ние, при котором деблокируштс  элементы И 51 в цеп х управлени  считьшанием кодов первого блока 48 посто нной пам ти, в распределител х 35 - 38 (фиг. 1) деблокируютс  первые выходы, содержимое сумма0 торов 41 и 42 становитс  нулевым, а в блоках 39 и 40 управлени  (см. черт. 3i) в исходное состо ние переключаютс  все триггеры. Внешний сигнал запуска с задержкой в элементе

c 30 переключает триггер 29, который деблокирует элемент И 19. Тактовые импульсы генератора 18 начинают поступать в регистр 20. Первый по вившийс  на входе регистра 20 тактовый импульс передаетс  в блок 2 выборки,, и одновременно этим импульсом закрываетс  выход 21 и открываетс  выход 22. Тактовым импульсом строби- руетс  блoJк 2 выборки, и в этом блоке запоминаетс  первое дискретное значение измер емой величины Х(х, которое передаетс  на вход преобразовател  3. Напр жение на выходе резистора 4 определ етс  в соответствии с выражением

RH и,

М-1

R + R

.O- J 1

(3)

СЗ)

55 где сопротивление масштабирумщего резистора;

R - входное сопротивление резистора 4-,

.

8hix

м L ,31

напр жение на выходе блока 2

выборки;

число разр дов двоичного

кода;

значение j-ro разр да,равно

нулю или единице.

Можно записать,

де

бых

М-1

..

1

что

UBX л м- 1

(Ь)

С

RH

: Corvst

и

Из этого вьфажени  следует, что измен етс  в соответствии со ,j

чением кода LJ- -, В данном слуВых

еь,х

было проy: -

Т

чае необходимо, чтобы U порционально произведению текущего значени  U на текзлцие значени  ве сйвых функций sin- JbjJi и cos

„ NN

ДЛЯ 1-й дискреты к- -и гармоник

М-1

.J Ug iTTjK ; м ,--Sin

т.е.

или

L..1

J-0 М-1

И

J:O

2. -1

N

и

6Х

L 1 к и

- Sih

211 I К

N

СМ

Аналогично дл  второй составл ющей М-1

-Cos

t5)

Из последних выражений дл  каждой из гармоник вычисл ют значени  кодов

1

; синусоидальной и косинусоидальной

весовых функций. Эти коды хран т в блоке посто нной пам ти генератора 8,

Таким образом, по мере поступлени  кодов из генератора 8 на выходе резистора 4 по вл ютс  напр жени ,значени  которых пропорциональны текущим произведени м дискретных значений измер емой величины X,-на соответству- клцие значени  весовых функций. В исходном состо нии генератор 8 выдает код, соответствукнций первому значе- нию синусоидальной функции. Поэтому при по влении на выходе блока 2 выборки напр жени  X на выходе резистора 4 устанавливаетс  напр жение, пропорциональное произведению X.

на величину sin .

N

С поступлением второго тактового импульса с генератора 18 этот импульс через открытый к этому моменту времени второй выход 22 регистра 30 передаетс  на вход распределител  36 и далее через его первый де1

  й - ,

223248

блокированный выход на соответ ствую- щий вход блока 39 и одновременно на вход стробировани  соответствующего блока 6 выборки. Тем в ,

5 блоке выборки фиксируетс  выходное напр жение резистора 4, переданное через блок 5.

Вторым тактовым импульсом в регистре 20 закрываетс  второй выход

10 и открываетс  третий выход 23 этого блока. Третий тактовый импульс передаетс  через открытый выход 23 регистра 20 на вход распределител  35 и далее через его первый деблокиро15 ванный выход запускает соответствую- пщй АЦП 16. При этом кодируетс  выходное напр жение блока 6 выборки. Одновременно с запуском АЦП тактовый импульс с выхода 23 регистра 20

20 передаетс  в генератор 8, на выходах 15 которого устанавливаетс  код, соответствующий первому значению косинусоидальной функции. При этом аналоговые ключи резистора 4 переклю25 чаютс  и на его выходе устанавливаетс  напр жение, пропорциональное произведению Х, на величину cos « После установлени  этого напр жени  п-й тактовый импульс передаетс 

3Q через предварительно открытый выход 24 регистра 20 на вход распределител  38 и далее через его первый деблокированный выход на вход стробировани  соответствующего блока 7 выборки. Интервал времени между третьим и п-м тактовыми импульсами обеспечивает задержку, необходимую дл  установлени  напр жени  на выходе блока 5 после переключени  резистора 4. Период этих импульсов задают в соответствии с временем установле-- ни  выходного сигнала блока выборки.

35

40

Одновременно со стробированием блока 7 выборки п-м тактовым импульсом закрываетс  выход 24 и открываетс  выход 25 регистра 20. Очередной (п+1)-й тактовый импульс передаетс  через выход 25 регистра 20 на вход распределител  37 и далее через его

первьй деблокированный выход запускает соответствукицнй АЦП 17. При этом кодируетс  напр жение соответствующего блока 7 выборки, пропорциональное произведению Х на величину

cos г-р-. Одновременно (п+1)-й тактовый импульс передаетс  в генератор 8, на выходах 15 которого устанавливаетс  код, соответствующий второму

значению синусоидальной функции. По этому коду выходное сопротивление

резистора 4 устанавливаетс  пронор 2Пк циональным величине sin--.

С задержкой н§ врем  переключе ч  резистора 4 регистр 20 на предварительно открытом выходе 26 выдает импульс , которым после необходимого формировани  в элементе 33 регистр 20 переключаетс  в исходное состо ние (открыт его первьй выход 21),. Указанна  задержка достигаетс  аналогично задержке в по влении импульсов на выходах 23 и 24 регистра 20. В каждом распределителе 35 - 38 прохождение соответствующего тактового импульса сопровождаетс  блокированием открытого выхода и деблокирование следующего.

Таким образом, к началу следующег цикла оказываютс  деблокированными одноименные выходы (позиции) этих распределителей. Далее циклы получени  дискретных значений Х-, , их умножени  на соответствующие значени  весовых функций cos

NN

И кодировани  этих произведении повтор ютс  аналогичное Генератор 8 (фиг. 2) 3 кахедом К-м фильтре содер жит два блока 48 и 49 досто нной па- м тно В первом кз них записаны коды, вычисленные по выражению (4), а во втором - вычисленные по выражению (5) дл  одной к й гармоники. Коды в блок посто нной пам ти записывают в виде (М+1)разр дных слов (М разр дов код плюс 1 разр д знака в каждом слове). Каждое сдово хранитс  в группе (строке ) из М одноразр дных  чеек 65 па- м ти и одной такой  чейки 66 дл  знака . Дл  считьшани  кодов использован строки элементов И 64. Слова из каждого блока пам ти выбираютс  последовательно по сигналам распределите- л  47.

В каждом цикле умножени  текущего значени  Xj из каждого блока пам ти выбирают по одному соответствующему слову, сначала из блока 48 пам ти (sin ) по тактовому импульсу, поступившему на вход 10 генератора 8, а затем из блока 49 пам ти по такте- нему импульсу, поступившему на вход 11 генератора 8. Эти тактовые импуль сы переключают триггер 50. Таким образом сигналы с выхода распределител  47 задают код, соответствующий

0

5

0

5

0 5 5

0 5

i-му значению обеих-весовых функций, а триггером 50 выбираетс  сама весова  функци  - синусна  или косинусна . Количество кодов (слов) в каждом блоке посто нной пам ти равно N.

Широкополосчость блока 2 выборки измер емой величины предопредел ет достижимую верхнюю граничную частоту анализа и соответственно шаг л t дискретизации по времени измер емого сигнала. Однако при этом шаг ftt должен выбиратьс  с учетом быстродействи  всех элементов устройства,прежде всего АЦП и сумматоров.

Предлагаемое техническое решение позвол ет свести к минимуму зависимость шага дискретизации &t от быстродействи  АЦП и сумматоров. Это достигаетс  применением группы последовательно запускаемых по времени АЦП с блоками выборки, количество которых в каждой группе можно выбирать из услови 

где врем  преобразовани  одного АЦП,

t - врем  передачи и суммировани  в сумматоре кода одного АЦП.

Скобки в приведенном выражении указывают на то, что от суммы отбрасьшают дробную часть. Однако следующий АЦП с блоком выборки запускаетс  в группе через интервал времени 2At, так как в одном цикле работы устройства определ ;отс  значени  двух состав- . л ющихК -и гармоники. Поэтому количество АЦП с блоками выборки в группе выбирают с учетом шага дискретизации , равного 2ut. С увеличением времени преобразовани  одного АЦП увеличивают их количество в группе .

Таким образом, каждый АЦП с блоком выборки запускаетс  в группе через интервал времени d 2ut. АЦЦ кодируют произведени  мгновенных значений X,- измер емой величины на текущие значени  весовых функций в соответствии С выражени ми (1) и (2), а алгебраическое суммирование кодов этих произведений с учетом знака осуществл етс  сумматорами 41 и 42. Коды в сум7

маторы .передаютс  последовательно в соответствии с позицией АЦП через блоки 39 и 40 управлени .

Блок управлени  (фиг. 3) работает следующим образом.

Сигналы кодов АЦП передаютс  в сумматор через группу ключей 53, одноименные разр ды которых объединены элементами ИЛИ 58 блока. Выходные шины кодов разр дов блока элементов ИЛИ 58 подсоединены к кодовому выходу блока управлени . Коды в блок элементов ИЛИ 58 передаютс  только от одного АДП.

Claims (1)

1. Формула изобре

   В исходном состо нии триггером 62, 15 щим триггером 62 или 57. который управл етс  через соответствующие элементы 54 и 59 сигналом конца преобразовани  АЦП последней позиции в группе, деблокирован элемент И 55 в цепи сигнала конца преобразовани  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 состо нии выдает сигнал, соответст25

   вующий знаку плюс. В исходное состо ние указанные элементы переключаютс  по сигналу сброса устройства, который передаетс  в блоке через элементы ИЛИ 59. По сигналу конца преобразовани  АЦП первой позиции, переданному через деблокированный триггером 62 элемент И 55, выполн етс  считывание и передача кода этого АЦП в сумматор и одновременно переключаетс  триггер 62 и блокируетс  указанный элемент И 55. Этот же сигнал , но с задержкой в элементе 54, необходимой дл  выполнени  операций в сумматоре, переключает соответст- вук ций триггер 57, который, в свою очередь деблокирует св занный с ним элемент И 55 в цепи сигнала конца преобразовани  АЦП соседней позиции. По сигналу конца преобразовани  этого АЦП выполн етс  считывание его выходного кода и передача этого кода в сумматор. Далее процесс передачи кодов из АЦП в сумматор последовательно повтор етс  аналогично описанному с переключением триггеров 57 и блокированием элементов И 55.

   Триггеры 56 запоминают сигналы, соответствующие изменени м знака алгебраического суммировани  кодов АЦП. Эти сигналы через элемент ИЛИ 60 переключают триггер 61. Каждый триггер

   Устройство дл  дискре

   20 разовани  Фурье, содержа тор тактовых импульсов, рого подключен к первому вого элемента И, выход к ключен к тактовому входу сдвига, второй вход перв та И подключен к выходу первый установочный вход подключен к выходу перво та задержки, вход которо

   30 входом запуска устройств тригонометрических функц пуска которого объединен первого элемента задержк вого разр да регистра сд

   35 чен к входу синхронизаци борки, информационный вх  вл етс  информационным ройства, выходы третьего разр дов регистра сдвига

   40 соответственно к входу в нометрической функции к гармоники генератора три ких функций, отлича с   тем, что, с целью

   45 точности, в него введены вый преобразователь., вто И, второй элемент задерж ИЛИ, формирователь импул распределител  импульсов

   50 втора  группы аналого-ци образователей, перва  и пы блоков выборки, первы блоки управлени  суммиро вый и второй сумматоры,

   55 торых  вл ютс  соответст и вторым информационными устройства, причем выход ки подключен к информаци

   223248

   56 соответствует одноименной позиции АЦП. Запоминание сигнала изменени  | знака триггером 56 данной позиции происходит по совпадению в соответ- 5 ствующем 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 10 38. Выходные сигналы триггеров 56 передаютс  через соответствующие элементы И 64, каждьй из которых деблокируетс  только при считывании кода АЦЦ данной позиции соответствуюФормула изобретени 

   триггером 62 или 57.

   щим триггером 62 или 57.

   Устройство дл  дискретного преобразовани  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  вл етс 

   входом запуска устройства, генератор тригонометрических функций, вход запуска которого объединен с входом первого элемента задержки, выход первого разр да регистра сдвига подключен к входу синхронизации блока вы - борки, информационный вход которого  вл етс  информационным входом устройства , выходы третьего и п того разр дов регистра сдвига подключены

   соответственно к входу выбора тригонометрической функции к входу номера гармоники генератора тригонометрических функций, отличающее- с   тем, что, с целью повышени 

   точности, в него введены цифроанало- вый преобразователь., второй элемент И, второй элемент задержки, элемент ИЛИ, формирователь импульса, четыре распределител  импульсов, перва  и

   втора  группы аналого-цифровых преобразователей , перва  и втора  группы блоков выборки, первый и второй блоки управлени  суммированием,первый и второй сумматоры, выходы которых  вл ютс  соответственно первым и вторым информационными выходами устройства, причем выход блока выборки подключен к информационному входу

   цифроаналогового преобразовател , выход которого подключен к информационным входам блоков выборки первой и второй групп, выход третьего разр да регистра сдвига подключен к тактовому входу первого распределител  импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соот- ветствуюпсих аналого-цифровых преобразователей первой группы, выход вто рого разр да регистра сдвига подключен к тактовому входу второго распределител  импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствукщих блоков выборки перво группы, выход п того разр да регистр сдвига подключен к первому входу второго элемента И и тактовому входу третьего распределител  импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих аналого-цифровых преобразователей второй группы, выход четвертого разр да регистра сдвига подключен к тактовому входу четвертого распределител  импульсов , выходы которого подключены к входам синхронизации соответствующих блоков выборки второй группы, выход шестого разр да регистра сдвиг подключен к входу формировател  импульса , выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к установочному входу регистра сдвига, второй вход элемента ИЛИ объединен с входами обнулени  первого и второго сумматоров , первого, второго, третьего и четвертого распределителей импульсов и  вл етс  входом запуска устройства выход окончани  формировани  гармо- ник 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  вл етс  выходом окончани  вычислений устройства, при этом блок управлени  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-ro триггера первой группы, выход которого подключен к первому входу (i+1)

   5

   0

   5

   0

   5

   0

   5

   0

   5

   го элемента И первой группы и первому входу (i+1)-ro элемента И третьей группы, выход которого подключен к (1+1)-му входу второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу синхронизации первого триггера,выход j-ro (,N) элемента И первой группы подключен к первому входу j-ro ключа группы и первому входу j-ro элемента ИЛИ группы, выход которого подключен к первому установочному входу j-ro 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-ro триггера второй группы, вьпсод (j + 1)-ro элемента ИЛИ группы подключен к второму установочному входу j-ro триггера первой группы, выход j-ro ключа группы подключен к j-му входу второго элемента ИЛИ, выход N-ro 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 окончани  преобразовани  j-ro аналого-цифрового преобразовател  первой группы подключен к входу j-ro элемента задержки группы и второму входу j-ro элемента И первой группы первого блока управлени  суммированием , выход окончани  преобразовани  , -j-го аналого-цифрового преобразовател  второй группы подключен к входу J-го элемента задержки группы и второму входу j-го элемента И первой группы второго блока управлени  суммированием, информационные выходы j -X аналого-цифровых преобразователей первой и второй групп подключены к вторым входам ключей групп соответственно первого и второго блоков управлени  сзгммирова- нием, вьгходы 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 управлени  суммированием, выходы первых тригге11

   ров которых подключены к вторым входам соответственно первого и второго сумматоров, выходы знаков синуса и косинуса генератора тригонометрических функций подключены к вторым входам элементов И вторых групп соответственно первого и второго блоков управлени  суммированием, а вторые входы элементов ИЛИ групп и ус-

   1223248

   12

   тановочные входы первых триггеров первого и второго блоков управлени  суммированием объединены и  вл ютс  входом запуска устройства, а,выход значений функций генератора тригонометрических функций подключен к входу задани  опорного напр жени  цифроаналогового преобразовате - л .

   68

   63

   - S7

   гФ

   га

   Составитель А.Баранов Редактор В.Пётраш Техред Н.Бонкало Корректор Е.Сирохман

   Заказ 1716/53 Тираж 671Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР

   по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

   Филиал ШШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектна , 4