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

Одновременно со взятием выборки строб-импульсы записи в па­ мять (ЗП) направляют восьмиразрядное число в блок запоминаю­ щего устройства. Первый импульс генератора квантующих импуль­ сов переводит триггер в состояние «пауза». В этот момент конденса­ тор в схеме К1 заряжен до уровня постоянного напряжения, рав­ ного амплитуде входного сигнала в момент взятия выборки. За время паузы постоянное напряжение на конденсаторе должно быть переведено из аналоговой формы в цифровую и записано в па­ мять.

Задержанный первый импульс запускает генератор Г2, который начинает генерировать тактовые импульсы (ТИ) кольцевого сдви­ гающего регистра счетчика частотой 25 кгц. Ключевое устройство пропускает с генератора Г2 только первый тактовый импульс, ко­ торый переводит в состояние «Включено» первый триггер Тгі коль­ цевого счетчика. Триггер Тгі в свою очередь включает первый кас­ кад двоичного регистра Р1—Р8. С этого момента начинается про­ цесс преобразования аналог—цифра.

В зависимости от величины аналогового сигнала выходное на­ пряжение усилителя постоянного тока У2 будет либо выше, либо ниже нуля, указывая на то, что входной аналоговый сигнал больше или меньше первой значащей цифры. С выхода усилителя У2 сиг­ нал подается на ограничитель, который пропускает сигнал сравне­ ния (СС), если он меньше первой значащей цифры, и не пропускает, если он больше первой значащей цифры.

Выходной сигнал АР2 даст вторую значащую цифру, равную !/4 максимального напряжения входного аналогового сигнала. Эта цифра сравнивается со входным аналоговым сигналом в деко­ дирующем блоке сравнения, и сигнал сравнения пропускается ог­ раничителем, если результат сравнения меньше нуля, либо не про­ пускается, если результат больше нуля и т. д. Каждый задержан­ ный тактовый импульс ЗТ дает следующую наименьшую значащую цифру преобразователя аналог — код и генерирует импульсы СС для последующего возвращения триггера Тг в исходное состояние, либо оставляет триггер Тг в состоянии — «Включено». Как только последний каскад триггера Тг8 перейдет в состояние «Выключено», его выходной сигнал переведет триггер Тг9 в положение «Выборка».

Синхронно с генерацией каждого импульса выборки строб-им­ пульсы записи направляют цифры, получившиеся на двоичном ре­ гистре Р1— Р8 по восьми параллельным каналам в блок памяти. До прихода импульса УТ (установки исходного состояния регистра) регистр хранит цифру, соответствующую аналоговому напряжению последнего преобразования.

Импульсы УТ (задержанные импульсы генератора Г1) восста­ навливают все триггеры кольцевого счетчика в исходное со­ стояние, подготовляя их к следующему циклу преобразования аналог—код.

Блок памяти состоит из восьми магнитострикционных линий задержки_8 х 4000 мксек. Параллельный цифровой выход памяти

140

подается на дешифратор—преобразователь, а затем на фильтр, ко­ торый ослабляет сигналы частот свыше 200 кгц приблизительно на 60 дб.

На вход гетеродинного анализатора спектра с выхода магнитострикционной линии задержки поступает декодированный и демодулированный сигнал. Продолжительность этого сигнала равна времени накопления выборок в линии задержки.

Можно отметить также ряд работ, в которых рассматриваются методы повышения эффективности использования магнитных узлов памяти — магнитных барабанов в рециркуляторах [73].

Рис. 2-22. Схема временного компрессора

Достичь высокой эффективности при записи выборок с большим диапазоном удается при использовании: анализируемого сигнала в качестве модулирующего для ЧМ-гетеродина, из сигнала которого берутся выборки и подаются на ■частотный дискри­ минатор (после считывания с магнитного ^барабана) и затем на анализатор. Электрическая схема временного компрессора показана на рис. 2-22.

В некоторых случаях, когда длительность процесса измерений спектра инфразвуковых сигналов, сокращаемая с помощью транс­ формации спектра, не играет значительной роли, можно вообще обойтись без преобразователей спектра, а применить «идеальный анализатор» [74], под которым подразумевается анализатор, вы­ полняющий преобразование Фурье исследуемой функции f (t). Коэффициенты ряда Фурье равны:

141

ak — — f f (t) cos katdt\

T о

(2-46)

bk = -^- ]t{t) sinÄcotdt,

Tо

T.e. амплитуда A k и фаза фй k-й гармоники равны:

Для выполнения преобразования Фурье, т. е. определения ам­ плитуд гармоник [при ер = 0 из (2-46) имеем bk = A k ] можно ис­ пользовать преобразователь Холла, помещенный в зазор воспроиз­ водящей магнитной головки. Если исследуемый сигнал записан на бесконечном кольце магнитной ленты, то при движении этой ленты вблизи головки будет изменяться магнитная индукция в зазорах головки пропорционально мгновенным значениям исследуемого сигнала f (é). Если теперь через преобразователь пропускать от внешнего генератора синусоидальный ток с постоянной амплитудой, то на каждой частоте соА выходное напряжение преобразователя Холла будет пропорционально произведению мгновенных значений исследуемого сигнала и тока, а показания инерционного стрелоч­ ного прибора будут определять коэффициенты bk, равные (при Ф = 0) амплитудам гармоник спектрального разложения. Метод выполнения спектрального разложения временных функций с по­ мощью предварительно измеренных функций корреляции и пере­ ходу к SD (/) по алгоритму

т

S D(/) = с I R (т) cos 2лfгсіх, (2-48)

о

где с — постоянный коэффициент, положен в основу специализи­ рованной вычислительной машины для корреляционного и спек­ трального анализа визуальных и магнитных записей случайных процессов ЭАСП-С [75]. В машине используется генератор сину­ соидального и косинусоидального напряжений инфранизкой ча­ стоты, собранный на операционных усилителях по схеме, применяе­ мой для решения дифференциального уравнения второго порядка. Генератором выдаются сигналы в диапазоне 0,001—10 гц. Измере­ ние SD (/) по формуле (2-48) происходит следующим образом. Вы­ численная предварительно функция корреляции R (т) печатается на выводном устройстве в виде точечной кривой. Точки вручную соединяются сплошной линией и вся кривая переписывается с по­ мощью оптического устройства на одну дорожку магнитной ленты накопительно-задерживающего устройства. После установления требуемой частоты генератора гармонических колебаний со* ЭАСП-С вычисляет одну ординату кривой спектральной плотности

142

значения всех интересующих исследователя точек SD (/).

2-3. Комплекс аппаратуры корреляционно-спектрального анализа случайных сигналов ИНЧ-диапазона

Во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева спроектирован и изготовлен комплекс малогабаритной аппаратуры повышенного быстродейст­ вия, предназначенной для определения корреляционных и спек­ тральных характеристик инфразвуковых случайных сигналов [95]. В аппаратуре реализован квазимультипликационный метод изме­ рения, основанный на взвешенном логическом умножении, сумми­ ровании и усреднении ординат сигналов, представляемых в виде конечных редуцирующих полиномов. Для определения корреля­ ционных зависимостей используются алгоритмы:

jl-ro интервала анализа, уц (/г, р) — функция задержки и текущего дискретного времени /г, принимающая значения 1 или 0 в зависи­ мости от наличия или отсутствия факта попадания выборки сигнала X [/] в /-й интервал при попадании выборки сигнала у (t) в /-й ин­ тервал квантования по уровню.

При работе по выбранному алгоритму коррелометр-спектроана­ лизатор в режиме определения корреляционной функции должен выполнять операции по преобразованию входной аналоговой ин­ формации в дискретноимпульсную форму, дискриминации импульс­ ной последовательности по Sx, S y интервалам квантования, сдвигу

интервалы анализа с весом \ц и усреднению накопленной суммы по N —р.—1 отсчетам.

Примененный в аппаратуре алгоритм определения спектраль­ ной плотности мощности случайных сигналов основан на использо­

143

При реализации алгоритма (2-50) устройство выполняет опе­ рации по временной дискретизации вспомогательных косинусои­ дальных функций с шагом, равным шагу дискретизации корреля­ ционной функции, перемножению cos [со (TIN) р,] и Rxx [(TIN) pi в точках совпадения аргумента и суммированию полученных ре­ зультатов.

Аппаратура обладает следующими техническими характеристи­ ками: 1) частотный диапазон обрабатываемых сигналов 0,01— 10 гц, 2) максимальный входной сигнал t/BX.тах ± 3,15 б, 3) количество точек корреляционной функции, одновременный анализ которых обеспечивается прибором 100; 4) средняя квадратичная погрешность

ординат корреляционной функции; БН3 — блок накопления ор­ динат спектральной плотности; БВ — блок визуализации.

Назначение блоков поясняется ниже, при рассмотрении прин­ ципа работы прибора.

Коррелометр-спектроанализатор является двухканальным вы­ числительным устройством. При определении автокорреляционной функции [(TIN) JA] входной сигнал попадает только на вход «х (/)». При этом на вход канала «У» этот сигнал попадает с помощью переключателя П. Для определения взаимокорреляционной функ­ ции Rxy [(TIN) р,] коррелируемые сигналы подаются на оба входа прибора «X (г1)» и «г/ (/)».

Визуальное наблюдение входных сигналов и результатов ана­ лиза осуществляется с помощью осциллографа С1-19Б. Кроме того, накопленные прибором ординаты корреляционной функции могут измеряться при помощи вольтметра ВК7-10А и встроенного стре­ лочного прибора. Вычисление спектральной плотности S D (со) осу­

144

ществляется по предварительно определенной корреляционной функции. В этом случае на вход «у (/)» последовательно подается набор синусоидальных колебаний различных частот от генератора ГЗ-47. Внешний вид комплекса аппаратуры показан на рис. 2-24.

Анализируемые случайные сигналы в виде аналоговых электри­ ческих напряжений поступают на идентичные входные усилители каналов X и Y. В усилителях предусмотрена грубая и плавная ре­ гулировка коэффициентов усиления, а также компенсация постоян­ ной составляющей входных сигналов.

Аналоговые сигналы после усиления преобразуются входными устройствами каналов в дискретно-временные последовательности,

Рис 2-24. Внешний вид коррелометра-спектроанализатора

и дискриминируются по двум интервалам квантования в канале X и по четырем — в канале Y (количество интервалов квантования указано для одной полярности сигналов).

Коррелометр-спектроанализатор работает в трех режимах: 1. Режим определения авто- и взаимокорреляционных функций и дисперсий случайных центрированных сигналов. 2. Режим «медлен­ ного считывания» записанной в память устройства корреляционной функции. 3. Режим определения спектральной плотности мощности входных случайных сигналов.

Переход от одного режима к другому осуществляется с помощью специального переключателя, вынесенного на внешнюю панель прибора и имеющего три положения. Исполнительным элементом, задающим режимы работы прибора, является триггер управления

преобразует входной аналоговый сигнал в биполярную последова­ тельность импульсов постоянной длительности и скважности (дли­ тельность импульсов соответствует длительности импульсов на вы­ ходе генератора ГЗ), амплитуды которых линейно связаны с орди­ натами входной аналоговой информации.

Для уменьшения количества элементов в схеме использован принцип обработки модулей исследуемых сигналов с одновремен­ ным запоминанием знаковой информации.

вания (0—1,58 в).

Дискриминатор ординат имеет два входа (рис. 2-25). По одному входу он опрокидывается от отрицательных импульсов, которые соответствуют передним фронтам информационных импульсов в ИП-1; моменты появления импульсов на втором входе Д05 совпа­ дают по времени с задними фронтами информационных импульсов. Импульсы на втором входе Д05 (импульсы сброса) предназначены для оперативного (в ходе анализа) возвращения дискриминатора в исходное состояние.

Знаки выборок входных сигналов определяются следующим об­ разом. Биполярная импульсная последовательность, поступающая на усилитель, ограничивается по нулевому уровню, т. е. усилитель пропускает только отрицательные импульсы; эти импульсы диффе­ ренцируются и подаются на один вход дискриминатора знака Д31. Пороговый уровень Д31 — 20 мв. При превышении отрицательным входным сигналом этого порога на выходе Д31 появляется отрица­ тельный перепад напряжения, регистрирующий факт отрицатель­ ной полярности входного сигнала в момент данной выборки. Ввод ординатной и знаковой информации в устройство электронной дис­ кретной задержки (ЭДУЗ) осуществляется через схемы совпадений. При наличии отрицательного перепада напряжения на выходе ди­ скриминатора Д05 или Д31 на схемы совпадения И6, И7 поступают разрешающие напряжения, определяющие режим записи единицы соответственно в тот или иной канал ЭДУЗ (ординатный, зна­ ковый).

Изменение состояний триггеров ЭДУЗ ТгІЗ—Тг112 и ТгІІЗ— Тг212 происходит синхронно с работой коммутатора К. Связь между ячейками ЭДУЗ и коммутатором осуществляется через, схемы совпадения И213— ИЗ 12. Коммутатор имеет столько же ра­ бочих ячеек, сколько и каждый канал ЭДУЗ. Кроме того, в схеме коммутатора предусмотрены два вспомогательных элемента — триг­ гер запуска коммутатора и триггер управления вводом информации

вЭДУЗ. Начало работы коммутатора в режиме записи информации

вЭДУЗ определяется моментом поступления на правое плечо триг­ гера запуска ТгЗІЗ переднего фронта импульса генератора ГЗ (че­

146

рез инвертор). Опрокидывание ТгЗІЗ вызывает изменение состоя­ ния первого рабочего триггера коммутатора Тг312.

Импульсы, осуществляющие сдвиг информации вдоль каналов ЭДУЗ, поступают с выхода генератора Г1 через схему совпадения И1, схему сборки ИЛИЗ и инвертор НЕ2 на правые плечи тригге­ ров коммутатора Тг12, Тг213—ТгЗІЗ. При этом происходит после­ довательное изменение состояний триггеров коммутатора с часто­ той 25 кгц. Одновременно происходит очистка триггеров ЭДУЗ, т. е. подготовка их к приему информации.

Сотый импульс генератора Г1 возвращает триггер Тг213 в ис­ ходное нулевое состояние, импульсом переноса при этом опрокиды­ вается вспомогательный триггер управления вводом информации в ЭДУЗ Тг12. Изменение состояния триггера Тг12 вызывает появ­ ление разрешающих потенциалов на управляющих входах схем совпадения И6 и И7. При наличии разрешающих потенциалов на информативных входах этих схем, связанных с выходами Д05 и Д31, происходит ввод и запись 1 на триггерах ТгІЗ, ТгІІЗ ЭДУЗ\ при отсутствии указанных разрешающих напряжений в триггерах ТгІЗ и ТгІІЗ записывается «О». Наличие нулей в ячейках ЭДУЗ носит информативный характер, так как нулевое состояние і-го триггера ЭДУЗ фиксирует факт нахождения /-Й ординаты сигнала X (t) в первом интервале квантования. Как следует из описания полуцикла ввода и записи информации в ЭДУЗ, одна ордината сиг­ нала X (t) записывается в оперативную память устройства только по окончании полуцикла последовательного изменения состояния ячеек коммутатора. С другой стороны, момент появления подле­ жащей записи информации на входных цепях ЭДУЗ совпадает по времени с моментом запуска коммутатора. Отсюда следует, что время хранения информации на входных цепях ЭДУЗ должно быть не меньше полного времени переключения ячеек Тг213— ТгЗІЗ ком­ мутатора. При максимальной частоте коммутации ИП—1, равной 100 гц, входная информация должна, очевидно, храниться на входе ЭДУЗ в течение 5 мсек\ за это время коммутатор должен надежно осуществить 100 тактов работы (один полуцикл). Эти рассуждения поясняют методику выбора минимально допустимой частоты следо­ вания импульсов сдвига (т. е. частоты генератора Г1). Приняв ко­

где п = 100 — число рабочих ячеек коммутатора.

Ввод информации в каналы ЭДУЗ осуществляется до полного заполнения ячеек каналов ординат и знака. Суммарное время ввода превышает, таким образом, длительность полуцикла работы комму­ татора в 100 раз. Индикация момента полного заполнения каналов ЭДУЗ осуществляется с помощью пересчетных декад Счі и Сч2, которые связаны с индикаторными лампами. При поступлении на вход первой счетной декады Счі 100 импульсов дискретизации

(после 100-го полуцикл а работы коммутатора) декада Сч2 пере­ полняется и на управляющий триггер ТгЗ поступает импульс, из­ меняющий его состояние. Переброс управляющего триггера ТгЗ вызывает запирание схем И1 и ИЗ. Этот момент соответствует окон­ чанию режима записи информации в память устройства.

При перебросе триггера ТгЗ коммутатор запускается продиффе­ ренцированным и задержанным с помощью ждущего мультивибра­ тора перепадом напряжения на выходе управляющего триггера. Декады Счі и Сч2 в этом режиме не работают.

Частота сдвига импульсов в коммутаторе в этом режиме выбрана равной 80 гц. Сдвигающие импульсы подаются на правые плечи триггеров ячеек коммутатора с выхода генератора Г2 через схему И2, ИЛИЗ, НЕ2. При этом на все схемы совпадения И212—И 113 и И 112—И13 последовательно поступают разрешающие напря­ жения с выходов триггеров коммутатора; длительность разрешаю­ щего напряжения составляет 12,5 мсек.

с учетом весовых коэффициентов к накопительным конденсаторам С1—С100. Каждый конденсатор оказывается, таким образом, под­ ключенным с помощью магнито-управляемых контактов на время, равное 12,5 мсек. В устройстве использован принцип некоррелиро­ ванных выборок. Это означает, что на время ввода и считывания ординатной и знаковой информации в канале X соответствующая информация в канале Y фиксируется и не меняется. Это осущест­ вляется блоком дискриминации сигнала у (/) БДу.

Биполярный сигнал у (і) преобразуется в однополярную им­ пульсную последовательность (метод преобразования аналогичен изложенному выше). Собственно дискриминатор БДу состоит из 5 пороговых элементов ДОІ—Д04, Д06 и дискриминатора знака Д32. В режиме определения корреляционной функции работают дискриминаторы ДОІ—ДОЗ и Д32. Порог срабатывания Д32 ра­ вен — 20 мв. При превышении отрицательными входными импуль­ сами порога срабатывания (по абсолютной величине) Д32 опроки­ дывается. При этом меняется состояние триггера Тг4, к коллекто­ рам транзисторов которого подключены входы схем совпадения ИЮ и И11] схемой на этих элементах выполняется определение мгновенного произведения ординат сигналов х (t) и у (t -f т) в ре­ жиме считывания информации. На выходе схемы ИЮ импульс отрицательной полярности появляется в том случае, когда оба ана­ лизируемых сигнала отрицательны. При положительной полярно­ сти обоих сигналов отрицательный импульс появится на выходе

напряжение положительной или отрицательной полярности. Вход-

148

Рис. 2-25. Развернутая схема коррелометра-спектроанализатора

З а к а з 15-48