×
25.10.2018
218.016.95c8

Результат интеллектуальной деятельности: ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАТОР

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к областям радиотехники, измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в устройствах интегрирования в системах цифровой обработки сигналов, системах управления и специализированных вычислительных устройствах. Технический результат заключается в обеспечении непрерывного цифрового интегрирования сигнала по выборке отсчетов заданного объема с высокой точностью при минимальных аппаратных затратах. Цифровой интегратор содержит аналого-цифровой преобразователь, элемент памяти, генератор тактовых импульсов, n двухвходовых сумматоров, n регистров сдвига многоразрядных кодов и регистр результата. 4 ил.

Изобретение относится к областям радиотехники, измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в устройствах интегрирования в системах цифровой обработки сигналов, системах управления и специализированных вычислительных устройствах.

Известно устройство цифрового интегрирования [1] на базе реверсивного счетчика, в котором отсчеты сигнала преобразуются в последовательность импульсов, что снижает точность и скорость вычисления интеграла.

Известны цифровые интеграторы [2-4] на базе накапливающих сумматоров со сбросом, в которых отсутствует возможность непрерывного (текущего) интегрирования по выборке заданного объема, что снижает их быстродействие.

Известны цифровые интеграторы на базе цифровых усредняющих фильтров, например, с окном Дирихле [5] или с конечной импульсной характеристикой [6]. Их недостатком является сложность аппаратной реализации при большой выборке отсчетов сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является цифровой интегратор [7], содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор тактовых импульсов, элементы памяти с реверсивными счетчиками и многовходовой многоразрядный сумматор. Его недостатками являются сложность реализации многовходового сумматора и накопление отдельных разрядов отсчетов в реверсивных счетчиках, в которых при наличии ложного срабатывания ошибочный результат будет сохраняться неограниченно долго, что приведет к неустранимому сбою работы интегратора.

Основной операцией, определяющей эффективность цифрового интегрирования, является накопление (последовательное суммирование) отсчетов из выборки заданного объема, увеличение которого повышает точность результата, но усложняет аппаратную реализацию устройства.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение непрерывного цифрового интегрирования сигнала по выборке отсчетов заданного объема с высокой точностью при минимальных аппаратных затратах.

Поставленная задача решается тем, что цифровой интегратор, содержащий АЦП, последовательно соединенный с ним элемент памяти и генератор тактовых импульсов (ГТИ), дополнительно содержит n каскадно соединенных двухвходовых сумматоров (СУМ) (, где – объем выборки, по которой проводится интегрирование), n регистров сдвига многоразрядных кодов (МР) и регистр результата (РР), первый вход k-го сумматора () и вход k-го регистра соединены вместе и образуют общий вход , выход соединен со вторым входом , выход сумматора подключен к входу , вход первого сумматора соединен с выходом элемента памяти, а выход последнего n-го сумматора соединен с входом РР, выход которого является выходом интегратора.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 – результаты моделирования работы интегратора при гармоническом входном сигнале, на фиг. 3 – результаты моделирования для импульсного сигнала, а на фиг. 4 – оценка относительной погрешности интегрирования.

Интегрируемый сигнал 1 поступает на вход АЦП 2, который по тактовым импульсам ГТИ 3, выход которого соединен с тактовым входом АЦП 2, формирует отсчеты, которые записываются в ячейку памяти (регистр) 4. Выход ячейки памяти 4 подключен к соединенным между собой первому входу первого сумматора 5-1 и входу первого регистра 6-1, выход которого подключен ко второму входу сумматора 5-1. Выход первого сумматора 5-1 подключен к соединенным между собой первому входу второго сумматора 5-2 и входу второго регистра 6-2, выход которого подключен ко второму входу сумматора 5-2. Аналогично выход предпоследнего сумматора подключен к соединенным между собой первому входу последнего сумматора 5-n и входу регистра 6-n, выход которого подключен ко второму входу сумматора СУМn 5-n. Выход последнего сумматора 5-n, на котором формируется сумма 7 из N поступивших отсчетов, соединен с входом регистра результата 8, выход которого является выходом интегратора 9. На управляющие входы АЦП 2, ячейки памяти 4, регистров и РР подаются импульсы от ГТИ 3.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал 1, поступает на вход АЦП 2, который в моменты времени , определяемые ГТИ 3 (i – порядковый номер), с интервалом времени τ формирует отсчеты входного сигнала. В текущий момент () обрабатывается выборка отсчетов объемом (n – целое число), по которой с помощью формулы прямоугольников [8] определяется значение интеграла на интервале времени от до :

, (1)

с абсолютной погрешностью R, равной [8]

, (2)

где .

Как видно, при заданном интервале интегрирования погрешность R падает с ростом N. Таким образом, для снижения погрешности необходимо использовать выборки отсчетов большого объема , но при этом прямое вычисление суммы (1) потребует значительных затрат времени, тогда актуальным является использование быстрых вычислительных алгоритмов усреднения, требующих выполнения минимального числа операций сложения, что позволит упростить аппаратную реализацию интегратора.

Отсчеты смеси входного сигнала с выхода АЦП 2 запоминаются в ячейке памяти 4. В момент времени отсчет подается на вход первого сумматора 5-1. где он складывается с предшествующим значением из регистра 6-1 емкостью в одну ячейку памяти (один отсчет), которое было записано в него на предшествующем шаге, и на выходе сумматора 5-1 формируется сумма отсчетов . Полученная сумма подается на вход сумматора 5-2, где она складывается с ранее записанным значением на выходе регистра сдвига 6-2 на две ячейки памяти. На выходе сумматора 5-2 получим сумму четырех отсчетов . Далее вычисления проводятся аналогично, и на вход последнего сумматора 5-n подается сумма

,

которая складывается в нем с суммой

,

ранее записанной в регистре сдвига 6-n на ячеек. Таким образом, на выходе сумматора 5-n формируется искомая сумма

, (3)

представляющая собой нормированное значение 7 интеграла (1):

.

Эта величина записывается в регистр результата 8 и на его выходе появляется результат интегрирования 9. После записи суммы отсчетов в регистр результата по импульсам ГТИ содержимое регистров сдвига 6-k () сдвигается и в освободившуюся от устаревшего значения ячейку записывается величина с выхода предшествующего сумматора.

Нетрудно видеть, что для вычисления полной суммы (3) требуется блоков сумматоров и столько же регистров сдвига, например, при получим . Общий объем ячеек памяти многоразрядных регистров сдвига равен N. Многоразрядные регистры сдвига можно реализовать с помощью оперативного запоминающего устройства. При этом обеспечивается минимум арифметических операций на отсчет сигнала и, следовательно, высокая скорость обработки при минимальных аппаратных затратах. Технически устройство наиболее целесообразно реализовать на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Современные ПЛИС позволяют реализовать предлагаемое устройство при с рабочими частотами до 50-200 МГц.

В случае гармонического входного сигнала точное значение интеграла от до t равно

. (4)

Результат имитационного моделирования работы интегратора вида

показан на фиг. 2а сплошной линией, точечной линией показаны истинные значения интеграла из (4) в серединах интервалов квантования при кГц, мск, (). В области происходит заполнение многоразрядных регистров сдвига, а при отклик интегратора совпадает с функцией (4). На фиг. 2б приведены значения погрешности работы интегратора без учета эффектов квантования сигнала в АЦП, как видно, она достаточно мала. Согласно (2), для абсолютной погрешности получим , при этом на рис. 2б . На фиг. 2в и фиг. 2г показаны временные диаграммы, аналогичные фиг. 2а, на частотах сигнала Гц и кГц соответственно. В последнем случае погрешность интегрирования повышается до (на периоде сигнала укладывается только 50 отсчетов).

На фиг. 3а показана временная диаграмма входного импульсного сигнала с периодом, равным отсчетов, а на фиг. 3б – результат работы интегратора при мск, , погрешность меньше .

При ограниченной разрядности АЦП погрешность интегрирования значительно увеличивается. На фиг. 4 приведена полученная в результате моделирования зависимость относительной максимальной погрешности

от числа m разрядов АЦП для гармонического сигнала вида фиг. 2а при и при условии, что сигнал занимает всю разрядную сетку АЦП. Как видно, современные АЦП обеспечивают достаточно точное интегрирование сигнала. Величина зависит от формы сигнала и его параметров. Приближенно она меняется по закону .

С уменьшением амплитуды сигнала погрешность повышается, то есть целесообразно проводить масштабирование преобразования сигнала в последовательность отсчетов. При увеличении объема выборки до при относительная погрешность уменьшается до по сравнению со значением при .

Частота квантования АЦП от ГТИ должна выбираться не менее чем в 30-50 раз выше граничной частоты спектра входного сигнала.

Источники информации

1. Трохин В.М., Перельмутер В.М., Энтина В.И. Цифроаналоговые системы автоматического управления. – К.: Технiка, 1979. – 160 с.

2. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику. – М.: Интенет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 343 с.

3. Дрозд А.В., Полин Е.Л., Нестеренко С.А., Николенко А.А., Ногина Е.Н. Устройство цифрового интегрирования // Авторское свидетельство SU 1532922А1, МПК G06F7/64 от 30.12.89 (Бюлл. № 48).

4. Полян Л.Е., Угер В.Г. Цифровой интегратор // Патент № 2029357, МПК G06F7/64 от 20.02.1995; заявка № 5043408/24 от 26.05.1992.

5. Гутников В.С. Фильтрация измерительных сигналов. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 122 с.

6. Солонина А.И., Улахович Д.А., Арбузов С.М., Соловьева Е.Б. Основы цифровой обработки сигналов. – СПб.: БХВ Петербург, 2005. – 768 с.

7. Ледовских В.И., Бухтияров С.А. Цифровой интегратор // Авторское свидетельство SU 1478214А1, МПК G06F7/64 от 07.05.89 (Бюлл. № 17).

8. Гусак А.А., Гусак Г.М., Бричикова Е.А. Справочник по высшей математике. – Мн.: ТетраСистеис, 1999. – 640 с.

Цифровой интегратор, содержащий аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенный с ним элемент памяти и генератор тактовых импульсов (ГТИ), отличающийся тем, что он дополнительно содержит n каскадно соединенных двухвходовых сумматоров (СУМ), n регистров сдвига многоразрядных кодов (МР) и регистр результата (РР), первый вход k-го сумматора () и вход k-го регистра соединены вместе и образуют общий вход k-го СУМ, выход k-го МР соединен со вторым входом k-го СУМ, выход k-го СУМ подключен к входу -го СУМ, вход первого сумматора соединен с выходом элемента памяти, а выход последнего n-го сумматора соединен с входом РР, выход которого является выходом интегратора.
ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАТОР
ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАТОР
ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАТОР
ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАТОР
ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАТОР
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 71-80 из 173.
25.08.2017
№217.015.cefa

Способ количественного определения флуоресцеина натрия

Изобретение относится к области аналитической химии и касается способа количественного определения флуоресцеина натрия. Сущность способа заключается в том, что прозрачную полиметакрилатную матрицу выдерживают в анализируемом растворе при встряхивании в течение 15 минут, при этом в анализируемый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621158
Дата охранного документа: 31.05.2017
25.08.2017
№217.015.d057

Приемник вакуумного камерного реактора синтеза гликолида и лактида

Изобретение относится к устройству промышленного синтеза мономеров гликолида и лактида, применяемых в качестве сырья для получения биоразлагаемых полимеров различного состава. Приемник вакуумного камерного реактора синтеза гликолида и лактида представляет собой емкость с тремя контурами...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621342
Дата охранного документа: 02.06.2017
25.08.2017
№217.015.d152

Катализатор дегидрирования парафиновых углеводородов, способ его получения и способ дегидрирования углеводородов с использованием этого катализатора

Изобретение относится к способу получения алюмохромового катализатора для процессов дегидрирования парафиновых углеводородов до соответствующих непредельных углеводородов, к катализатору и к способу дегидрирования. Описан катализатор, содержащий в своём составе оксиды хрома, калий и/или натрий,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002622035
Дата охранного документа: 09.06.2017
26.08.2017
№217.015.da22

Способ регистрации планктона

Способ регистрации планктона включает в себя формирование изучаемого объема среды путем передачи в выбранном направлении импульсного оптического излучения и регистрацию теневого изображения в виде цифровой осевой голограммы Габора. Затем восстанавливают с голограммы послойно изображение объема...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002623984
Дата охранного документа: 29.06.2017
26.08.2017
№217.015.da6e

Способ прогнозирования безрецидивной выживаемости у больных раком молочной железы

Изобретение относится к области медицины, конкретно к онкологии, и касается способов прогнозирования безрецидивной выживаемости у больных раком молочной железы. Сущность способа: определяют уровень экспрессии YKL-39 по технологии ТaqMan с помощью специфичных праймеров и пробы Sense...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002623869
Дата охранного документа: 29.06.2017
26.08.2017
№217.015.db03

Способ получения заготовок сплавов ванадия

Изобретение относится к области радиационного материаловедения и может быть использовано в технологических циклах получения полуфабрикатов сплавов на основе ванадия. Способ получения заготовок сплавов ванадия включает гомогенизацию слитка, формирование заготовки путем нагрева и выдавливания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002623848
Дата охранного документа: 29.06.2017
26.08.2017
№217.015.db41

Способ получения волокнистого материала, содержащего оксидные наночастицы, из расплава термопластов

Изобретение относится к производству волокнистых синтетических материалов из термопластичных веществ, включая различные виды бытовых и промышленных отходов, может быть использовано для получения пористых теплоизоляционных материалов, сорбентов для сбора нефти и нефтепродуктов, фильтрующих и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002624189
Дата охранного документа: 30.06.2017
26.08.2017
№217.015.df55

Способ определения интегральной антиоксидантной активности с использованием индикаторной системы медь(ii) - неокупроин

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для определения интегральной антиоксидантной активности (АОА) растительного сырья и продуктов питания на его основе. Способ включает взаимодействие реагента, иммобилизованного в оптическую полиметакрилатную мембрану,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625038
Дата охранного документа: 11.07.2017
26.08.2017
№217.015.e017

Способ получения ингибитора кислотной коррозии и способ его применения

Изобретение относится к органической химии, а именно к способу получения ингибитора кислотной коррозии – 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-тиона путём конденсации глиоксаля и тиомочевины, заключающийся в том, что процесс проводят при 45 °C в течение двух часов, в качестве растворителя используют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625312
Дата охранного документа: 13.07.2017
26.08.2017
№217.015.e3c6

Способ дезактивации руд, рудных и техногенных концентратов

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при переработке руд, рудных и техногенных концентратов для их дезактивации от примесей радиоактивных изотопов: Th, U, U, U, Th, Th, Ra, Ra, Ra. Способ включает обработку раствором выщелачивателя с получением пульпы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002626264
Дата охранного документа: 25.07.2017
Показаны записи 21-23 из 23.
15.05.2023
№223.018.59c7

Цифровой некогерентный демодулятор сигналов с амплитудно-четырехпозиционной фазовой манипуляцией

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в цифровых устройствах приема информационных сигналов с комбинированной амплитудной и относительной фазовой четырехпозиционной манипуляцией. Техническим результатом изобретения является повышение скорости передачи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002761521
Дата охранного документа: 09.12.2021
16.05.2023
№223.018.5fc1

Цифровой измеритель параметров случайных процессов с распределением накагами

Изобретение относится к областям радиотехники и измерительной техники и может быть использовано в устройствах измерения параметров случайных сигналов с распределением вероятностей Накагами для оценки характеристик канала связи при наличии замираний и управления системой передачи информации....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002742695
Дата охранного документа: 09.02.2021
16.05.2023
№223.018.6142

Цифровой измеритель коэффициента корреляции случайного сигнала

Изобретение относится к областям радиотехники и измерительной техники и может быть использовано в устройствах измерения коэффициента корреляции случайного сигнала в устройствах оценки параметров случайного сигнала аппаратуры управления и передачи информации. Технический результат заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002747725
Дата охранного документа: 13.05.2021
+ добавить свой РИД