Устройство для определения интегральных характеристик периодического сигнала Советский патент 1984 года по МПК H03K13/02 

Изобретение относится к измерительной технике и используется в специализировапной аппаратуре для определения интегральных характеристик периодического сигнала, при измерении которьлх предварительно не.обходимо производить функциональное преобразование сигнала с после дующим вьщеле.нием постоянной составляющей, при этом важной задачей является уменьшение погрэатности измерения постоянной составляющей преобразованного сигнала, гармоники кэторого представляют собой помеху. Известно устройство для измерезния действующего значения сигнала, содер жащее входной усилитель, два компара тора, источник калиброванного напряжения, аналоговый сумматор, генератор тактовых импульсов,,генератор псевдослучайных чисел, цифроаналоговый преобразователь, две группы вентилей, логический инвертор, решающий блок и регистрирующее устройство 1 Известно устройство для измерения среднего значения, содержащее аналого-цифровой преобразователь, электронно-счетный измеритель отношения и генератор импульсов опроса, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя и первым входогч измерителя отношения, а второй вход аналогоцифрового преобразователя соединен с общим входом устройства 2. Недостатком этих устройств является низкая точность определения оценки среднего значения периодичес кого сигнала, Ниболее близким к изобретению по технической сущности является устро ство для определения интегральных характеристик периодического сигнала, содержащее аналого-цифровой пре образователь, первый вход которого соединен с входной шиной и первым входом формирователя, а .выход - с первым входом элемента 2И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход - с выходом пер вого элемента ИЛИ, первый вход кото рого соединен с выходом дешифратора, вход, которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход фор мирователя соединен с входом итогово го счвтчика, выход которого соедине с первым входом второго счетчика, вы ход которого соединен с вхсЗдом втор го элемента ИЛИ, а второй вход - с выходом второго эл-емента И, первый вход которого соединен с выходом ге нератора импульсов Недостатком известного устройства является также низкая точность определения интегральных характеристик . периодического сигнала. Целью изобретения является повышение точ-ности устройства, Поставленная цель достигается тем, что в устройство.для определения интегральных характеристик периодического сигнала, содержащее аналого-цифровой, преобразователь, первый вход которого соединен с входной шиной и первым входом формирователя, а выход - с первым входом элемента 2И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход ,кот.орого соединен с вход.ом первого счетчика, а второй вход - с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом дешифратора, вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход формирователя соединен с входом итогового счетчика, выход которого со динен с первым входом второго счетчика, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ, а второй вход - с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, введены второй делитель частоты, реверсивный счетчик, счетчик с переменным коэффициентом деления, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с пер|зым выходом реверсивного счетчика, а выход - с вторым входом элемента 2И-ИЛИ, третий и четвертый входы которого объединены и соединены с вторыми входами первого элемента ИЛИ, второго элемента И и BTOpbnvi выходом реверсивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ и третьим входом второго счетчика, второй вход с выходом дешифратора, при этом вход второго делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с входом первого делителя частоты, вторыми входами аналого-цифрового преобразователя и формирователя соответственно. На фиг, 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2,-а - весовая функция, реализуемая предлагаемым устройством; на фиг. 2 сГ, 6 , - спектры компонентов спектральной характеристики реализуемой весовой функции. Устройство для определения интегральных характеристик сигнала (фиг 1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, управляемый делитешь 2 частоты, электронно-счетный измеритель- 3 отношения, измеритель 4 периода сигнала, генератор 5 части периода сигнала, генератор 6 импульсов, счетчик 7 с переменHtsiM .коэффициентом деления, элемент 2И-ИЛИ 8, элемент И 9,.счетчик 10, формирователь 11, итоговый счетчик 12, элемент И 13, счетчик 1 элемент ИЛИ 15, реверсивный счетчик 16 , делитель 17 частоты, дешифр тор 18, элемент.ИЛИ 19,. делитель 20 частоты импульсов, входную шину 21. Кроме того, на фиг. 1 обозначены выход 22 аналого-цифрового преобраэ вателя 1, выход 23 элемента 2И-ИЛИ выход 24 элемента ИЛИ 19, выход 25 итогового счетчика 12, выход26 элемента ИЛИ 15, первый 27 и второй 28 выходы реверсивного счетчики 16, выход 29 делителя 20 частоты импульсо выход 30 генератора 6 импульсов. Упрабляемый делитель частоты 2 содержитсчетчик 7 с переменным коэ фициентом деления, и .элемент 2И-ИЛИ причем первый вход счетчика 7 соединен с первым входом первого элемента И элемента 2И-ИЛИ 8 и выходом 22 2ЩП 1. Первый вход второго элемента элемента 2И-ИЛИ 8 соединен с выходом счетчика 7, второй вход ftOTOpo го соединен с первым выходом 27 реверсивного счетчика 16. Второй (инверсный) вход первого элемента И элемента 2И-ИЛИ 8 и второй вход втсэ рого И этого же элемента соединены с вторым выходом 28 реверсивного счетчика 16. Электронно-счетный и-змеритель 3 отнощения содержит элемент И 9, счет чик 10, делитель 17 частоты, дешифратор 18, элемент ИЛИ 19. Выход 23 элемента 2И-ИЛИ 8 соединен с первым входом элемента И 9, выход которого соединен со счетчиком 10. Второй вход элемента И 9 соединен с выходом 24 элемента ИЛИ 19. Выход делителя 17 частоты соединен с входом дешифратора 18, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 19, второй вход которого соединен с вторым выходом 28 реверсивного счетчика 16. Измеритель 4 периода сигнала со.держит последовательно соединен- . ыые формирователь 11 и итоговый счет чик 12, Первый вход формирователя соединен с входной шиной 21 устройства и первым входом АЦП 1, а второй вход формирователя 11 соединен с вторым входом АЦП 1, входом делителя 17 частоты электронно-счетного измерителя отношения и выходом делителя 20 частоты импульсов. Генератор 5 части периода сигнала содержи элемент И 13, счетчик 14 и элемент ИЛИ 15, причем выход элемента И 13 соединен с первым входом счетчика 14, второй вход которого соединен, с выходом 25 итогового счетчика 12 измерителя периода сигна ла. Выходы счетчика 14 соединены с зхо.дам-Ч элемента ИЛИ 15, выход которого соединен с третьим входом счетчика 14 и первым входом реверсивного счетчика 16. Первый вход элемента И 13 соединен с выходом 30 генератора 6 импульсов и входом делите.ля 20 частоты импульсов, бторой вход элемента И 13 соедт нен с вторым выходом 28 реверсивного счетчика.16. Второй вход реверсивного счетчика 16 соединен с выходом дешифратора 18 электронно-счетного измерителя 3 отношения, Управляемый делитель 2 предназначен для деления и передачи на выход выходных импульсов АЦП 1 в соответствии с состоянием выходного кода на первс5м выходе 27 и управляющего сигнала на втором выходе 28 реверсивного счетчика 16. Электронно-счетный измеритель 3 отношения предназначен для измерения отношения средней частоты -выходных импульсов АЦП 1 к импульсов на выходе 29 делителя 20. Для реализации весовой функции введен элемент ИЛИ 19, удлиняющий время измерения на длительность управляющего сигнала на втором выходе 28 реверсивного счетчика 16, Измеритель 4 периода сигнала служит для преобразования переменной составляющей входного сигнала в сигналы логического нуля и единищл с последующим формированием интервала длительностью в один период входного сигнала, на протяжении которого ведется подсчет импульсов с выхода 29 делителя 20 частоты импульса, Генератор 5 части периода сигнала предназначен для выработки импульсов длительностью Тх/2, где Тх - период входного сигнала; - разрядность делителя 20. Реверсинный счетчик 16 служит для формирования управляющих сигналов на втором выхо.де 28 длительностью | () и выходных кодов на первом выходе 27 для управляемого делителя 2 частоты. Генератор 6 импульсов и делитель 20 служат для формирования тактовых импульсов и импульсов опроса для АЦП 1р измерителя 4 периода сигнала, генератора 5 части периода и электронно-счетного измерителя 3 отношения. Устройство работает следующим Образом., Перед началом измерительного цикла осуществляется измерение периода сигнала Тх при помощи измерителя 4 Периода сигнала. Код периоа сигнала хранится в итоговом счетчике 12, в начале измерительного цикла счетчики 14 и 16 обнуляются. и сформированные при этом импульсы с выхода 26 элемента ИЛИ 15 разрешают передачу обратного кодас выхода 25 итогового счетчика 12 в счетчик 14, а управляющий сигнал с вто рого выхода 28 реверсивного счетчика открывает элемент И 13 и пропускает на счетный вход счетчика 14 им пульсы генератора б до момента обну ления счетчика 14, после чего, на вы ходе 26 элемента ИЛИ 15 снова вырабатывается импульс записи в обратном коде информации со счетчика 12 в счетчик 14, при этом в реверсивный счетчик 16 записывается единица. Эле мент И 13 остается открытым, на счет ный вход счетчика 14 продолжают . поступать импульсы генератора 6 и цикл повторится снов-а. Учитывая, чтр частота импульсов генератора 6 в 2 раз выше частоты на выходе делителя 20 (п- разрядность делителя 20), на выходе элеме та ИЛИ 15 вырабатываются импульсы с периодом Тх/2, которые поступают на .счетный вход счетчика 16, Информ ция о состоянии счетчика 16 передае ся с первого выхода 27 на второй вход счетчика 7 с переменным коэффи циентом деления. Выходные импульсы АЦП 1 делятся на счетчике 7 и через открытый второй элемент И элемента 2И-ИЛИ В поступают на выход 23 управляемого делителя 2 частоты, . Разрядность счетчика 16 - 2, поэто му на интервале времени О, , ,, ( выходе 23 будут импульсы АЦП 1, средняя частота которых изменяется & V) f{ga)} /Гта)У4 / Г rfSinw Q/2 fv, T.fA;c05(w/Tx/8). (-05( -Ч(-wlQ7r -J TX/ - T Bp-/xvTx/2 j в последнем выражении экспонен циальные множители от мнилслх аргу тов выражают только фазовые сдвиг поэтому МОДУЛЕ спектра равен /oOv.).//cos7r/Tx/2 co57/fTx/4... ....cos7/fTx/2 V или с учетом выражения Тх/2 -созТГ/ТхЛcos f , s nTTfTx / „ и -1 .Т 2--s(7 f-fxfZ -J lr( Tq) IS-inT/fTx / f l l-WrrliY n7JfT, по ступенчато-возрастающему закону, В момент времени .(Тх/2) () управляющий . сигнал с второго выхода счетчика 16 открывает первый элемент И элемента 2И-ИЛИ 8 и выходные импульсы АЦП 1 с весом 1 на интервале времени (Тх/2) ) - Та поступают на выход 23 и через открытый элемент И 9 - на счетный вход счетчика 10, В момент Та счетчик 14 обнуляется, триггера реверсивного счетчика 16 устанавливаютсяв единичное состояние, с выхода дешифратора 18 на вход реверса счетчика 16 поступает сигнал, устанавливакяяий счетчик в режим .вычитания, сигнал с выхода 28 открывает второй элемент И элемента 2И-ИЛИ 8, элемент И 13, и через элемент ИЛИ 19 удлиняет время счета до.,момента времени Та+%() На интервале Та - 1а+(2 -) работа устройств )аналогична работе на интервале О - (Тх/2) () , но при этом на. вход счетчика7 с первого выхода 27 реверсивного счетчи -1-6 поступает выходной код, обуславливающий ступенчато-убывающее изменение средней частоты выходных . импульсов АЦП 1 на выходе 23, I . , Таким образом, реализуется функция У (i), представляющая собой сумму 2 прямоугольников .высотой (2 -Та) , сдвинутых относительно ЯРУг друга на интервалы времени Тх/2 , спектр & () которой представлен на фиг, 2 (5 и равен ЪТ,/2(). . . ) ;j(fV- (I) в спектральной характеристике второй сомножитель (фиг, 26) превращается в .нуль на всех гармониках входного сигнала f Тх L , где 1 1, 2,3, ,,,,00 кроме яастот, удовлетворякяцих равенСТВО п-1. f f (Тх . 2 ) , . (4) где 1,2, 3, ,,,,00 для которых выражение (2) превращается в 1, т,е.. происходит равновесное суммирование с погрешностью, описываемой первым сомножителем В1аражения /3), Выбор п (разрядность делителя частоты 20 и реверсивного счетчика 16) ограничивается числом, для Кагорого первая частота, проходящая с единичным весом, подавляется прямоугольной весовой функцией (первый сомножитель выражение (3) ) до величины, меньше допустимой. Учитывая выражение ,(4) получим (7;1ъ-Гтх 2 - -Отсюдаr7.ent{(fo,T-aV/Tr) 5) Для. данного л- получим подавление всех четных и нечетных гармоник, погрешность от которых больше допус тимой cf, Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря наличию счетчи ка 16 и счетчика 7 с переменным коэффициентом деления частоты реализуется весовая функция, способная адаптироваться -к частоте четных и н четных гармонических составляквдих функционально-преобразованного сигнала: при измерении периода сигнала автоматически.изменяются нули второ го компонента спектральной характеристики (3) (фиг. 2.6). Адаптация к амплитуде заключается в том, что при уменьшении амплитуды рано или поздно формирователь перестает работать из-за того, что амплитуды сигнала недостаточно. В этом случае показание итогового счетчика 12 равно нулю, интервал . (Тх/2) (2 -1) превращается в нуль и весовая функция становится прямоугольной. Однако порог срабатыва-ния формирователя всегда намного ниже предела измерения, -и прямоугол ная весовая функция будет вполне удовлетворительной, так как помеху, слабого уровня пода;влять можно хуже Для предлагаемого устройства погрешность определения интегральных характеристик сигнала, содержащего четные и нечетные гармоники (уровен отклонения от нуля спектральной характеристики) на интервале анализа Та определяется из выражения (3). Первый омножит ль в худшем случае равен (Jifx Та) . Второй сомножитель при измерении Тх с погрешность АТх составит Tifx 4Тх (s. в выражении (6) при изменении п в пределах от 2 до оо знаменатель изменяется в пределах от 2 до 7 и учитывая, что синус малых углов равен аргументу выражения, выражение (6) примет вид ДТх S-inMx дТх ( 2 Умножив выражение () на (7fv Та) получим /6(f )/ d|-ЛТХ/2Т4.(8) Таким образом, последнее выражение описывает погрешность определения интегральных характеристик периодического сигнала, содержащего кроме нечетных, четные гармоники. Для известного устройства погрешность определения интегральных характеристик сигнала, содержащего четные и нечетные.гармоники, на интервале анализа Та определяемся выраже ннем() / ,.(9) где L - номер четной гармоники в преобразованном сигнале. Сравнивая погрешности предлагаемого и известного устройств )--2Tx/7rLfiTx,(10) видно, что при измерении Тх с погрешностью 1% V,гп -сГгМг -ЮОсс.(11) Из последнего выражения следует, что при измерении Тх с погрешностьк) менее 1% псздавление второй гармоники приблизительно в 30 раз больше, чем у известного устройства. Технико-экономический эффект изобретения состоит в том, что использование устройства в вольтметрах для определения интегральных характеристик сигналов (среднеквадратического, средневыпрямленного, среднего детектированного) приводит к значительным улучшениям основных технических характеристик, а именно к уменьшению погрешности и времени преобразования как при измерении синусоидальных, так и искаженных сигнатюв.

n(2f)

ffTA

JfVsrs.

fr fr -%, %, % % % Ч 4 % %

)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первьзй вход которого соединен с входной шиной и первым входом формирователя, а выход - с первым входом элемента 2И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход - с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом дешифратора, вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход формирователя соединен с входом итогового счетчика, выход которого соединен с первым входом второго счетчика, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ, а второй вход - с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, fe него введены второй делитель частоты, реверсивный счетчик, счетчик с переменным коэффициентом деления , первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с первьам выходом реверсивного счетчика, а выход - с вторым входом элемента 2И-ИЛИ , (Л .третий и четвертый входы которого объединены и соединены с вторыми входами первого элемента ИЛИ, второ го элемента И и вторым выходомревер-i. сивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ и третьим входом второго счетчика, второй вход - е выходом дешифратора, при этом вход второго х делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с входом первого делителя частоты, вторыми входами аналого-цифрового преобразователя и формирователя соел ответственно.

SinyfTx

(на фаг 28 rt-i)

/Л /л /л /л 7/д /; /л Ю1п /п