ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 1996 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к цифровому анализу спектров периодических сигналов сложной формы в реальном времени при непрерывном изменении их частоты и может найти применение при исследовании систем автоматического управления, контроля.

На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового анализатора спектра периодических сигналов произвольной формы; на фиг. 2 структурная схема цифрового полосового фильтра второго порядка; на фиг. 3 изображен формирователь импульсов (входной блок умножителя частоты); на фиг. 4 показаны временные диафрагмы формирования импульсов управления.

Цифровой анализатор спектра (фиг. 1) содержит цифровой умножитель 1 частоты, первый выход которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2. Выход импульса "Конец преобразования" АЦП соединен с входом делителей 3 частоты, выходы которых соединены с входами управления блоков 4 переноса, информационные выходы которых соединены с информационными входами цифровых полосовых фильтров 5. Второй выход умножителя 1 частоты соединен с регистрирующим прибором 6.

Цифровой анализатор спектра работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на вход АЦП 2 и умножитель 1 частоты, который формирует прямоугольные импульсы длительностью Т, равной периоду входного сигнала (фиг. 4 и 3), и импульсы с периодом T/N. Импульсы с второго умножителя 1 поступают на вход регистратора периода прибора 6, а с первого выхода на вход запуска АЦП 2 и обеспечивают непрерывную дискретизацию периода входного сигнала с периодом дискретизации Т_д T/N, так что отношение T/T_д N const при непрерывном изменении частоты входного сигнала.

Импульсы с выхода АЦП "Конец преобразования" через делители 3 частоты осуществляют передачу кода входного сигнала с информационного выхода AЦП через блоки 4 переноса на информационные входы рекурсивных полосовых фильтров 5. Каждый фильтр выделяет свою гармонику входного сигнала от 1 до m. Частота следования импульсов "Конец преобразования" равна периоду (частоте) дискретизации.

Умножитель 1 частоты обеспечивает постоянство отношения частоты входного сигнала ω₁ к частоте дискретизации ω_д, т.е.

ω const.

Делители 3 частоты имеют коэффициенты деления К 1, 2,m. Коэффициент деления измеpительного канала для выделения первой (основной) гармоники входного сигнала имеет коэффициент деления k m, где m номер наибольшей по частоте, выделяемой анализатором спектра гармоники.

Соответственно делитель 3 частоты измерительного канала для выделения m-й гармоники имеет коэффициент деления К 1.

Таким образом, в каждом измерительном канале обеспечивается постоянство отношения частоты гармоники входного сигнала, выделяемой фильтром, к частоте дискретизации ω const.

На фиг. 2 изображена функциональная схема рекурсивного цифрового полосового фильтра 5 второго порядка, который может быть использован в каждом измерительном канале анализатора. Он содержит сумматоры 7 и 8, перемножители 9-12, регистры 13 и 15. Передаточная функция такого фильтра
H(Z) B_o b₂= -b₁.

Передаточная функция аналогового полосового фильтра
H(P) Ar где А_r коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте;
Q добротность фильтра.

При заданной добротности аппроксимирующей функции аналогового фильтра коэффициенты рекурсивного цифрового фильтра определяются с помощью билинейного Z преобразования:
P γ где γ ctg π ω константа преобразования;
ω - нормированная "цифровая частота" входного сигнала;
ω_д частота дискретизации входного сигнала.

На основании вышеуказанного следует, что коэффициенты передаточной функции цифрового полосового фильтра В_о, а₁, а₂ зависят от Q и ω В свою очередь Q где Δ ω полоса пропускания фильтра;
ω_p резонансная частота фильтра.

Тогда Δω .

При заданной добротности Q полоса пропускания фильтра линейно изменяется с изменением резонансной частоты и равна
Q
Если в процессе анализа с изменением частоты входного сигнала величина ω остается постоянной, то добротность и коэффициенты В_о, а₁, а₂ остаются неизменными.

В данном анализаторе величина ω при изменении частоты входного сигнала остается постоянной в каждом измерительном канале за счет автоматического изменения частоты дискретизации с помощью умножителя 1 частоты и делителей 3 частоты. Следовательно, и перестройка резонансной частоты цифрового полосового фильтра в каждом измерительном канале при неизменной добротности осуществляется автоматически синхронно с изменением частоты входного сигнала.

Использование: в цифровом анализе спектров периодических сигналов сложной формы в реальном времени при непрерывном изменении их частоты, при исследовании систем автоматического управления контроля. Устройство содержит умножитель 1 частоты, регистрирующий прибор 6, аналого-цифровой преобразователь 2 и K измерительных каналов, каждый из которых содержит делитель 3 частоты, блок 4 переноса информации, цифровой рекурсивный полосовой фильтр 5. 4 ил.

ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий m измерительных каналов, аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого соединен с информационным входом анализатора, а информационный выход - с информационным входом каждого блока переноса, регистрирующий прибор, отличающийся тем, что в него введены m делителей частоты, умножитель частоты, вход которого соединен с входом анализатора, первый выход - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, выход импульса "Конец преобразования" которого соединен через делитель частоты с входами управления блоков переноса информации и входами управления задержкой каждого измерительного канала, выполненного в виде рекурсивного цифрового полосового фильтра, информационный вход которого соединен с информационным выходом блока переноса, выход каждого фильтра соединен с выходом анализатора, а второй выход умножителей частоты соединен с входом регистрирующего прибора.