Устройство для измерения искажений сигналов с учетом их спектра Советский патент 1984 года по МПК G01R23/20 

ратор к выходу канала сравнения, второй вход сумматора через второй управляемый аттенюатор подключен к блоку выработки напряжения смещения, причем управляющие входы первого и второго управляемых атте нюаторов подключены к выходу первого интегратора.

1

Изобретение относится к измерительной технике д может быть использовано для контроля искажений электрических сигналов с .учетом их спектра.

.Известно устройство для измерения коэффициента г,армоник электрических периодических сигналов, содержащее ключ, фильтр, измерительный прибор, выпрямители, интегрирующие цепочки и пороговое устройство, причем один из контактов ключа подключен .через выпрямитель и интегрирующую цепь к входу порогового устройства, выход последнего подсоединен к другому контакту ключа, а между выходом фильтра и входом измерительного прибора включены выпрямитель и интегрирующая цепь ij ,

Недостатком .о устройства ляется то, что измеряются гармоническке искажения, специально подобранного гармонического тестового сигнала, при этом остается неизвестным в какой степени получаемая оценку характеризует степень искажений реального сигнала, который будет действовать на входе исследуемой системы при эксплуатации и в общем случае может занчительно отличаться от тестового сигнала.

Известно устройство для автоматического измерения сигнал/шум, содежащее генератор опорного напрял ения, измеритель отношения и два квадратурных канала, состоящих из фазовращателя на 90 , последовательно соединенные перемножители и интеграторы, между Генератором опорного напряжения и входами перемножителей включены последовательно соединенные регулируемый фазовращатель и. коммута,тор на два положения, первый выход которого соединен с входами перемножителей непосредственно, а второй - через фазовращатель на 45°, к выходам интеграторов через первые выходы двух других коммутаторов на два положения подключен амплитудный дискртлинатор, выход которого-соединен суправляющим входом регулируемого фазовращателя, причем вторые выходы коммутаторов подключены к измерителю отношения а управляющие входы всех коммутаторов соединены с устройством, управляющим переключением 2j .

Недостатком этого устройства является то, что измерение искажений осуществимо только для узкополосных квазигармонических сигналов, существенно отличающихся от реальных. Кроме того, устройство не измеряет мультипликативные искажения сигнала.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения искажений, содержащее первый и второй аттенюаторы, ключ, N(H ). рехсекторных фильтров, суммируюцее устройство, регистрирующее устройство, первый квадратичный детектор и N каналов сравнения, состоящих соответственно из первого и второго полосовых фильтров, первого и второго выпрямителей , второго квадратичного детектора и вычитающего блока, первый вход которого через последовательно соединенные первый выпрямитель и первый полосовой фильтр соединен с первым входом канала сравнения, второй вход через последовательно соедине1- ные второй выпрямитель и второй полосовой фильтр соединен с вторым входом канала сравнения, выход через второй квадратичн й детектор соединен с выходом канала сравнения, первые входы каналов сравнения объединены и через первый аттенюатор соединены с первым входом устройства, вторые входы каналов сравнения объединены и через последовательно соединенные второй аттенюатор и ключ соединены со вторым входом устройства, один из входов суммирующего устройства через последовательно соединенные первый квадратичный детектор и

N режекторных фильтров соединен с выходом второго аттенюатора, остальные входы соединены с соответствующими выходами каналов сравнения выход суммирующего устройства соединен с регистрирующим устройством з .

Недостатком этого устройства является невысокая точность оценки реальных искажений сигнала. Причины этого следующие.

Известное устройство реализует алгоритм

ti

,EUy;-K f.

i

Ф

А

о г О

К:,А .где : А;,Ay;.- амплитуды о о : . 1-ой гармонической спектсальной компоненты сигнала на входе и выходе исслелуемого устройства соответственно) ) - составляющая выходно то сигнала исследуемого устройства/ обусловленная нелинейными искажения .и внутренним шумом исследуемой систем Реальный приемник информации все да имеет ограниченный частотный и д намический диапазон принимаемых сиг налов. Внутри принимаемого частотно го диапазона сигналов амплитудно-ча тотная характеристика приемника информации может быть неравномерной,, Нелинейной может бытьи амплитудная характеристика. Примером такого при емника информации является, человеческий слух. Измерение спектральных искажений без учета искажений спектра в самом приемнике информации и без учета возможностей приемника информации по восстановлению искажений информа ции в результате искажений сигналов носитешей информации не позволяет оценить реальный уровень вносимых устройством информационных искажени а следовательно и уровень реальных искажений сигнала. Недостатком этого устройства является невысокая точность оценки реальных искажений в широком динамическом диапазоне сигналов. В случаях, когда частотоселективные свойства приемника информ ции превышают разрешающую способность полосовых фильтров в каналах сравнения, получаемая оценка перестает соответствовать реальным искажениям, так как высокий уровень искажений спектральных .компонент с малой амплитудой, обусловленный, например, шумовыми искажениями буде маскироваться относительно небольши уровнем искажений спектральных компонент с большим уровнем, лежащих в полосе пропускания этого же полосового фильтра. Целью изобретения является повыш ние точности измерения реальных иск жений сигнала и расширение динамического диапазона. Поставленная цель достигается те что в устройство, содержащее первый и второй аттенюаторы, ключ, N посл довательно соединенных режекторных фильтров, суммирующий блок, регистр руюций блок/первый квадратичный детек тор и N кансшов сравнения. Причем первый вход устройства подключен к входу первого аттенюатора, второй вход устройства через ключ подключе к входу второго аттенюатора, пер.вые входы каналов сравнения объединены, вторые входы каналов сравнения объединены, один из входов суммирующего блока через первый квадратичный детектор.подключен к выходу последнего из N последовательно соединенных режекторных фильтров, выход .суммирующего блока подключен к входу регистрирующего блока, дополнительно введены первый, второй и третий фильтры, первьай и второй нелинейные элементы и N дополнительных аттенюаторов, причем выходы каналов сравнения через соответствующие дополнительные аттенюаторы соединены с соответств.ующими входами суммирующего блока, объединенные первые входы каналов сравнения через последовательно соединенные первый нелинейный элемент и первый фильтр подключены к выходу первого аттенюатора, объединенные вторые входы каналов сравнения через последовательно соединенные второй нелинейный элемент и второй фильтр подключены к выходу второго аттенюатора, вход первого из последовательно соединенных режекторных фильтров через третий фильтр подключен к выходу второго нелинейного элемента. 1 . . С целью расширения динамического диапазона в каждый канал сравнения, содержащий вычитающий блок и два полосовых фильтра, дополнительно введены последовательно соединенные первый квадратор, первый интегратор, первый блок извлечения квадратного корня, при этом вход первого квадра тора подключен к выходу первого полосового фильтра, вход которого подключен к первому входу канала сравнения, а выход первог;о блока j извлечения квадратного корня подключен к первому входу вычитающего блока, второй вход которого через последовательно соединенные второй блок извлечения квадратного корня, второй интегратор и второй квадратор подключен к выходу второго полосового фильтра, вход которого подключен к второму входу канала сравнения, кроме того, первый вход вычитающего блока через выпрямитель подключен к первому входу сумматора, выход которого подключен к второму входу блока измерения отношения, первый вход которой подключен к выходу вычитающего блока, а выход через последовательно соединенные первый управляемый аттенюатор и третий квадратор - к выходу канала сравнения, второй вход сумгиатора через второй управляемый аттенюатор подключен к блоку выработки напряжения смещения, причем управляющие входы первого и второго управляемых аттенюаторов подключены к выходу первого интегратора. На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 блок-схема канала сравнения. Предлагаемое устройство содерлсит N sl ) каналов 1 сравнения, первые входы 2 которых объединены .и через последовательно соединенные первый нелинейный, элемент 3, первый фильтр 4 и первый аттенюатор 5 подключены к первому входу б устройства, вторые .входы 7 объединены и ч рез последовательно соединенные вто рой нелинейный элемент 8, второй фильтр 9, второй аттенюатор 10-и нормально замкнутый ключ 11 подключены к второму входу 12 устройства, . суммирующий блок 13, один из входов 14 которого через последовательно соединенною первый квадратич ный детектор 15, N последовательно соединенных режекторных фильтров 16 и третий фильтр 17 подключен к выхо ду 18 второго нелинейного элемента другие входы 19/суммирующего блока через соответствующие дополнительные аттенюаторы 20 подключены к вых дам 21 каналов 1 сравнения соответственно, в.ыход 22 соединен с регист рирующим блоком 23; каждый из каналов 1 сравнения содержит вычитающий блок 24, первый вход 25 которого через последовательно соединенные первый блок 2-6 извлечения квадратного корня, первый интегратор 27 первый квадратор 28, первый полосово фильтр 29 подключен к первому входу каНала 1 сравнения, а второй вход 30 вычитающего блока 24 через последовательно соединенные второй блок 31 извлечения квадратного корня, второй интегратор 32, второй квадратор 33 / и второй полосовой фильтр 34 подключен к второму входу 7 канала сравнения, кроме того, первый вход 25 вычитающего блока 24 через выпрямитель 35 подключен к первому входу сумматора 36, выход которого подключен к второму входу блока 37 изме рения отношения, первый вход которог подключен.к выходу вычитающего блока 24j а выход через последовательно соединенные первый управляемый аттенюатор 38 и третий квадратор 39 к выходу 21 канала 1 сравнения, второй вход сумматора 36 через второй управляемый аттенюатор 40 подключен к блоку 41 выработки напряжения смещения, причем управляющие входы первого 38 и второго 40 аттенюаторов подключены к выходу первого интегратора 27. Устройство работает следующим образом. Каналы 1 сравнения, на первые вхо ды 2 которых через последовательно соединенные первый нелинейный элемент 3, первый .фильтр 4 и первый аттенюатор 5 поступает сигнал с первого входа 6 устройства, а на вторые входы 7 через последовательно соединенные второй нелинейный элемент 8, второй фильтр 9, второй аттенюатор 10 и нормально замкну.тый ключ 11 поступает сигнал с второго входа устройства 12, на Ёыходе 21 формируют сигнал ошибки.Первый и второй аттенюаторы 5 и 10 при этом нормируют входные сигналы. Цепочки, состоящие из последовательно .-Соединенных первого фильтра 4 и первого нелинейного элемента 3, второго фильтра 9 и второго нелинейного элемента 8, имитируют амплитудно-частотные; и амплитудные характеристики приемникд информации. При этом сигналы на первом 2 и втором 7 входах каналов сравнения подвергаютс - предыскажениям, соответствующим искажениям их в тракте реального приемника информации . Один из входов 14 суммирующего блока 13 через последовательно соединенные первый квадрати ный детектор 15, N последовательно соединенных реж.екторных фильтров 16 и третий фильтр 17 соединен с выходом 18 второго нелинейного элемента 8. Третий фильтр 17 имеет амплитудно-частотную характеристику, соответствующую энергетическому спектру ожидаемого сигнала, а каждый i -и (i,-1-N) , режекторный фильтр 16 настроен на частоту, соответствующую частоте наст|)Ойки полосовых фильтров 27, 30 i-ro канала 1 сравнения. При этом постонное напряжение, поступающее на вход 14 суммирующего блока 13, будет результатом квадратичного детектирования первым квадратичным детектором 15 нелинейных и шумовых продуктов искажений в полосе частот, сответствующей полосе частот ожидаемого сигнала, с весом спектральных компонент, соответствующим весу спектральных компонент ожидаемого сигнала, .кроме спектральных компонент, вырезаемых режекторными фильтрами 16. Остальные N входов 19 сумми-рующего блока 13 через дополнительные аттенюаторы 20 -соединены соответственно с выходами 21 каждого из каналов 1 сравнения. Затухание каждого i -го дополнительного аттенюатора 20 определяется удельной мощностью (весом) -и спектральной компоненты нормированной амплитудно-частотной характеристики приемника информации. . Каждый из каналов 1 сравнения измеряет отличие энергетических спектров на первом 2 и втором 7 вхоДа.х канала сравнения. Формирование напряжения, пропорционального абсолютной ошибке, происходит в каналах 1 сравнения следующим образом. На первый вход 25 -го вычитающего блока 24 поступает напряж ние ( , соотвёт ствующее огибащей квазигармонического сигнала в полосе частот & СО , формируемого первым полосовьл фильтром 29 из пол ,ного сигнала, существующего на перпервом входе 2 i -го канала i срав нения. Напряжение огибающей выделяется с помощью детектора, образованного первым квадратором 28 -и первым интегратором 27, а затем обрабатывается первым блоком 26 извл:ечения квадратного корня. Аналогично на втором входе 30 вычитающего блока 24 с помощью второго полосового фильтра 34,.второго квадратора 39, второго интегратора 32 и второго блока 31 извлечения квадратного кор ня, формируется напряжение () соответствующее огиба1бщей. квазигарм нического колебания, формируемого -в рым полосовым фильтром 34 из полного сигнала, поступающего на второй вход 7 i-го канала 1 сравнен-ия. Характеристики первого и второго полосовых фильтров 29 и 34, первого и второго квадраторов 27 и 33, пер вого и второго интеграторов 27 и 32 и первого и второго блоков 26 и 31 извлечения квадратного корня выбираются идентичными. На первый вход сумматора 36 чере выпрягдитель 35 поступает напряжение () , являющееся результатомвыпрямления напряжения ( , присутствующего на входе 25 вычитающего блока 24. Н второй вход сумматора 36 через второй управляемый аттенюатор 40 с коэффициентом передачи Хд. поступает напряжение от блока 41 выработки напряжения смещения При этом на втором входе суммато ра 36 формируется напряжение Utvi cw А2 пропорциональное мгно венной чувствительности приемника . сигналов в I -ой полосе частот. Измеритель 37 отношения, на первый вход которого с выхода вычитающего устройства 24 поступает напряжение 1 а на второй вхо с выхода суг.матора 36 поступает напряжение И и tii Формирует на выхо де напряжение, пропорциональное U I-UQ; 7-----;-; которое после прохожl iH/ n, , дения через первый управляемый аттенюатор 38 с коэффициентомпередачи Кд( ; пропорциональным мгновенному коэффициенту передачи приемника информации поступает на вход третьего квадратора 39. Напряжение на выходе 21 j-го канала сравнения . Управление коэффициентами передачи первого 38 и второго 40 управляемых аттенюаторов.осуществляется путем подачи, напряжения с выхода первого интегратора 27. Таким образом, на каждый i -и вход суммирующего устройства 13 поступает постоянное напряжение, соответствующее разности энергетических спектров в V -и анализируемой полосе частот с весом, определяемым амплиту. но-частотной . характеристикой приемника информации. Выходное напряжение с выхода 22 суммирующего устройства, пропорциональное реальной ошибке измеряемого сигнала, поступает на регистрирующее устройство 23, например вольтметр. Калибровка устройства осуществляется путем размыкания ключа 11. В этом случае отличие анализируемых энергетических спектров равно 100%.. ., . . Применение предлагаемого устройства в составе измерительной системы позволило получать оценку искажений в процессе одного цикла измерения, что повысит производительность этой системы с 80 до 1000 измерений микрогсхем в 1 ч. Это, в свою очередь, обеспечило снижение трудоемкости проверки, например схемы измерительного усиЛителя М045УТ1/1, с 36 с до 3 с, что дает снижение .стоимости измерений на 0,12 руб. При средней потребности по отрасли приборостроения 200000 микросхем измерительных усилителей годовой экономический эффект от использования измерительной систеьй-, реализованной на основе предлагаемого устройства, составит 24000 р.

Фиг. 2.