УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРИОДА ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике и может быть использована при измерении периода и частоты зашумленных гармонических сигналов.
Известен способ определения периода гармонического сигнала (патент РФ на изобретение №2026560), заключающийся в использовании статической меры для оценки периода гармонического сигнала, выделении и текущем усреднении нескольких временных интервалов, ограниченных сверху и снизу характеристическими моментами времени, статистически достоверно характеризующими границы временных интервалов и длительностью, близкой или равной периоду гармонического сигнала, при этом в качестве статистической меры для оценки периода используют нормированную автокорреляционную функцию исследуемого сигнала, итерационный процесс измерения значений амплитуд выборок, временных интервалов и средних значений сигнала за эти интервалы времени повторяют аналогичным образом до получения требуемой точности измерений. Недостатком устройства является вычислительная сложность, обусловленная необходимостью вычисления автокорреляционной функции сигнала, для определения которой требуется большой объем вычислений.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является способ анализа сигналов сложной формы (заявка на изобретение РФ №2006101913), основанный на получении результирующего набора суммарных последовательностей сигнала, включающий выделение временных моментов достижения входным сигналом заранее обусловленных характерных значений: локальных максимумов, либо локальных минимумов, либо точек перехода через ноль, и измерение временных интервалов между этими характерными значениями, запоминание последовательности значений входного сигнала между характерными значениями и суммирование этих последовательностей с близкими временными интервалами между собой, отличающийся тем, что предварительно из входного сигнала выделяют локальные максимумы либо локальные минимумы, по которым формируют огибающий сигнал 1-го порядка, плавно меняющийся между соответствующими локальными максимумами либо локальными минимумами, из сформированного огибающего сигнала 1-го порядка выделяют локальные максимумы либо локальные минимумы и по ним формируют огибающий сигнал 2-го порядка, плавно меняющийся между локальными максимумами либо локальными минимумами огибающего сигнала 1-го порядка, и т.д. до формирования огибающего сигнала n-го порядка, и операции по получению результирующего набора суммарных последовательностей проводят для сформированного огибающего сигнала n-го порядка, причем в момент суммирования последовательностей с близкими временными интервалами также осуществляют суммирование последовательностей, подобных между собой по форме. Недостатком способа является большой объем вычислений, так как вычислительное устройство загружено таким образом, что оценка сигнала производится постоянно, вне зависимости от положения характерных моментов, в том числе в моменты времени, где характерные моменты не могут присутствовать.
Целью полезной модели является уменьшение вычислительной сложности процесса определения периода гармонического сигнала с шумами.
Устройство для определения периода гармонического сигнала, содержащее последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, на который подается входной сигнал, оперативное запоминающее устройство, микропроцессор и отсчетное устройство, отличающееся тем, что дополнительно введены анализатор пересечения нуля и таймер, причем вход анализатора пересечения нуля подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, а выход к входу таймера и первому управляющему входу микропроцессора, первый выход таймера связан с первым управляющим входом оперативного запоминающего устройства, второй выход таймера подключен ко вторым управляющим входам оперативного запоминающего устройства и микропроцессора.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, состоящего из аналого-цифрового преобразователя АЦП 1, оперативного запоминающего устройства ОЗУ 2, микропроцессора 3, анализатора пересечения нуля 4, таймера 5, отсчетного устройства 6.
1
2
2
3
1
Работа устройства поясняется временной диаграммой, показанной на фиг.2. В заранее заданный момент t времени начинается цикл ожидания, при котором устройство ожидает первого пересечения сигналом нуля t. В момент t начинается цикл измерения, заканчивающийся в заранее заданное время t, после которого начинается цикл пропуска, заканчивающийся в момент t следующего полупериода.
1
1
2
2
2
3
3
3
1
Устройство работает следующим образом. АЦП 1 непрерывно преобразует входной сигнал в цифровой код. Таймер Т 5 в момент времени t формирует сигнал, разрешающий запись данных с выхода АЦП 1 в ОЗУ 2. Отрезок времени с t по t - цикл ожидания. При первом пересечении входным сигналом нуля в момент t АПН 4 формирует сигнал, разрешающий МП 3 обрабатывать сигнал с АЦП 1, записанный в ОЗУ 2. Отрезок времени с t по t - цикл измерения. В момент времени t Т 5 вырабатывает сигнал, запрещающий запись данных в ОЗУ 2 и обработку данных в МП 3. Отрезок времени с t по t следующего полупериода - цикл пропуска.
Процесс определения периода колебаний гармонического сигнала с шумами выполняется по итерационному алгоритму, который приведен на фиг.3 (О - ожидание; И - измерение; Ф1 - внутренний фильтр результата окна измерения; Ф2 - внешний фильтр результата; П - пропуск). Процесс этапов: ожидание, измерение, пропуск. При поступлении очередного массива отсчетов для обработки начинается этап ожидания - контроль первого перехода через ноль (смена знака двух соседних отсчетов). Как только такой переход обнаружен, окно ожидания закрывается, и открывается окно измерения - включается в действие второй этап. Оценка частоты основной гармоники происходит внутри окна измерения фиксированной ширины, измеряемой в отсчетах. Каждый переход через ноль внутри этого окна включается в первое приближение оценки частоты (внутри окна измерения), пройдя через внутренний фильтр первого порядка. После анализа числа отсчетов, равного ширине окна измерения, окно измерения закрывается, и первая оценка частоты поступает на внешний фильтр конечного результата для сглаживания пульсаций первых приближений оценок в пределах отдельных окон измерения. За окном измерения следует окно пропуска - игнорирование определенного числа отсчетов путем увеличения счетчика текущего анализируемого отсчета на ширину окна пропуска. Далее процесс анализа повторяется в указанном порядке до полного анализа всего массива отсчетов.
Окно пропуска является элементом оптимизации алгоритма. Пропуск определенного количества отсчетов осуществляется на основании модели сигнала и предположении, что в пределах этого окна переходы через ноль либо отсутствуют, либо носят случайный (редкий) характер (обусловленные мощной высокочастотной помехой, переходным процессом, влиянием ВГС и т.п.). Такой подход позволяет не только сократить объем лишних вычислений, так как в цикле пропуска микропроцессор не используется и может выполнять другие задачи, но и отбросить «неправильные» переходы с целью исключения негативного их влияния на результат оценивания.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволит сократить вычислительные затраты, так как большую часть периода контролируемого сигнала в цикле пропуска микропроцессор не используется и может выполнять другие задачи.