УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ СИГНАЛА Российский патент 2006 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано для измерения амплитуды гармонического сигнала, в составе которого присутствует постоянная составляющая, за малое время измерения, в том числе и за время, меньшее периода (полупериода) гармонического сигнала и некратное периоду сигнала с повышенной точностью и помехоустойчивостью.

Известно устройство, реализующее способ измерения амплитуды сигнала по А.С. СССР №1564557, содержащее генератор опорного напряжения, два перемножителя, два квадратора, шесть интеграторов, блок вычислений и один индикатор, а также блок управления. Недостатком его является невозможность измерения значения амплитуды сигнала при нефиксированном однозначно времени измерения и при наличии в сигнале постоянной составляющей. Невозможно также проведение нескольких промежуточных измерений в рамках одного измерительного интервала. Это связано с тем, что в данном устройстве форма опорного сигнала зависит от величины времени измерения, так как опорный сигнал формируется за время менее периода измеряемого сигнала и привязан к середине измерительного интервала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, реализующее оптимальную по критерию максимального правдоподобия оценку амплитуды гармонического сигнала при неизвестном фазовом сдвиге для сигнала с шумами с привязкой результата измерения к началу измерительного интервала, содержащее генератор опорного напряжения, три перемножителя, два квадратора, пять интеграторов, вычислительный блок и индикатор, а также блок управления, причем первые входы первого и второго перемножителей являются входом устройства, второй вход первого перемножителя подключен к первому выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом синусной составляющей опорного сигнала, а второй вход второго перемножителя подключен к второму выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом косинусной составляющей опорного сигнала, входы первого и второго квадратора подключены соответственно к выходам синусной и косинусной составляющей опорного сигнала генератора опорного напряжения, третий перемножитель входами подключен к обоим выходам генератора опорного напряжения, выходы первого, второго и третьего перемножителя, первого и второго квадратора подключены к информационным входам первого, второго, третьего, четвертого и пятого интегратора, выходы всех пяти интегрторов подключены к информационным входам вычислительного блока, сигнальный выход которого является одним из входов индикатора, а управляющие выходы - шины "а" и "б" подключены к управляющим входам блока управления, выходы которого - шины "г" и "д" подключены к соответствующим управляющим входам всех пяти интеграторов, кроме этого, шина "г" соединена также с управляющим входом генератора опорного напряжения, а шина "д" соединена также с управляющим входом индикатора (см. патент РФ №2212676).

В соответствии с прототипом результат измерения определяется в вычислительном блоке устройства по формуле:

где

Здесь ξ(t) - измеряемый гармонический сигнал, T_u - время интегрирования (измерения).

Выражение (1) является алгоритмом оптимальной оценки амплитуды гармонического сигнала с привязкой результата измерения к началу измерительного интервала при неизвестном фазовом сдвиге измеряемого сигнала в условиях воздействия "белого шума" совместно с полезным сигналом и не имеющим систематической погрешности при любом времени измерения как меньше периода, так и некратном периоду гармонического сигнала. Одновременно устройство, работающее по алгоритму (1), имеет возможность не только осуществлять измерения за время менее периода, но и осуществлять при этом непрерывные текущие измерения, так как момент измерения привязан к началу измерительного интервала, что позволяет получать промежуточные значения измеряемой величины без формирования нового измерительного интервала и не требует формирования опорных сигналов сложной формы с привязкой их к середине измерительного интервала.

Однако при наличии в сигнале постоянной составляющей, измерение амплитуды указанным устройством становится практически невозможным из-за возникновения большой систематической погрешности.

Продемонстрируем сказанное следующим образом.

Измеряемый гармонический сигнал с учетом наличия постоянной составляющей и шумовой составляющей определится следующим выражением:

где E₀, S₀, ω₀, ϕ₀ - постоянная составляющая, амплитуда, частота и фазовый сдвиг исследуемого сигнала, n(t) - флуктуационный шум, присутствующий совместно с полезным сигналом.

Подставив (7) с ненулевой постоянной составляющей (в отличие от прототипа) и в условиях нулевого шума в (2) и (3) и, подставив (2-6) в (1), получим выражение для измеренной амплитуды по прототипу:

где введены следующие обозначения:

Для интегралов дополнительно к (2-6) введены следующие обозначения:

Как видно из (8), S_изм=S₀ только при нулевой постоянной составляющей (E₀=0) или при Т_u, равном или кратном периоду сигнала T₀. Если же Т_u меньше или некратно периоду сигнала и присутствует априорно неизвестная постоянная составляющая, то возникает постоянная систематическая погрешность, зависящая как от времени измерения, так и от постоянной составляющей и фазового сдвига измеряемого сигнала. В этих условиях измерения практически невозможны.

В основу настоящего изобретения положена задача разработки устройства для осуществления текущего, непрерывного измерения амплитуды гармонического сигнала при времени измерения, менее и некратном периоду гармонического сигнала без систематической погрешности при априорно неизвестных постоянной составляющей и фазовом сдвиге измеряемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения амплитуды сигнала, содержащее генератор опорного напряжения, три перемножителя, два квадратора, пять интеграторов, вычислительный блок с индикатором результата измерения и блок управления, причем первые входы первого и второго перемножителей соединены и являются входом устройства, а вторые входы этих перемножителей соответственно подключены к выходам генератора опорного напряжения, являющимися выходами синусной и косинусной составляющих опорного сигнала, входы третьего перемножителя подключены к выходам генератора опорного напряжения, являющимися выходами синусной и косинусной составляющих опорного сигнала, первый квадратор входом подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом синусной составляющей опорного сигнала, а второй квадратор входом подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом косинусной составляющей опорного сигнала, информационный вход первого интегратора подключен к выходу первого перемножителя, информационный вход второго интегратора - к выходу второго перемножителя, информационный вход третьего интегратора - к выходу первого квадратора, информационный вход четвертого интегратора - к выходу второго квадратора, информационный вход пятого интегратора - к выходу третьего перемножителя, выходы всех пяти интеграторов подключены к соответствующим входам вычислительного блока, информационным выходом соединенного с индикатором результата измерения, управляющие выходы вычислительного блока являются входами блока управления, на одном из выходов блока управления формируется импульс, в течение длительности которого происходит интегрирование сигналов, поступающих на информационные входы интеграторов, указанный выход блока управления подключен ко входу генератора опорного напряжения и к одному из входов управления каждого из пяти интеграторов, на другом выходе блока управления формируется импульс, в течение длительности которого происходит запоминание результатов интегрирования, вычисление результата измерения и подключение элемента памяти индикатора результата измерения к выходу вычислительного блока, указанный другой выход блока управления подключен к управляющему входу индикатора результата измерения и вторым входам управления каждого из пяти интеграторов, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены шестой, седьмой и восьмой интеграторы, при этом вход шестого интегратора подключен к входу устройства, вход седьмого интегратора подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом синусной составляющей опорного сигнала, вход восьмого интегратора подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом косинусной составляющей опорного сигнала, а выходы шестого, седьмого и восьмого интеграторов подключены к соответствующим входам вычислительного блока.

Сущность работы предлагаемого устройства можно пояснить следующим образом. В соответствии с описанием устройства к формируемым пяти сигналам, определяемым (2-6), предлагается добавить сформированные шестым и седьмым интеграторами сигналы вида (12) и (13) соответственно, а также добавить сигнал, сформированный восьмым интегратором вида:

где ξ(t)- измеряемый гармонический сигнал, Т_u - время интегрирования (измерения).

При этом вычислительный блок определит результат измерения амплитуды по формуле:

Здесь к ранее введенным обозначениям комбинаций интегралов (9-11) добавлены следующие:

Выражение (15) является алгоритмом оптимальной оценки амплитуды гармонического сигнала с постоянной составляющей с привязкой результата измерения к началу измерительного интервала при неизвестном фазовом сдвиге измеряемого сигнала в условиях воздействия "белого шума" совместно с полезным сигналом и не имеющим систематической погрешности при любом времени измерения как меньше периода, так и некратном периоду гармонического сигнала.

Для того чтобы убедиться в отсутствии систематической погрешности, найдем математическое ожидание результата измерения, для чего подставим в выражение (15) измеряемый сигнал (7) без шумов (n(t)=0). Для составляющих (2-6) и (12-14) получим:

где

Если подставить (21-28) в (9-11) и (16-20), а результат затем в (15), то получим S_изм=S₀, причем данное равенство справедливо независимо от наличия постоянной составляющей в сигнале, от значения фазового сдвига сигнала и для любого времени измерения как кратного, так и некратного периоду сигнала, в том числе и меньше периода измеряемого гармонического сигнала.

Как видно из данного анализа, предлагаемое устройство обладает принципиально новым, по сравнению с прототипом, свойством - обеспечивает измерение амплитуды гармонического сигнала при наличии в его составе априорно неизвестной постоянной составляющей в текущем режиме из-за привязки результата измерения к началу измерительного интервала при времени измерения, меньшем периода сигнала, а в общем случае и при времени измерения, некратном периоду сигнала, с нулевой систематической погрешностью. При времени измерения, равном или кратном периоду сигнала, предлагаемое устройство дает результат измерения, аналогичный результату при использовании известного устройства.

Что касается случайной погрешности, вносимой в результат измерения предлагаемым устройством, то можно показать на основе исследования функции правдоподобия, что используемый в вычислительном блоке алгоритм является оптимальным по критерию максимального правдоподобия и обеспечивает минимально возможную случайную погрешность для устройств, осуществляющих измерение амплитуды гармонического сигнала за время, менее периода при априорно неизвестных постоянной составляющей и фазовом сдвиге измеряемого сигнала. Это объясняется тем, что алгоритм (15) получен из функции правдоподобия и является оптимальной оценкой амплитуды гармонического сигнала с шумами при неизвестных постоянной составляющей и фазовом сдвиге, полученном для случая привязки результата измерения к началу измерительного интервала, что и позволяет проводить предлагаемому устройству непрерывные текущие измерения амплитуды в данных условиях.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - структурная схема блока управления, на фиг.3 - структурная схема генератора опорного напряжения, на фиг.4 - эпюры напряжений в блоке управления.

Устройство содержит генератор опорного напряжения 1, первый и второй перемножители 2 и 3, первые входы которых являются входом устройства, второй вход перемножителя 2 подключен к выходу генератора 1 опорного напряжения, являющемуся выходом синусной составляющей опорного сигнала, а второй вход перемножителя 3 подключен к выходу генератора 1 опорного напряжения, являющемуся выходом косинусной составляющей опорного сигнала, первый 4 и второй 5 квадраторы, входы которых подключены соответственно к выходам синусной и косинусной составляющих опорного сигнала генератора 1 опорного напряжения, третий перемножитель 6, входами подключенный к обоим выходам генератора 1 опорного напряжения, интегратор 7, информационный вход которого подключен к входу устройства, интеграторы 8, 9, 10, 11 и 12, информационные входы которых подключены соответственно к выходам первого 2 и второго 3 перемножителей, первого 4 и второго 5 квадраторов и третьего 6 перемножителя, интеграторы 13 и 14, информационные входы которых подключены соответственно к выходам синусной и косинусной составляющих опорного сигнала генератора 1 опорного напряжения, вычислительный блок 15, информационные входы которого являются выходами интеграторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14, информационный выход его является одним из входов индикатора результата измерения 16, а управляющие выходы - шины "а" и "б" подключены к управляющим входам блока управления 17, выходы которого - шины "г" и "д" подключены к соответствующим управляющим входам интеграторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14, кроме этого, шина "г" также соединена с управляющим входом генератора 1 опорного напряжения, а шина "д" - с управляющим входом индикатора 16.

Блок управления 17 содержит формирователь 18 импульсов пуска, времязадающий элемент 19 и формирователь 20 импульсов, последовательно соединенные между собой. Выходом блока 17 управления являются шины "г" и "д", причем шина "г" является выходом времязадающего элемента 19, а шина "д" - формирователя 20 импульсов. Шина "г" подключена к управляющему входу генератора 1 опорного напряжения и одному из управляющих входов каждого из интеграторов 7-14, а шина "д" - к другому управляющему входу каждого из интеграторов 7-14 и к управляющему входу индикатора результата измерения 16. Входом блока 17 управления являются шины "а" и "б", причем шина "а" подключена к управляющему входу формирователя 18 импульсов пуска, а шина "б" - к управляющему входу времязадающего элемента 19.

Генератор 1 опорного напряжения содержит тактовый генератор 21, вход которого подключен к шине "г" блока 17 управления, два запоминающих устройства 22 и 23, входы которых подключены к выходу тактового генератора 21, и два цифроаналоговых преобразователя 24 и 25, входы которых подключены к соответствующим выходам запоминающих устройств 22 и 23, а выходы их являются выходами соответственно синусной sinω₀t и косинусной cosω₀t составляющих опорного сигнала генератора 1 опорного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

На первый и второй перемножители 2 и 3 поступает измеряемый сигнал вида (7), а также синусная и косинусная составляющие опорного сигнала с выхода генератора 1 опорного напряжения. Также измеряемый сигнал вида (7) поступает на интегратор 7. Генератор 1 опорного напряжения может работать в автономном режиме либо синхронизироваться от блока управления 17. На выходе первого интегратора 7 формируется сигнал ρ, определяемый (14). На выходах интеграторов 8 и 9 формируются соответственно сигналы α и β, определяемые соответственно (2) и (3). Кроме того, синусная и косинусная составляющие опорного сигнала с выхода генератора 1 опорного напряжения возводятся в квадрат при помощи первого и второго квадратора 4 и 5, а также перемножаются между собой при помощи третьего перемножителя 6. На выходе интегратора 10 формируется сигнал α^*, определяемый (5), на выходе интегратора 11 формируется сигнал β^*, определяемый (6), а на выходе шестого интегратора 12 - сигнал γ, определяемый (4). Кроме того, на выходах 13 и 14 интеграторов формируются соответственно сигналы γ^** и γ^*, определяемые соответственно (12) и (13).

Вычислительный блок 15, куда поступают сигналы со всех интеграторов 7-14: ρ, α, β, α^*, β^*, γ, γ^* и γ^** осуществляет перевод их в цифровую форму и вычисление результата измерения. На индикаторе 16 формируется результат измерения амплитуды измеряемого сигнала по (15), что, как показано выше, соответствует результату измерения амплитуды гармонического сигнала без систематической погрешности при любом времени измерения при наличии априорно неизвестных постоянной составляющей и фазовом сдвиге.

Синхронизацию работы интеграторов 7-14 и индикатора 16 осуществляет блок 17 управления.

Блок 17 управления (фиг.2) работает следующим образом.

Формирователь 18 импульсов пуска формирует одиночные импульсы (точка "в") либо в автономном режиме, либо по команде с вычислительного блока 15, которые запускают времязадающий элемент 19. Последний формирует импульс, равный по длительности требуемому времени измерения T_u, определяемой с вычислительного блока 15. Этот импульс поступает на выход - шину "г" блока 17 управления и на вход формирователя 20 импульсов, на выходе которого формируется импульс, поступающий на выход "д" блока 17 управления. В течение длительности импульса на выходе "г" длительностью Т_u происходит интегрирование сигналов, поступающих на входы интеграторов 7-14. В течение действия импульса на выходе "д" происходит запоминание результатов интегрирования, вычисление результата измерения и подключение элемента памяти индикатора 16 к выходу вычислительного блока 15. Индикатор 16 запоминает результат измерения и отображает его до прихода следующего импульса по шине "д".

Для пояснения работы блока 17 управления на фиг.4 приведены эпюры напряжений в элементах блока 17 управления: в точке "в" (фиг.2) и на шинах "г" и "д".

Используемые в устройстве узлы могут быть построены следующим образом.

Перемножители и квадраторы могут быть построены по схемам логарифмических функциональных генераторов (У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1982, с.156).

Интеграторы могут быть построены на основе операционных усилителей. Для обеспечения интегрирования в течение времени T_u применяются интеграторы с синхронизацией и памятью. Схема такого интегратора приведена на стр.144 в кн. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1982.

Индикатор 16 может быть выполнен в виде последовательно включенных элемента выборки и хранения и стрелочного прибора. Элемент выборки и хранения можно реализовать на основе цифровых запоминающих устройств, а стрелочный прибор заменить на цифровой индикатор.

Формирователь импульса пуска 18 может быть реализован по схеме синхронизируемого мультивибратора, а времязадающий элемент 19 и формирователь импульсов 20 могут быть реализованы по схемам одновибраторов.

Вычислительный блок 15 может быть реализован на основе микропроцессора Intel 80386 по типовой структуре с аналого-цифровыми преобразователями на входе. Вычислительный блок 15 выполняет следующие функции, вытекающие из описания работы предлагаемого устройства.

1. Выдача управляющих сигналов для блока управления.

2. Подключение выходов интеграторов к входам АЦП, содержащихся в вычислительном блоке. Причем это может происходить как автоматически, по концу времени измерения T_u, так и ранее времени T_u, по командам оператора или в соответствии с программой для обеспечения режима текущих измерений и получения нескольких значений измеряемой амплитуды.

3. Считывание цифровых кодов с выходов АЦП и занесение их в память.

4. Вычисление результата измерения по указанной выше формуле и преобразование его к виду, удобному для отображения на индикаторе.

5. Переход в режим ожидания для повторения всех операций.

Таким образом, в предлагаемом устройстве решена поставленная задача - осуществление непрерывного, текущего измерения амплитуды гармонического сигнала при времени измерения менее или некратном периоду гармонического сигнала при наличии априорно неизвестных постоянной составляющей и фазовом сдвиге без систематической погрешности, устройство физически реализуемо из известных элементов.

Устройство состоит из генератора опорного напряжения, двух квадраторов, трех перемножителей, восьми интеграторов, блока управления, вычислительного блока и индикатора. На вычислительный блок поступают сигналы, формируемые первыми пятью интеграторами. Дополнительно используются результаты интегрирования ортогональных составляющих опорного сигнала и результат интегрирования измеряемого сигнала за время измерения. Эти сигналы формируются шестым, седьмым и восьмым интеграторами соответственно. Технический результат - осуществление текущего непрерывного измерения амплитуды гармонического сигнала при времени измерения менее и некратном периоду гармонического сигнала без систематической погрешности при априорно неизвестных постоянной составляющей и фазовом сдвиге измеряемого сигнала. 4 ил.

Устройство измерения амплитуды сигнала, содержащее генератор опорного напряжения, три перемножителя, два квадратора, пять интеграторов, вычислительный блок с индикатором результата измерения и блок управления, причем первые входы первого и второго перемножителей соединены и являются входом устройства, а вторые входы этих перемножителей соответственно подключены к выходам генератора опорного напряжения, являющимся выходами синусной и косинусной составляющих опорного сигнала, входы третьего перемножителя подключены к выходам генератора опорного напряжения, являющимся выходами синусной и косинусной составляющих опорного сигнала, первый квадратор входом подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом синусной составляющей опорного сигнала, а второй квадратор входом подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом косинусной составляющей опорного сигнала, информационный вход первого интегратора подключен к выходу первого перемножителя, информационный вход второго интегратора - к выходу второго перемножителя, информационный вход третьего интегратора - к выходу первого квадратора, информационный вход четвертого интегратора - к выходу второго квадратора, информационный вход пятого интегратора - к выходу третьего перемножителя, выходы всех пяти интеграторов подключены к соответствующим входам вычислительного блока, информационным выходом соединенного с индикатором результата измерения, управляющие выходы вычислительного блока являются входами блока управления, на одном из выходов блока управления формируется импульс, в течение длительности которого происходит интегрирование сигналов, поступающих на информационные входы интеграторов, указанный выход блока управления подключен ко входу генератора опорного напряжения и к одному из входов управления каждого из пяти интеграторов, на другом выходе блока управления формируется импульс, в течение длительности которого происходит запоминание результатов интегрирования, вычисление результата измерения и подключение элемента памяти индикатора результата измерения - к выходу вычислительного блока, указанный другой выход блока управления подключен к управляющему входу индикатора результата измерения и вторым входам управления каждого из пяти интеграторов, отличающееся тем, что снабжено шестым, седьмым и восьмым интеграторами, причем вход шестого интегратора подключен к входу устройства, вход седьмого интегратора подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом синусной составляющей опорного сигнала, а вход восьмого интегратора подключен к выходу генератора опорного напряжения, являющемуся выходом косинусной составляющей опорного сигнала, первый и второй входы управления шестого, седьмого и восьмого интеграторов соединены с соответствующими выходами блока управления, выходы шестого, седьмого и восьмого интеграторов подключены к соответствующим входам вычислительного блока, который определяет результаты измерения амплитуды сигнала, используя результаты интегрирования всех восьми интеграторов, по формуле

где

a ξ(t) - исследуемый сигнал;

T_u - время интегрирования (измерения);

ω₀ - частота исследуемого сигнала.