СТОХАСТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано в задачах измерения параметров усилителей низких частот, например усилителей аудиосигналов.

В качестве прототипа выбрано устройство, позволяющее измерять коэффициент усиления при помощи случайных тестовых сигналов и содержащее два входных устройства, мультиплексор, ограничитель, детектор, выходной коммутатор и дифференциальный усилитель, входы первого и второго входных устройств являются соответственно первым и вторым информационными входами устройства, выходы входных устройств подключены соответственно к первому и второму входу мультиплексора, выход которого соединен с входом ограничителя, выход которого соединен с входом выходного коммутатора, выходы которого соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства [Горон И.Е. Радиовещание. - М. Связь, 1979, стр.226]

Основным недостатком прототипа как измерительного устройства является низкая точность. Несмотря на то, что измеритель одноканальный и таким образом исключается влияние неидентичности каналов на конечный результат, погрешности измерений все же велики из-за методических особенностей. Объясняется это тем, что задача преобразования двухканального измерителя в одноканальный в прототипе была решена просто путем переключения одного канала обработки поочередно на входной и выходной сигналы исследуемого усилителя с накоплением напряжений сигналов на конденсаторах выходного коммутатора. Неидентичность параметров цепей заряда и разряда конденсаторов, зависимость их от внешних факторов, а также неидентичность параметров самих конденсаторов - одна из составляющих общей ошибки. Более того, ошибки будут вызваны еще и работой активного управляемого ограничителя, а также дискретизацией во времени сигналов, следующих в тракт сугубо аналоговой обработки.

Особенности устройства-прототипа, часть из которых была упомянута выше, ограничивают области его применения и позволяют эффективно им пользоваться скорее для задач мониторинга, чем для измерений, например, для непрерывного наблюдения за отклонениями коэффициента усиления от некоторого значения.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в стохастический измеритель коэффициента усиления, содержащий мультиплексор и детектор, согласно изобретению введены блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, два накапливающих сумматора, функциональный преобразователь, блок управления и генератор белого шума, выход которого является тестовым выходом измерителя и подключен к первому информационному входу мультиплексора, тестовым входом измерителя является второй информационный вход мультиплексора, выход которого через блок фильтрации соединен с входом детектора, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, к выходу которого подключены объединенные информационные входы первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам функционального преобразователя, выход которого является выходом измерителя, адресный вход мультиплексора и тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и двух накапливающих сумматоров подключены к соответствующим выходам блока управления.

Для расширения функциональных возможностей стохастического измерителя блок фильтрации содержит полосовой фильтр и мультиплексор, выход которого является выходом блока фильтрации, первый информационный вход мультиплексора объединен с входом полосового фильтра и является входом блока, а второй информационный вход соединен с выходом полосового фильтра, адресный вход мультиплексора является управляющим входом блока.

Кроме того, для расширения функциональных возможностей стохастического измерителя блок фильтрации может представлять собой полосовой фильтр с управляемой добротностью и центральной частотой.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена функциональная схема стохастического измерителя коэффициента усиления, а на фиг.2 - функциональная схема блока управления.

Функциональная схема измерителя (фиг.1) содержит мультиплексор 1, блок 2 фильтрации, детектор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, два накапливающих сумматора 5 и 6, функциональный преобразователь 7, блок 8 управления, генератор 9 белого шума и усилитель 10, коэффициент усиления которого измеряют (R_L - сопротивление нагрузки усилителя). Выход генератора 9 белого шума является тестовым выходом измерителя и подключен к первому информационному входу мультиплексора 1, тестовым входом которого является второй информационный вход мультиплексора 1, выход которого через блок 2 фильтрации соединен с входом детектора 3, выход которого соединен с информационным входом АЦП 4, к выходу которого подключены объединенные информационные входы накапливающих сумматоров 5 и 6, выходы которых подключены к соответствующим входам функционального преобразователя 7, выход которого является выходом К* измерителя, адресный вход мультиплексора 1 и тактовые входы АЦП 4 и накапливающих сумматоров 5, 6 подключены к соответствующим выходам А1, С1, С2, С3 в блоке 8 управления, управляющий вход СО которого служит запускающим входом измерителя. К тестовому входу и выходу измерителя подключен исследуемый усилитель 10 с нагрузкой R_L. Блок 2 фильтрации, в свою очередь, содержит полосовой фильтр 11 и мультиплексор 12, выход которого является выходом блока 2, первый информационный вход мультиплексора 12 объединен с входом полосового фильтра 11 и является входом блока 2, а второй информационный вход соединен с выходом полосового фильтра 2, адресный вход мультиплексора, являясь управляющим входом блока 2, одновременно служит входом M(Mode) выбора режима измерителя.

Блок 8 управления (фиг.2) содержит триггеры 13, 14 и 15, счетчик 16, элемент ИЛИ 17, элементы И 18, 19 и 20, элемент 21 задержки, одновибратор 22 и генератор 23 тактовых импульсов. Управляющим входом СО блока 8 является S-вход триггера 13, выход которого соединен с D-входом триггера 14, выход которого соединен с первым входом элемента И 18, второй вход которого объединен с С-входом триггера 14 и подключен к выходу генератора 23 тактовых импульсов, выход элемента И 18 подключен к счетному входу счетчика 16, выход переполнения которого соединен с С-входом триггера 15, R-вход которого объединен с аналогичным входом счетчика 16, первым входом элемента ИЛИ 17 и является обнуляющим входом блока 8 управления, второй вход элемента ИЛИ 17 объединен с R-входом триггера 14 и подключен к выходу одновибратора 22, вход которого объединен с первым входом элемента И 19 и подключен к прямому выходу триггера 15, к инвертирующему выходу которого подключен первый вход элемента И 20, D-вход триггера 15 также подключен к его инвертирующему выходу, прямой выход которого, в свою очередь, служит адресным выходом А 1 блока 8 управления, первым тактовым выходом С1 которого является выход элемента И 18, к выходу которого также подключены через элемент 21 задержки объединенные вторые входы элементов И 19, 20, выходы которых служат соответственно третьим С3 и вторым С2 тактовыми выходами блока 8, выход элемента ИЛИ 17 соединен с R-входом триггера 13.

Работа стохастического измерителя коэффициента усиления К(ω) складывается из двух этапов. Начало первого этапа, как и всего цикла измерений, определяется моментом поступления на выход СО запускающего импульса (фиг.1). В течение первого этапа сигнал с выхода генератора 9 белого шума через мультиплексор 1 поступает в блок 2 фильтрации, где выделяется заданная узкая полоса частот Δω с центром в точке ω. Далее выделенный таким образом сигнал подвергается детектированию, в результате которого имеем модуль сигнала |u_вх(t)|, где u_вх(t) - сигнал на выходе блока 2. После аналого-цифрового преобразования код |u_вх(t_n)| поступает на вход накапливающего сумматора 5. К концу первого этапа на выходе сумматора 5 будет накоплена сумма

где N - число отсчетов за время наблюдения;

t_n=t₀₁+(n-1)Δt, (n=1,2,...,N);

Δt - период дискретизации (период тактовых импульсов на выходах С1, С2, С3 блока 8);

t₀₁ - момент начала первого этапа.

По окончании первого этапа измеритель переходит ко второму этапу измерений, отличающемуся от первого тем, что мультиплексор 1 переключается в режим коммутации на свой выход сигнала с выхода исследуемого усилителя 10: на вход АЦП 4 поступает усиленный сигнал, пройдя так же, как и ранее, блок 2 фильтрации и детектор 3. Для суммирования сформированных на этом этапе отсчетов |u_вых(t_n)| служит накапливающий сумматор 6, в котором к концу второго этапа будет накоплена величина

где t_n=t₀₂+(n-1)Δt

t₀₂ - момент начала второго этапа.

Полученные суммы (1) и (2) направляются в функциональный преобразователь 7, который в простейшем случае выполняет операцию деления входного операнда S₂ на S₁.

Величины S₂ и S₁ отличаются от средневыпрямленных значений U₁ и U₂ только постоянным коэффициентом 1/N, то есть

и

Следовательно, отношение средневыпрямленных значений есть отношение накопленных сумм

Учитывая, что средневыпрямленные значения стационарного эргодического процесса, каким является белый шум, от времени не зависят (в данном случае от моментов времени t₀₁ и t₀₃), то отношение (4) также не будет зависеть от того, в какие моменты времени измерялись величины U₁ и U₂ (S₁ и S₂), то есть от того, измерялись они во времени параллельно или последовательно. Исходя из того, что U₁ - средневыпрямленное значение в полосе Δω сигнала генератора 9 до усиления, а U₂ - в той же полосе только после усиления, несложно видеть, что отношение (4) есть выражение для вычисления искомого коэффициента усиления К(ω) усилителя 10.

Поскольку белый шум является математической идеализацией, то в качестве реального генератора 9 следует использовать источник слабокоррелированного стационарного эргодического процесса с равномерным спектром во всей полосе рабочих частот измерителя. Частота ω, в окрестности которой в полосе Δω измеряется коэффициент усиления К(ω), задается блоком 2 фильтрации путем выбора параметров полосового фильтра 11. В общем случае фильтр 11 может иметь регулируемые добротность и центральную частоту ω. Для измерения коэффициента усиления, относящегося ко всей полосе частот исследуемого усилителя 10, в блоке 2 фильтрации можно предусмотреть мультиплексор 12, позволяющий отключать блок 2 фильтрации и таким образом переводить измеритель в режим измерения некоторого интегрального параметра K.

Длительность интервала наблюдения Т = NΔt, в течение которого на каждом из этапов сумматоры 5 и 6 накапливают отсчеты, безусловно, влияет на точность измерений и, конечно, чем больше Т, тем меньше ошибки результатов статистической обработки. Для определения конкретных значений Т следует исходить из априорных сведений о свойствах тестового случайного процесса. В частности, если известен максимальный интервал корреляции τ_K этого процесса, то T можно выбрать из условия Т≫τ_K.

Задачи, возлагаемые на функциональный преобразователь 7, определяются тем, в каком виде следует выдавать результаты измерений. Как уже указывалось, он может представлять собой просто блок деления, реализованный, например, в виде ППЗУ. При необходимости на функциональный преобразователь 3 можно возложить операции масштабирования или логарифмирования, что также несложно выполнить аппаратно-табличным способом.

Управляет работой измерителя блок 8 (фиг.2). Внешние управляющие сигналы, выходные для блока 8, вырабатываются в следующем порядке (см. также фиг.1).

В исходном состоянии блока 8, то есть до поступления на запускающий вход СО импульса, на его выходах А 1, С1, С2 и С3 устанавливаются уровни логических нулей. После запуска блока на выходах С1 и С2 появляются последовательности тактовых импульсов с периодом Δt, необходимые для работы АЦП 4 и накапливающего сумматора 5. Причем для корректного взаимодействия АЦП и накапливающих сумматоров последовательность С1 всегда опережает последовательности С2, С3. Через время наблюдения, равное длительности первого этапа, на выходе А1 устанавливается логическая единица - мультиплексор 1 переключается и начинается второй этап измерений. На этом этапе в последовательности С1 изменений не происходит, АЦП 4 по-прежнему непрерывно тактируется, однако вместо тактовой последовательности С2 начинает формироваться последовательность С3, необходимая для работы накапливающего сумматора 6. С окончанием второго этапа измерений, равного по длительности первому, блок 8 автоматически возвращается в исходное состояние, и следующий цикл начнется только после поступления на вход СО соответствующей команды.

Рассмотренные выше сигналы вырабатываются следующим образом. При поступлении на вход СО (фиг.2) импульса триггер 13 переходит в состояние высокого логического уровня, в результате чего с первым после этого перехода тактовым импульсом переходит в состояние высокого логического уровня и D-триггер 14, разрешая тем самым прохождение тактовых импульсов на счетный вход счетчика 16. Последний отсчитывает интервал, равный длительности каждого из этапов измерений. Одновременно тактовые импульсы беспрепятственно проходят на выход С1 и через элемент 21 задержки на выход элемента И 20, то есть на выход С2. Окончание первого этапа определяется появлением импульса переполнения на выходе Р счетчика 16. По этому импульсу триггер 15 переходит в состояние высокого логического уровня, на его инвертирующем выходе появляется логический нуль и подача импульсов на выход С2 прекращается, однако начинается подача тактовых импульсов на выход элемента И 19, то есть на выход С3. Кроме того, с переключением триггера 15 меняется и состояние адресного выхода А1. Таким образом блок 8 управления переходит ко второму этапу, окончание которого также определяется моментом переполнения счетчика 16. При этом триггер 15 переходит в исходное состояние и по скачку напряжения на его прямом выходе одновибратор 22 (запускается только от отрицательных фронтов) обнуляет триггеры 13 и 14: блок 8 переходит в состояние, в котором он находился до запуска; цикл измерений окончен.

Настоящий стохастический измеритель рассчитан на измерение коэффициента усиления К(ω) не на конкретной частоте ω, а в некоторой полосе Δω, что отличает его от традиционных схем измерений. Предложенный подход основан на том, что функционирующий в реальных условиях усилитель усиливает случайные сигналы со сплошным спектром, а это, учитывая нелинейность реальных амплитудных характеристик, приводит к появлению характерных искажений, влияющих на уровень выходного сигнала усилителя. К искажениям подобного рода относятся эффект подавления слабого сигнала сильным, проявляющийся при нелинейном усилении сигналов с различными частотами, а также интермодуляционные искажения, вызванные образованием комбинационных составляющих. Следовательно, смоделировать режим работы усилителя, близкий к реальному, применяя синусоидальный тестовый сигнал одной частоты (Δω=0), невозможно, поэтому и целесообразно использовать случайные сигналы с назначенными спектральными параметрами и обеспечивающие анализ в заданной полосе частот.

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано для оперативного измерения коэффициентов усиления усилителей низких частот, например усилителей аудиосигналов. Устройство содержит мультиплексор, блок фильтрации, детектор, аналого-цифровой преобразователь, два накапливающих сумматора, функциональный преобразователь, выполняющий в простейшем случае операцию деления, а также блок управления и генератор белого шума. Особенностью измерителя является то, что он использует в качестве тестового сигнала случайный процесс с широким спектром и позволяет измерять коэффициент усиления сразу в некоторой полосе частот. При этом учитываются продукты нелинейных искажений, сопровождающие работу реальных усилителей и влияющие как на форму выходного сигнала, так и на его уровень. Технический результат - повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Стохастический измеритель коэффициента усиления, содержащий мультиплексор и детектор, отличающийся тем, что в него введены блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, два накапливающих сумматора, функциональный преобразователь, блок управления и генератор белого шума, выход которого является тестовым выходом измерителя и подключен к первому информационному входу мультиплексора, тестовым входом измерителя является второй информационный вход мультиплексора, выход которого через блок фильтрации соединен с входом детектора, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, к выходу которого подключены объединенные информационные входы первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам функционального преобразователя, выход которого является выходом измерителя, адресный вход мультиплексора и тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и двух накапливающих сумматоров подключены к соответствующим выходам блока управления.2. Стохастический измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок фильтрации содержит полосовой фильтр и мультиплексор, выход которого является выходом блока фильтрации, первый информационный вход мультиплексора объединен с входом полосового фильтра и является входом блока, а второй информационный вход соединен с выходом полосового фильтра, адресный вход мультиплексора является управляющим входом блока.3. Стохастический измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок фильтрации представляет собой полосовой фильтр с управляемой добротностью и центральной частотой.