Способ преобразования сигналов кориолисового расходомера повышенной точности и устойчивости к шумам, устройство преобразования сигналов кориолисового расходомера
METHOD FOR CONVERTING SIGNALS OF A CORIOLIS FLOWMETER WITH INCREASED ACCURACY AND RESISTANCE TO NOISE, A DEVICE FOR CONVERTING SIGNALS OF A CORIOLIS FLOWMETER

Область техники
Изобретение относится к кориолисовому расходомеру, а именно к способам преобразования сигналов кориолисового расходомера повышенной точности и устойчивости к шумам, и устройствам преобразования сигналов для количественной оценки, в первую очередь, разности фаз, пропорциональной воздействию кориолисовой инерции, действующей на протекающую среду внутри вибрирующей трубки/трубок, чтобы получать удельный массовый расход, а также измерения резонансной частоты основной вибрации упомянутой трубки/трубок для измерения плотности среды внутри.
Уровень техники
Известен способ преобразования сигналов (патент US 4996871, опубл. 5.03.1991, МПК G01N 9/00 - аналог) на основе дискретного преобразования Фурье, который используется для уточнения резонансной частоты измерительных трубок кориолисового расходомера в режиме плотномера, для того, чтобы поднять точность данного измерения. Для этого предлагается использовать подстройку частоты дискретизации АЦП (аналого-цифрового преобразователя) измерительного сигнала параметром из заданного набора значений, умноженного на целое натуральное число, с помощью сравнения с предварительно определенной резонансной частотой работающего кориолисового расходомера.
Для уточнения результата используется аппаратная подстройка частоты дискретизации АЦП, на основе уже известной оценки резонансной частоты кориолисового расходомера, с целью повышения точности определения резонансной частоты с помощью дискретного преобразования. Требуется дополнительное время для перенастройки аппаратной части. Также подстройка хотя и приближает дискретный спектр к резонансной частоте, но из-за конечного шага деления имеет изначально ограниченную точность, связанную с техническими возможностями АЦП.
Известен способ обработки сигналов кориолисового расходомера и устройство обработки сигналов для кориолисова расходомера (патент на изобретение RU 2460974, опубликован 10.09.2012, бюл. 25, МПК G01F 1/84 - прототип). Согласно способу по патенту RU 2460974 используют предварительное измерение резонансной частоты измерительных трубок кориолисового расходомера для того, чтобы изменить измерительный сигнал таким образом, чтобы частота этого сигнала оставалась постоянной.
Такой подход позволяет на основе дискретного преобразования Фурье получить гораздо более точное значение разности фаз, что обосновывается авторами прототипа в описании изобретения. Согласно прототипу способа используют подстройку (аппаратную) результирующего сигнала с измерительных катушек под такую частоту, которая будет соответствовать одной из частот в спектре дискретного преобразования Фурье, при этом не происходит потеря информации относительно фазы в самом исходном сигнале.
У авторов прототипа используются выражения «расходомерная трубка» и «способ обработки сигнала». В настоящем описании изобретения используются соответственно термины «измерительная трубка» и «способ преобразования сигналов», как более подходящие смысловому контексту изобретения.
Оба способа, описанных в указанных патентных документах, используют подстройку под некоторую заданную частоту, заранее существующую в спектре используемого преобразования, в частности, дискретного преобразования Фурье. Таким образом, данный подход накладывает ограничение на параметры используемого преобразования Фурье, которое должно быть согласовано с возможностями процесса умножения резонансной частоты кориолисового расходомера.
В прототипе авторы предлагают использовать несколько вариантов подстройки частоты под требуемую частоту для дальнейшего использования в преобразовании Фурье. Эти варианты отображаются также и на устройстве преобразования сигнала.
В указанных изобретениях предполагается, что в качестве входного значения используется уже измеренная с некоторой точностью резонансная, т.е. рабочая частота кориолисового расходомера. На основе полученного значения далее либо производится ее уточнение (патент-аналог US 4996871 в части способа), либо производится процесс оценки разности фаз (патент-прототип RU 2460974 в части способа и устройства). Таким образом, точность процессов, описанных в изобретениях, напрямую зависит от точности исходной оценки рабочей (совпадающей с резонансной) частоты вибраций измерительных трубок кориолисового расходомера.
Недостатками прототипа и аналога способа обработки сигналов кориолисового расходомера являются недостаточная точностью, меньшая скорость преобразования и сильная зависимость от начальных данных в виде исходной резонансной частоты.
В прототипе устройства по патенту на изобретение RU 2460974 (опубликован 10.09.2012, бюл. 25, МПК G01F 1/84) и данном изобретении устройство обработки сигналов кориолисового расходомера, включает по меньшей мере, одну измерительную трубку или их пару, в которых возбуждаются колебания с помощью устройства возбуждения колебаний с использованием силового устройства. Данные колебания измеряются с помощью датчиков измерения колебаний (датчиков перемещений, скорости или ускорения), в результате чего разность фаз и резонансная частота данных колебаний позволяет измерять массовый расход через кориолисовый расходомер и плотность среды. Устройство прототипа включает в себя электронный блок кориолисового расходомера, в котором имеется модуль измерения резонансной частоты и модуль измерения разности фаз с помощью дискретного преобразования, в качестве которого используется дискретное преобразование Фурье.
Недостатком прототипа устройства обработки сигналов для кориолисового расходомера являются: усложнение схемотехники измерителя, снижение универсальности его измерительного блока и ограничение гибкости дальнейших доработок в алгоритмической части преобразователя.
При этом из дискретного множества данных после используемого дискретного преобразования, т.е. уже изначально урезанных самих по себе, исключаются практически все элементы, за исключением одного-двух значений. Это не способствует повышению точности.
При этом авторы прототипа указывают, что подстройка частоты потребует некоторой задержки, что приведет к снижению быстродействия прибора, при применении предлагаемого ими способа в устройстве.
Кроме того, использование прототипа позволяет решить только одну задачу, а именно измерение разности фаз, т.е. массового расхода среды через кориолисовый расходомер. Аналог решает с помощью дискретного преобразования вторую задачу в части уточнения резонансной частоты кориолисового расходомера, что позволяет проводить измерения плотности среды внутри измерительных трубок.
Настоящее техническое решение позволяет объединить эти два измерения. При этом это не просто суммирование подходов, а именно преимущество предлагаемого способа преобразования сигнала, который жестко связан с этими обеими измеряемыми величинами в процессе получения непрерывной спектральной характеристики - резонансной частотой и фазой измерительного сигнала.
Применение указанной в изобретениях концепции измерительного процесса на основе преобразования Фурье, но только в ее непрерывном представлении, а не дискретном, позволяет достичь технического результата: замкнутости измерительного и вычислительного процессов, при этом не требуется использовать зависимости от внешних начальных параметров для дискретного преобразования Фурье, таких, как подстройка частоты процесса оцифровки или приведение к некоторой фиксированной частоте оцифровки, а также ряда сопутствующих аппаратных решений в вычислительном модуле.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются: достижение повышенной точности обработки измерительного сигнала с помощью способа преобразования сигнала в вычислительном модуле кориолисового расходомера, обладающего универсальностью и гибкостью реализации, независимо от наличия внешних воздействующих факторов: изменяющихся в широких пределах температуры рабочей среды, наличия в ней посторонних включений, например, газовых пузырей, включения чужеродных материалов, конденсата в газовой измеряемой среде. При этом задержка по времени отклика измерительной системы должна быть в пределах отраслевых требований.
Способ преобразования сигналов кориолисового расходомера, предлагаемый данным изобретением позволяет достичь вышеуказанную цель. Технический результат достигается тем, что способ преобразования сигналов кориолисова расходомера, в котором, по меньшей мере, одна измерительная трубка или пара измерительных трубок выполнены с возможностью управления посредством устройства возбуждения колебаний с использованием силового устройства, для попеременного возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной измерительной трубки или пары измерительных трубок, причем разность фаз и/или частота колебаний измеряется посредством датчиков измерения колебаний, когда, по меньшей мере, одна измерительная трубка или пара измерительных трубок колеблются, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды, отличающийся тем, что посредством модуля оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики формируют дискретные наборы данных с помощью аналого-цифрового преобразователя на заданной, определенной заранее частоте оцифровки с каждого из датчиков измерения колебаний, затем преобразуют наборы данных с помощью дискретного преобразования и далее передают наборы значений возле заданного максимума спектра в модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики, который строит посредством итерационной процедуры оптимизации на основе этих значений непрерывную спектральную характеристику, получая информацию эквивалентную истинным непрерывным спектрам аналоговых сигналов.
Технический результат способа преобразования сигналов кориолисового расходомера повышенной точности и устойчивости к шумам обеспечивается также тем, что используют дискретное преобразование различной методики, например, преобразование Фурье и его модификаций, преобразование Лапласа, z-преобразование, преобразование Гильберта и др.
Технический результат способа преобразования сигналов кориолисового расходомера повышенной точности и устойчивости к шумам обеспечивается также тем, что используют аппаратные или гибридные способы итерационной процедуры оптимизации для построения непрерывного спектра измерительного сигнала.
Устройство преобразования сигналов для кориолисового расходомера повышенной точности и устойчивости к шумам, в котором, по меньшей мере, одна измерительная трубка или пара измерительных трубок выполнены с возможностью управления посредством устройства возбуждения колебаний с использованием силового устройства, для попеременного возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной измерительной трубки или пары измерительных трубок, причем разность фаз и/или частота колебаний измеряется посредством датчиков измерения колебаний, когда, по меньшей мере, одна измерительная трубка или пара измерительных трубок колеблются, чтобы тем самым получать удельный массовый расход и/или плотность измеряемой текучей среды, отличающееся тем, что устройство преобразования сигналов содержит вычислительный модуль, принимающий дискретные измерительные данные с аналого-цифрового преобразователя и состоящий из модуля оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики и модуля уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики, при этом массив данных из модуля оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристик поступает для преобразования в модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики.
Достижение повышенной точности обработки измерительного сигнала обеспечивается также тем, что модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики выполнен на аппаратном уровне представления непрерывной спектральной характеристики таким образом, чтобы реализовать направленную, связанную, логическую структуру, позволяющую взаимно однозначно согласовывать дискретное преобразование
Согласно данному изобретению способ преобразования сигналов позволяет производить измерения как частоты сигнала кориолисового расходомера, так и разности фаз. Это позволяет определять плотность протекающей среды через его измерительные трубки и определять массовый расход непосредственно кориолисовым расходомером. При этом все преобразование сигнала производится с помощью одного единого вычислительного модуля, что не требует усложнения схемы или позволяет все делать с помощью только программных методов внутри вычислительного устройства.
В патентном документе US 4996871 для частоты и в патентном документе RU 2460974 С2 для разности фаз были описаны и объяснены эффекты повышенной точности при применении дискретного спектра для получения измерительной информации. Так как предлагаемый способ в первой части строится на основе дискретного преобразования, то он также наследует устойчивость к помехам измерений данного подхода. Переход к непрерывному спектру позволяет поднять точность, т.к. данные между точками дискретного спектра дополняются за счет построения с помощью итерационной процедуры оптимизации. Необходимость построения общего непрерывного спектра позволило авторам данного изобретения решить задачу одновременного уточнения и резонансной частоты, и разности фаз.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 содержит структуру одного из наиболее распространенных типов первичных преобразователей кориолисовых расходомеров.
Фиг. 2 изображает функциональную схему работы, устройства преобразования сигналов кориолисового расходомера согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 представлена принципиальная схема полной структуры кориолисового расходомера с учетом наличия управления возбуждением колебаний через обратную связь посредством силового устройства в виде возбуждающей катушки.
На фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма способа преобразования сигналов кориолисового расходомера для получения точных значений частоты и разности фаз и дальнейшего вывода измерительной информации.
Описание символов:
На фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма способа преобразования сигналов кориолисового расходомера для получения точных значений частоты и разности фаз и дальнейшего вывода измерительной информации.
Описание символов:
1 - первичный преобразователь кориолисового расходомера;
2, 3 - измерительные трубки;
4 - возбуждающая катушка (силовое устройство);
5 - (входная) измерительная катушка (датчик измерения колебаний);
6 - (выходная) измерительная катушка (датчик измерения колебаний);
7 - блок электроники;
8 - выходной буфер (усилитель тока);
9 - устройство возбуждения колебаний;
10, 12 - входные (буферные) усилители;
11, 13 - первый и второй каналы АЦП;
14 - вычислительный модуль.
На фиг. 1 представлен первичный преобразователь 1 кориолисового расходомера, который включает в свой состав две сопряженные измерительные U-образные трубки 2 и 3, на которых крепятся в соответствующих местах измерительные катушки 5 и 6 с магнитными сердечниками, включая магнитопроводящую систему, а также возбуждающая катушка 4 с магнитным сердечником.
В качестве датчиков измерения колебаний измерительных трубок 2 и 3 первичного преобразователя 1 могут быть не только измерительные катушки 5 и 6, а также датчики перемещения или ускорения.
Фиг. 2 содержит функциональную схему работы устройства преобразования сигналов, представленного в данном изобретении. Вычислительный модуль, входящий в блок электроники 7, принимающий дискретные измерительные данные с аналого-цифрового преобразователя и содержащий модуль оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики и модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики. Между модулями содержится связь, с помощью которой результат из модуля оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики передается в модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики.
Фигура 3 содержит схему полной структуры кориолисового расходомера с учетом наличия управления возбуждением колебаний через обратную связь посредством силового устройства в виде возбуждающей катушки. На фиг.3 катушка возбуждения 4 соединяется с устройством возбуждения колебаний 9 через выходной буфер 8. Устройство возбуждения колебаний 9 формирует сигнал в соответствии с необходимыми условиями установившегося режима автогенерации гармонического сигнала на измерительных трубках первичного преобразователя кориолисового расходомера 1. Выходной буфер 8 фактически представляет собой электрическую схему и преобразует напряжение, подаваемое на вход, в соответствующий ток, с необходимым усилением.
Измерительные катушки 5 и 6 подключаются к соответствующим каналам АЦП 11 и 13, соответственно, через буферные усилители 10 и 12. Данные усилители, кроме изменения уровня сигнала, также осуществляют предварительную фильтрацию измерительного сигнала. В современных кориолисовых расходомерах стараются уйти от аналоговой предварительной фильтрации или использовать сборки на одной общей кристаллической основе, т.к. температурные изменения приводят к уходу параметров данных фильтров, из-за чего происходит сдвиг нуля расходомера. Поэтому фильтрация осуществляется в цифровом виде, для чего стараются использовать DSP-процессоры, т.е. специализированные вычислители для цифровой обработки сигнала.
Измерение разности фаз осуществляется с помощью возбуждения вибраций основной формы у измерительных трубок 2 и 3 с помощью возбуждающей катушки 4 и устройства возбуждения колебаний 9. Измерительные катушки 5 и 6 воспринимают эти колебания, в виде скорости вибраций этих трубок, вместе с влиянием инерции текущей жидкой среды через кориолисовый расходомер.
Вычитая общую составляющую из сигналов соответствующей измерительной катушки можно оценить разность фаз, которая является первичной измерительной информацией о массовом расходе текущей среды через кориолисовый расходомер.
Но кроме основной составляющей и разности фаз в первичный измерительный сигнал измерительных катушек входят различного рода шумы, помехи и внешние воздействующие факторы в виде сторонних вибраций, паразитных вибраций, а также ударов и импульсов.
Относительная скорость движения каждой из измерительных катушек 5 и 6 приводит к возникновению на их выводах электродвижущей силы по закону электромагнитной индукции Фарадея. Электродвижущая сила, генерируемая катушками 5 и 6, подается на канал 1 АЦП 11 и канал 2 АЦП 13, в которых осуществляется преобразование в соответствующий цифровой код.
Далее массивы из полученных цифровых измерений в модуле оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики блока электроники подвергаются быстрому преобразованию Фурье, а также дальнейшим математическим преобразованиям с целью получения резонансной частоты и разности фаз измерительных сигналов.
Одним из преимуществ использования специальных цифровых преобразований и, в частности, дискретного преобразования Фурье - это помехоустойчивость результатов на основе их анализа. Подобные методы позволяют выделять измерительную информацию даже из данных, в которых наблюдатель визуально не может определить наличие полезного сигнала как такового.
Существует модельный ряд кориолисовых расходомеров, отличающихся повышенной точностью измерений, как массового расхода, так и плотности среды. Такие расходомеры имеют мощное вычислительное высокоскоростное устройство с поддержкой очень сложных вычислений.
Здесь отображены элементы аналоговой части блока электроники кориолисового расходомера. Входные буфера 10 и 12 могут содержать антиалиазинговый фильтр нижних частот, а также предусилитель измерительного сигнала.
Выходной буфер 8 для устройства возбуждения колебаний 9 практически всегда включает в свою структуру ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) и усилитель тока.
Вычислительный модуль 14 включает в свою структуру «модуль оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики» и «модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики».
Вся представленная структура вместе с измерительными трубками 2 и 3, измерительными катушками 5 и 6, катушкой возбуждения 4 и блоком электроники представляет собой замкнутую систему, позволяющую создать самоподдерживающее колебание указанных трубок на резонансной частоте.
На фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма способа преобразования сигналов для получения точных значений частоты и разности фаз и дальнейшего вывода измерительной информации. На фиг. 4 указаны части схемы, соответствующие модулям устройства преобразования сигнала на фиг. 2.
Осуществление изобретения Пример осуществления способа 1.
Данный вариант осуществления подразумевается основным для реализации описываемого изобретения на практике.
В качестве базового преобразования будут рассматриваться дискретный и непрерывный аналоги преобразования Фурье.
Конкретный вид дискретного преобразования Фурье определяется с помощью, так называемого, быстрого преобразования Фурье, т.к. он является наиболее широко реализованным в технике алгоритмическим и аппаратным представлением дискретного преобразования Фурье.
Дискретное преобразование Фурье в частном случае можно описать следующей формулой:
Здесь x - массив значений измерительных данных, X - результат дискретного преобразования. Значения индекса  соответствуют некоторым значениям частоты ƒ в спектральной области, в которую переводит исходный дискретный сигнал представленное дискретное преобразование Фурье, а именно:
s
где f - частота оцифровки измерительного сигнала в массив измерительных данных х.
Указанное дискретное преобразование может быть представлено конечным (в смысле точности при суммировании) приближением к непрерывному преобразованию Фурье в виде следующего интеграла:
k
где x(t) уже является непрерывным измерительным сигналом, оцифровка которого дает массив x.
s
Если выбрать непрерывный аналог частоты ƒ в данном преобразовании так, чтобы он совпадал с элементами из набора частот  дискретного преобразования, то условия совпадения у этих значений не будет, т.е. в общем случае  Однако при выполнении ряда условий в вычислительных формулах, зависящих от параметров n и ƒ, можно сделать так, чтобы  где α<<1 - некоторая очень малая величина.
Используя непрерывный (интегральный) вариант преобразования Фурье можно построить аналитическое выражение для этого сигнала. Затем, подбирая с помощью значений  параметры аналитического выражения (неизвестные значения внутри данного функционального представления, такие как амплитуда, частота и др.) можно получить вид спектра таким, каким он должен быть для непрерывного сигнала x{t), если бы для него сразу было сделано непрерывное преобразование Фурье.
На фиг. 2 представлена структурная схема, показывающая принцип патентуемого способа и устройства преобразования сигнала согласно настоящему изобретению.
Модуль оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики, в частном случае, использует дискретное преобразование Фурье в виде быстрого преобразования Фурье для получения спектральной характеристики сигнала  с измерительных катушек 5 и 6 для каждой по отдельности. Затем в каждой из спектральных характеристик определяется максимум ее модуля для актуального диапазона частот и в окрестности этих максимумов берутся несколько точек характеристики, включая сами максимумы, и передаются дальше в модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики.
Кроме самих значений в модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики также передаются наиболее вероятная оценка пика характеристики и разности фаз.
На основе указанных значений в модуле уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики производится построение непрерывной спектральной характеристики  на основе некоторой процедуры нелинейной оптимизации, результатом которой будет являться уже непрерывная спектральная характеристика, максимально близкая к точкам исходной дискретной характеристики для каждой из катушек.
Параметры этих непрерывных характеристик однозначно определяют частоту точного максимума исходной дискретной характеристики, т.е. резонансную частоту вибраций кориолисового расходомера, а также разность фаз между этими вибрациями.
Для достижения нужной точности определения резонансной частоты и разности фаз из непрерывных спектральных характеристик на основе аналогичных дискретных спектральных характеристик необходимо, чтобы выполнялось условие:
s
-6
-5
Здесь суммирование производится по всем т точкам из окрестности максимумов модуля дискретных спектральных характеристик, передаваемые из модуля оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики в модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики. Параметр ε определяется опытным путем из естественных метрологических требований на измерительный прибор, в данном случае - кориолисовый расходомер, что количественно определяет значения для параметров n и ƒ. Практика показала, что он может достигать значение 10-10.
Указанное условие не ограничивает предлагаемый способ, т.к., например, условие можно представить и в виде:
что тоже приведет к необходимому результату. Здесь k - некоторый нормировочный множитель.
Оптимизируя данное условие, удается экспериментально подобрать конкретные количественные значения, определяющие требования к дискретному преобразованию Фурье в виде быстрого преобразования Фурье, частоте оцифровки измерительного сигнала, количества точек из окрестности максимума модуля дискретной спектральной характеристики, требования к представлению переменных при реализации алгоритма в процессоре вычислительного блока и т.д.
На фиг. 4 представлена блок-схема общей структуры описанного в данном изобретении алгоритма способа преобразования сигнала для получения высокоточных значений резонансной (рабочей) частоты и разности фаз кориолисового расходомера, устойчивого к внешним шумам и искажению измерительного сигнала.
Процедура нелинейной оптимизации при подборе соответствующей непрерывной спектральной характеристики - ее аппроксимации для получения точных значений частоты и разности фаз вибраций измерительных трубок посредством сигнала с измерительных катушек 5 и 6, - может быть построена с помощью множества современных решателей систем нелинейных уравнений, например, на основе метода Ньютона-Канторовича, метода Левенберга-Марквардта, с помощью различных вариаций метода градиентного спуска, метода сопряженных градиентов и др.
При этом практика показала, что такое вычисление производится, при корректном и оптимальном построении кода внутри процессора вычислительного модуля блока электроники, достаточно быстро, чтобы реализовать измерительный процесс по отраслевым требованиям на высокоточное измерительное оборудование, работающее в реальном времени.
Пример осуществления способа 2
В данном варианте модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики реализуется посредством аппаратной бинарной логической структуры, полностью аналогичной программному коду данного модуля из варианта 1.
Физически указанная логическая структура проектируется и формируется с помощью, так называемой, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) или системы на кристалле (СнК).
Пример осуществления способа 3
В данном варианте модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики реализуется посредством аппаратной аналоговой логической структуры, функционально аналогичной программному коду данного модуля из варианта 1.
Физически указанная логическая структура проектируется и формируется с помощью аналоговых элементов на основе специализированной микросхемы с программируемыми аналоговыми элементами, т.е. с помощью так называемой ПАИС.
Пример осуществления устройства
Устройство преобразования сигнала, представленное на фиг. 3, содержит, в первую очередь, вычислительный модуль, включающий в себя модуль оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики, а также модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики. Между указанными модулями существует связь, с помощью которой передается нужная информация, необходимая для получения конечного результата.
Как модуль оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики, так и модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики могут быть реализованы различными техническими устройствами и их комбинациями.
Главным критерием общности всех этих вариантов технической реализации устройства является общая логическая структура внутри блока электроники, которая является выражением способа преобразования сигналов на фигуре 4 и в которой можно выделить часть, соответствующую модулю оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики, и часть, соответствующую модулю уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики.
Под логической структурой понимается логическая схема на логических элементах, которая может включать аналоговые устройства обработки информации, и реализующая функцию вычислительного модуля в блоке электроники.
Например, существуют отдельные специализированные электронные устройства, выполняющие дискретное преобразование Фурье с оптимизацией процесса на аппаратном уровне, в частности, параллелизм обработки данных. Но в силу общепринятого современного подхода такое разделение с целью минимизации материальных затрат и упрощения технологии производства стараются сделать в виде одного отдельного устройства.
В качестве базового устройства, которое будет включать и за счет которого будет, реализовываться представленное устройство преобразования сигнала, является вычислительный процессор, построенный на основе микроконтроллера или сигнального процессора. В этом случае как модуль оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики, так и модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывной спектральной характеристики будут представлять собой сгенерированный и отлаженный машинный код, хранящийся в области памяти микроконтроллера или сигнального процессора, либо в области внешней памяти. Алгоритмическая структура такого кода представлена в виде блок-схемы на фиг. 4.
Другим базовым устройством для реализации устройства преобразования сигнала может выступать ПЛИС. В этом случае логические и функциональные возможности ПЛИС позволяют создать на аппаратном уровне внутри себя устройство, которое реализует дискретное преобразование Фурье максимально быстро и эффективно. В частности, используя возможности параллелизма обработки данных, что ускоряет процесс преобразования в разы. В частности, в сигнальных процессорах уже содержаться сильно упрощенные аналоги таких блоков ПЛИС для решения подобных задач.
Для проведения других, более сложных операций, включая операции с плавающей запятой, в ПЛИС создается логический аналог процессора, который осуществляет необходимые действия с данными, включая работу с периферией и передачу данных.
Здесь модуль оценки частоты и разности фаз на основе дискретной спектральной характеристики может представлять собой распределенную логическую структуру, выполненную в виде группы блоков внутри ПЛИС, подчиняющиеся принципам синхронной и асинхронной логики. Модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывного сигнала эффективнее реализовать в виде машинного кода внутри вычислительного процессора, как в предыдущем варианте, но с тем исключением, что данный процессор будет моделирован структурными средствами ПЛИС.
СнК содержит в себе и ПЛИС, и реальный, т.е. не моделированной сторонней логикой, процессор. Поэтому модуль уточнения частоты и разности фаз на основе непрерывного сигнала в этом случае будет работать в виде машинного кода внутри настоящего процессора.