СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 1999 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения нелинейных искажений, в частности, для измерения коэффициента гармоник.

При измерении коэффициента гармоник широко используется способ, включающий в себя подачу на вход измеряемого четырехполюсника детерминированного сигнала, измерение на выходе четырехполюсника среднего квадратического отклонения напряжения первой гармоники (σ_перв), подавление режекторным фильтром первой гармоники сигнала и измерение среднего квадратического отклонения наложения высших гармоник сигнала (σ_высш), вычисление коэффициента гармоник по формуле /1/

Основным недостатком этого способа измерения является низкая достоверность, т.к. определение коэффициента гармоник проводится только в одной точке, обычно в верхней точке, динамического диапазона измеряемого четырехполюсника при фиксированной частоте входного сигнала. Такое определение коэффициента гармоник не соответствует реальным условиям работы четырехполюсника, потому что в действительности амплитуда и частота входного сигнала могут быть самыми разными. И как результат этого, в других точках амплитудной и частотной характеристик четырехполюсника коэффициент гармоник может превышать измеренное значение. Следовательно, измеренное значение коэффициента гармоник не является достоверным.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является статистический способ измерения нелинейных искажений /2/. Способ основан на том, что случайный сигнал с постоянной спектральной плотностью в рабочем диапазоне частот подают на узкополосный режекторный фильтр, где из сигнала вырезают определенную узкую полосу частот со средней частотой f_cp. С выхода фильтра сигнал подают на вход измеряемого четырехполюсника, на выходе которого, с помощью селективного вольтметра, измеряют среднее квадратическое отклонение напряжения в узкой полосе частот со средней частотой f_cp После этого с помощью широкополосного вольтметра измеряют среднее квадратическое отклонение напряжения во всей полосе рабочих частот (σ_ш). Коэффициент гармоник определяют по формуле

Недостатком этого способа является низкое быстродействие, т.к. полное время измерения коэффициента гармоник составляет ЗТ, где T -время выполнения процедур измерения сигнала или вычисления коэффициента гармоник.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении быстродействия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения нелинейных искажений, включающем подачу на вход четырехполюсника случайного сигнала и вычисление коэффициента гармоник, на выходе четырехполюсника с амплитудной характеристикой вида f(u) = u+b•u³ измеряют характеристическую функцию случайного сигнала, а коэффициент гармоник вычисляют по формуле

где θ = θ(V) характеристическая функция случайного сигнала на выходе четырехполюсника,
у - параметр случайного сигнала (у = h, y = σ),
2h - диапазон изменения мгновенных значений случайного сигнала с равномерным законом распределения,
σ - среднее квадратическое отклонение случайного сигнала с нормальным законом распределения,

где a(y), c(y,θ) d(y) - коэффициенты, зависящие от параметров распределения случайного сигнала.

На рисунке изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Способ осуществляется следующим образом.

С выхода генератора случайного сигнала 1 на вход измеряемого четырехполюсника 2 подают случайный сигнал
u(t) = A(t)cos[ω•t+ε(t)] (1)
с известными вероятностными характеристиками W(u), h, σ , где A(t) - огибающая сигнала, Φ(t) = ωt+ε(t) мгновенная фаза сигнала, W(u) - плотность вероятности сигнала, 2h - диапазон изменения мгновенных значений случайного сигнала с равномерным законом распределения,σ - среднее квадратическое отклонение случайного сигнала с нормальным законом распределения. На выходе измеряемого четырехполюсника 2 получают случайный сигнал
ξ(t) = f(u), (2)
где вид функции f(u) определяется нелинейностью четырехполюсника. Поскольку четырехполюсник 2 имеет нелинейность, то вероятностные характеристики случайного сигнала (2) будут отличатся от вероятностных характеристик сигнала (1). В соответствии с известной формулой /3/ характеристическая функция cигнала (2) равна

где V - вещественный параметр характеристической функции, m_k - начальная моментная функция сигнала k-го порядка. Из формулы (3) видно, что характеристическая функция зависит от нелинейности четырехполюсника, т.к. функция f(u) входит в начальную моментную функцию k-го порядка

Случайный сигнал (2) подают на вход анализатора характеристической функции 3, который измеряет значения характеристической функции при V=1,2,3. . ., т.е. θ(1), θ(2),... . Значения характеристической функции в виде цифровых кодов подают в блок вычисления коэффициента гармоник 4, где выполняют вычисление коэффициента гармоник по формуле

где

y=h, y = σ.
Формула (4) является общей, она получена, исходя из следующих рассуждений. Пусть функция f(u) аппроксимируется кубическим полиномом следующего вида
f(u)=u+b•u³, (6)
где b - параметр, характеризующий нелинейность четырехполюсника. Не нарушая общности рассуждений, закон распределения сигнала (1) примем равномерным, т.е.

Тогда в соответствии с формулой (3) получим

Характеристическая функция (8) содержит параметр b, характеризующий нелинейность четырехполюсника, и параметр h закона распределения случайного сигнала, действующего на входе четырехполюсника.

Если в уравнение (8) подставить измеренное значение характеристической функции θ = θ(1) и решить его относительно b, то получим

где
d(h)=(5h⁶-42h⁴)/210;
a(h)=(14h⁸-36h⁶)/504;
g(h)=(6h⁶-120h²+720)/720;
c(h,θ) = g(h)-θ(1).
Формула (9) повторяет полностью формулу (5) при у = h. Выражение (5) является общим, т. к. оно остается неизменным при решении другой задачи, в которой случайный сигнал (1) имеет нормальный закон распределения с нулевым математическим ожиданием и дисперсией σ² .

Здесь коэффициент (5) равен

где

Описанные операции, связанные с преобразованием сигналов, выполняются известными устройствами: анализатором характеристической функции /4/; блоком вычисления и генератором случайного сигнала, построенных, например, на базе персонального компьютера.

Таким образом, путем измерения значения характеристической функции случайного сигнала на выходе четырехполюсника и вычисления по формуле коэффициента (4) гармоник определяют нелинейные искажения.

Предлагаемый способ измерения нелинейных искажений имеет повышенное быстродействие, он содержит всего две процедуры преобразования сигнала:
- измерение значения характеристической функции сигнала;
- вычисления значения коэффициента гармоник.

Если предположить, что время выполнения каждой процедуры преобразования сигнала одинаковое и равно Т, то полное время измерения коэффициента гармоник предлагаемым способом составит 2Т. Следовательно быстродействие прототипа, равное (1/ЗТ), будет ниже быстродействия предлагаемого способа измерения нелинейных искажений, которое равно (1/2Т).

Источники информации:
1. Измерения в электронике: Справочник/ В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -512 с.

2. Кушнир Ф. В., Савченко В.Г., Верник С.М. Измерения в технике связи. -М.: "Связь", 1976. 432 с.

3. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. -М.: Советское радио, 1969. -712 с.

4. Вешкурцев Ю.М., Луниных О.Г. Экспериментальное изучение анализатора характеристической функции. - Известия вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1986, т. 29, N1. с. 89-91.

Способ измерения нелинейных искажений четырехполюсников относится к области измерительной техники и может быть использован для измерения коэффициента гармоник. Достигаемый технический результат - повышение быстродействия. Способ измерения нелинейных искажений характеризуется тем, что включает подачу на вход четырехполюсника случайного сигнала и вычисление коэффициента гармоник, при этом на выходе четырехполюсника с амплитудной характеристикой f(u)=u+b•u³ измеряют характеристическую функцию. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения нелинейных искажений, включающий подачу на вход четырехполюсника случайного сигнала и вычисление коэффициента гармоник, отличающийся тем, что на выходе четырехполюсника с амплитудной характеристикой вида f(u)=u+b•u³ измеряют характеристическую функцию

где m_k - начальная моментная функция сигнала k-го порядка;
V - вещественный параметр характеристической функции,
а коэффициент гармоник вычисляют по формуле

где θ = θ(V) - характеристическая функция случайного сигнала на выходе четырехполюсника;
y - параметр случайного сигнала (y = h, y = σ), 2h - диапазон изменения мгновенных значений случайного сигнала с равномерным законом распределения, σ - среднее квадратическое отклонение случайного сигнала с нормальным законом распределения,

где a(y), c(y,θ), d(y) - коэффициенты, зависящие от параметров распределения случайного сигнала. 2. Способ измерения нелинейных искажений по п.1, отличающийся тем, что для равномерного закона распределения плотности вероятности случайного сигнала на входе четырехполюсника коэффициенты а(у), c(y,θ), d(y) удовлетворяют следующим соотношениям
a(h) = (14h⁸ - 36h⁶)/504,
c(h,θ) = (6h⁶-120h²+720)/720-θ(1),
d(h) = (5h⁶ - 42h⁴)/210. 3. Способ измерения нелинейных искажений по п.1, отличающийся тем, что для нормального закона распределения плотности вероятности случайного сигнала на входе четырехполюсника коэффициенты а(у), c(y,θ), d(y) удовлетворяют следующим соотношениям: