книги из ГПНТБ / Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов

в цифровых коррелометрах выполняется с помощью средств дискретной техники. Часто используемым вариантом построения множительного узла является МУ, состоящий из регистров мно­ жимого, множителя, промежуточных произведений и сумматоранакопителя. Устройства такого типа работают по принципу после­ довательных суммирований одного из сомножителей с весами, определяемыми значениями разрядов второго сомножителя. Множи­ тельное устройство подобного вида предложено и рассмотрено в [92].

Принцип последовательной перезаписи одного из сомножителей в сумматор — накопитель положен в основу множительного устрой­ ства цифрового коррелометра, предложенного в [96]. Количество циклов перезаписи определяется числом единиц (величиной) вто­ рого сомножителя. МУ такого типа содержит реверсивные счетчики РСХ и РСу, в которых до процесса умножения накапливаются со­ множители, генератор тактовых импульсов ГТИ, узел совпадения УС и сумматор-накопитель СН (рис. 1-49).

Каждый цикл перезаписи величины, хранящейся в РСХ, в сум­ матор-накопитель заканчивается вычитанием единицы из числа, записанного в РСу. Процесс продолжается до полного очищения счетчика РСу.

При построении МУ цифровых анализаторов операцию умно­ жения суммы накопленных в сумматоре мгновенных произведений на 1IN (усреднение) обычно стараются выполнять косвенными ме­ тодами. В тех случаях, когда объем выборки N может быть задан заранее, а результат с сумматора-накопителя выводится в десятич­

ном коде, значения N имеет смысл выбирать в виде N = 10ѵ; в этом случае операция умножения на 1 IN сводится просто к переносу запятой в результате на у разрядов влево (отбрасывание у младших

90

разрядов). Аналогично, при двоичном выполнении индикации в

С-Н массив выбирается в виде N = 2Ѵ, что позволяет вместо ус­ реднения также обойтись переносом запятой влево на у двоичных разрядов.

Схемное выполнение устройств накопления результатов корре­ ляционного анализа определяется выбранным в аппаратуре спо­ собом умножения анализируемых сигналов. В качестве накопителей могут быть использованы цифровые счетчики импульсов, аналого­ вые интегрирующие ^С-цепи, магнитострикционные линии и т. п.

В процессе перемножения мгновенных ординат процессов "могут возникать как положительные, так и отрицательные произведения. Это соображение заставляет строить счетчики коррелометров по знакочувствительной реверсивной схеме, позволяющей в процессе

Здесь информация о знаке мгновенного произведения ординат про­ цессов поступает в счетный блок от специальной схемы дискрими­ натора знакового соответствия коррелируемых процессов (ДЗС) в виде последовательности отрицательных импульсов постоянной амплитуды и случайной длительности. Схема ДЗС строится таким образом, что длительности импульсов на ее выходе несут информа­ цию о времени знакового совпадения, а длительность пауз — о времени знакового несовпадения процессов или, иными словами, о продолжительности промежутков, в течение которых произведе­ ния исследуемых сигналов являются соответственно положитель­ ными и отрицательными. Импульсная последовательность с выхода ДЗС поступает на регулирующий орган счетного блока — триггер полярности и определяет режим работы счетчика.

Принципиальная возможность существования как положитель­ ных, так и отрицательных значений корреляционной функции (на­

пример, у корреляционных функций вида Rxy (т) = е~“ (х) cos сот и др.) заставляет строить схему счетного блока с таким расчетом, чтобы обеспечить возможность накопления и регистрации биполяр­ ных двоично-десятичных кодов.

На рис. 1-50 приведена блок-схема реверсивной декады. Здесь приняты следующие обозначения: Тгі -г- Тг4 — счетные триггеры; ТгП — триггер полярности; В — вентили; К — ключи.

91

Триггер полярности ТгП является элементом, определяющим режим (направление) работы реверсивной декады. ТгП строится по схеме с раздельными входами, на один из которых поступает последовательность импульсов отрицательной полярности со схемы ДЗС, несущая информацию о знаке мгновенного произведения ис­ следуемых сигналов, причем, наличие' импульса на входе ТгП должно сопровождаться одним устойчивым состоянием триггера полярности, отсутствие (пауза) — другим, т. е. ТгП должен пере­ брасываться от переднего и заднего фронтов импульсов. Это сооб­ ражение заставляет отказаться от обычной входной цепи (диффе­ ренцирующая цепочка—диод) и подавать сигналы непосредственно в базу транзистора. ТгП осуществляет управление счетными триг­ герами Тгі -ч- Тг4 через импульсно-потенциальные вентили В , и

В_, импульсные входы которых присоединены к выходным зажи­ мам счетных триггеров, а потенциальные — к шинам вычитания

исложения ТгП.

Висходном состоянии (при нажатии кнопки сброса Кн) счетные триггеры и ТгП устанавливаются в состояние, при котором их ле­ вые транзисторы (левые плечи на схеме) оказываются открытыми,

аправые —■запертыми. При этом шина вычитания 2 триггера по­ лярности оказывается под отрицательным потенциалом, а шина сложения 1 — под нулевым. Такое распределение потенциалов обеспечивает возможность переноса информации через вентили В ,

т.е. реверсивная декада устанавливается в режим сложения. До­ полнительное управление работой счетной декады в режиме сло­ жения осуществляется с помощью вентиля В І , связанного с послед­ ним счетным триггером декады Тг4. В исходном состоянии декады

слевого плеча Тг4 снимается нулевой потенциал, оставляющий вентиль ВІ открытым. В этом случае нормальный режим сложения сохраняется до поступления на вход декады восьмого импульса. При этом Тг4 перебросится, а отрицательный перепад напряжения,

ным входам. В режиме сложения на вход правого плеча 7г4 посту­ пают счетные импульсы с выхода ТгЗ, а на вход левого триода Тг4 поступают импульсы с выхода Тгі. Последние не влияют на состоя­ ние Тг4 до поступления на вход декады восьмого импульса, так как в это время левый триод Тг4 открыт. При поступлении 8-го импульса левый триод Тг4 закрывается, а очередной отрицательный перепад с выхода Тгі, соответствующий десятому входному импульсу, вновь перебрасывает Тг4 и приводит декаду в исходное состояние. Связь Тгі с левым плечом Тг4 осуществляется через вентиль В5. С целью повышения устойчивости работы декады в режиме сложе­ ния эта связь до прихода восьмого импульса разорвана запиранием В5 отрицательным потенциалом с правого плеча Тг4. Дополнитель­ ное управление декадой в режиме вычитания обеспечивается вен­ тилями В2—В4 и инвертором. Шина вычитания 2 находится при

92

9в7654-

Р и с . 1-50. Блок-схема реверсивной декады счетного узла

этом под нулевым потенциалом, что обеспечивает пропуск инфор­ мации с левых плеч счетных триггеров через вентили В_. В процессе

последовательного вычитания положительных чисел от + 9 до + 1 вентиль В2 открыт, а В4 закрыт. Это осуществляется с помощью

Как следует из таблицы, отрицательные числа в двоичном коде записываются как дополйения соответствующих положительных чисел до 10; т. е. два числа, одно из которых (X) — положительное, а другое (К) — отрицательное, определяемые соотношением:

в двоичном коде записываются одинаково.

Это свойство используется для выбора схемы предварительного дешифратора. Предварительный дешифратор представляет собой диодную матрицу с десятью выходными шинами на 10 чисел в дво­ ичном коде. Появление высокого, отличного от нуля, отрицатель­ ного потенциала на одной из выходных шин матрицы может быть расшифровано в зависимости от состояния триггера знака 7 ЗН (ра­ бота которого будет рассмотрена ниже) двояким образом: либо в данный дискретный момент времени дешифруется записанное в де­

94

каде положительное число (значение которого совпадает с номером выходной шины дешифратора), либо отрицательное, абсолютное значение которого дополняет указанное положительное число до десяти.

Иными словами, каждой выходной шине матрицы соответствует пара чисел: + І и — 9, + 2 и — 8, + 3 и — 7 и т. д. Для оконча­ тельной дешифровки числа, записанного в декаде, требуется, оче­ видно, дополнительная информация о знаке. Блок-схема конечного дешифратора для одной пары взаимодополняющих друг друга до десяти цифр показана на рис. 1-52. Схема состоит из четырех схем совпадения И на 2 входа, двух схем сборки ИЛИ и триггера знака Тзи. Принцип работы схемы конечной дешифровки вполне очеви­ ден. На один вход каждой схемы поступает сигнал с одного плеча триггера знака, а на другой — сигнал с одной из двух шин дешиф­ ратора, с которых снимаются два дополняющих друг друга до 10 числа. В каждый дискретный момент времени высокий потенциал может появиться на выходе только одной из четырех схем совпаде­ ния. Этот потенциал подается на индикаторную лампу (например, типа ИН-2) и на табло зажигается соответствующая цифра. Одно­ временно сигнал с триггера знака подается на индикаторную лам­ почку, фиксирующую знак числа.

Рассмотрим принцип дискриминации знака числа, записанного в реверсивном счетчике. Триггер знака и схема фиксации знака

95

меняют свое состояние при переходе через нуль накопленного в про­ цессе реверсивного счета числа в счетчике. Схема дискриминации знака числа для трехразрядного счетчика показана на рис. 1-53. Очевидно, что схема дискриминации знака должна быть связана только с младшей декадой счетчика, так как отрицательные числа могут появиться только при вычитании от нуля. При этом нуль по­ нимается как нуль во всех декадах одновременно, следовательно в схему знака должен входить дешифратор нуля (схема И со столь­ кими входами, сколько декад в счетчике), на выходе которого при наличии нулей во всех декадах появляется отрицательный импульс.

Очевидно, что появление импульса на выходе дешифратора нуля обязательно характеризует переход схемы от «+ Ь> к «— 1» или от <<— 1» к « т‘ Ь> через нуль, т. е. в этот момент должен быть изме­ нен знак.

+/

триода появляется отрицательный потенциал. Тогда, если после нуля приходит «+ Ь> или «— 1» с матрицы младшей декады, на вы­ ходе схем совпадений — И1 или И2 соответственно, появляется отрицательный импульс, переключающий ТЗ в то или иное поло­ жение, соответствующее положительным числам, либо отрицатель­ ным. Одновременно импульс с выхода И1 или И2 сбрасывает ТО — приводит его в исходное состояние. Блокинг — генератор Бг слу­ жит для формирования импульса запуска триггера знака.

Счетчик выполнен на унифицированных триггерах типа П22.13.06. В качестве вентилей В1—В5 использованы импульсно­ потенциальные схемы совпадения, состоящие из диода (импульсный вход), сопротивления (потенциальный вход) и емкости. Вентили, обеспечивающие связь между триггерами в режимах сложения и вычитания, также представляют собой импульсно-потенциальные схемы и состоят из дифференцирующей цепочки, сопротивления, диода и емкости. В качестве вентиля ВЗ использована унифициро­ ванная схема совпадения типа П22.82.01. Инверторы выполнены по типовой схеме на триоде типа П 416. В качестве устройства ви­

96

зуальной индикации записанного в счетчике числа применены ин­ дикаторные лампы типа ИН-2.

Схема индикации каждой декады включает в себе 10 ключей, собранных на транзисторах 2Т 301Д. Через эти ключи катоды ламп ИН-2 подключены к соответствующим выходам схем индикации. На аноды индикаторных ламп подается напряжение + 200 в. В исход­ ном состоянии ключи закрыты и к катодам ИН-2 прикладывается напряжение питания ключей, равное -|- 30 в. Таким образом, в ис­ ходном состоянии разность потенциалов анод—катод составляет 170 в, что недостаточно для зажигания. При подаче на вход ключа импульса с дешифратора, ключ открывается, потенциал катода сни­ жается до нуля и напряжение промежутка анод—катод становится

удовлетворительные результаты. Счетчик использовался при анализе коррелометром инфразвуковых случайных процессов с частотным диапазоном в области 0,01—10 гц. Максимальная скорость счета (в режимах сложения и вычитания), определяемая частотой работы блока выборки весовых коэффициентов, составляла здесь 7,5 кгц, минимальная — 500 гц.

В многоканальном цифровом коррелометре [94], пригодном для обработки низкочастотных случайных сигналов, вместо боль­ шого числа накопителей (количество которых равно числу вычис­ ляемых точек корреляционной функции) применена магнитострикционная линия задержки (MCJJ3). Блок-схема узла накопления коррелометра показана на рис. 1-54. Не показанные на схеме вход­ ные цепи прибора содержат два аналого-цифровых преобразова­ теля, синхронизируемых блоком управления и синхронизации БУС. Кодирование случайных сигналов происходит в приборе с раз­ делением по времени на величину гАт, где і = 1, 2 . . . (і — число каналов). Сдвинутые по времени выборки перемножаются и в циф­ ровой форме (в последовательном коде) через сумматор У) заносятся на магнитострикционную линию задержки МСЛЗ.

Задержанная в МСЛЗ кодовая запись произведения через ком­ пенсирующий усилитель КУ поступает вновь на вход сумматора 2 - Если время задержки в МСЛЗ выбрать равным г'Дт, то к этому мо­ менту на другой вход поступит новое произведение выборок процессов, сдвинутых на тот же интервал і'Дт. Первое и второе про­

97

изведения суммируются в ^ н полученная сумма с выхода сумма­ тора вновь заносится в МСЛЗ. Эти циклы повторяются N раз. За N циклов осуществляется накопление одной точки корреляционной функции с задержкой г'Ат.

Для реализации многоканального коррелометра, т. е. для осу­ ществления параллельного накопления многих точек корреляцион­ ной функции время задержки в МСЛЗ т3 выбирается равным

т3 = nAt,

где A t — время, занимаемое кодом одной точки корреляционной функции, п — количество анализируемых точек корреляционной функции. Теперь блок управления и синхронизации за счет исполь­ зования цикличности обращения каждой кодовой записи в МСЛЗ обеспечивает последовательное занесение и накопление в МСЛЗ за N циклов п точек корреляционной функции.

Так как время задержки в МСЛЗ получается достаточно боль­ шим, то для компенсации температурного дрейфа времени задержки было предложено использовать блок автоматической подстройки задержки БАПЗ.

Применение МСЛЗ в качестве накопителя позволяет произво­ дить также масштабно-временные преобразования сигналов, т. е. изменение временных интервалов между соседними выборками. По окончании процесса накопления ординат функции корреляции по команде БУС результат выводится с МСЛЗ на внешние реги­ страторы через считывающее выходное устройство СВУ. По данным эксперимента погрешность определения Rxx (т) и Rxy (т) не пре­ вышает 5%.

В аналоговой и цифро-аналоговой корреляционной аппаратуре инфранизкочастотного диапазона в качестве накопительно-усредни- тельных устройств используются сглаживающие л?С-фнльтры ниж­ них частот. Применение ^С-фильтров позволяет производить не­ прерывное измерение среднего значения квадрата сигнала (при определении дисперсии) или мгновенных произведений выборок сиг­ налов (при определении функций корреляции). Результат, накоп­ ленный на фильтре к некоторому моменту t — t0 + ts (to — момент подключения /?С-фильтра), дает взвешенное среднее значение сигнала на входе фильтра за время ts .

Примером выполнения узла аналоговых накопителей на следя­ щих PC -фильтрах нижних частот может служить блок накопления ординат функции корреляции инфразвукового коррелометра-спек­ троанализатора. Прибор выполнен в виде стоканального устройства

98

Схема, поясняющая работу прибора (блока накопления) BHR, приведена на рис. 1-55. Здесь показан коммутатор, управляющий в режиме считывания информации из оперативного запоминающего устройства усилителями магнитоуправляемых контактов УM l УМ 100. В каждом положении коммутатора один усилитель работает в режиме с насыщением, что вызывает срабатывание связанного с ним контакта М. Поступающая от блока умножения БУ информация представляет собой ступенчатую биполярную функцию, длитель­ ность каждой ступеньки которой определяет время заряда t3ap под­ ключенной в данный момент к общей шине емкости CI -ч- С100. Постоянная времени каждого фильтра тзар определяется номина­ лом емкости (С1 = С2 = . . . = С100) и значением зарядного со­ противления І?эар.

Эквивалентная постоянная времени заряда тзар. экв выбирается из условия достаточно слабого «отслеживания» нижней спектраль­ ной составляющей инте­ грируемого сигнала,т. е.

Значение Q определяется длительностью tn ступенек напряже­

спектроанализатора 4 ап и полным интервалом времени считывания и перезаписи информации из оперативной памяти во все ячейки BHR:

Q _ ^зап -f~ ^сч

Если BHR построен на п фильтрах нижних частот, а узел опе­ ративной памяти устройства имеет при этом токе п ячеек, то

tc4 fttyi >

^зап ПТЛ,

где Тя —■период частоты дискретизации входных сигналов при­ бора.

99