Измеритель нелинейных искажений Советский патент 1984 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к электро- измерениям и может быть .использовано для измерения нелинейных искажений, возникающих при прохождении синусоидального сигнала через неликейный элемент, например усилитель низкой частоты. Известно устройство для измерения нелинейных искажений, содержащее индикатор, последовательно соединенные фильтр высших гармоник с калиброванным усилителем, а также два детектор и связанный с их выходами коммутатор при этом один из детекторов подключен к. выходу калиброванного усилителя, а другой - параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных фильтра верхних частот, калиброванного усилителя и одного из детекторов, выход же коммутатора подкл чен к индикатору ij . Недостатком известного устройства является сложность перестройки его |на другую частоту, поскольку содержащийся в его составе фильтр верхни частот для получения хорошей точност измерений выполняется многозвенным, а поэтому трудноперестраиваемым. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения не линейных искажений, содержащее генератор синусоидального сигнала и пе ремножитель напряжений, первый вход которого соединен через .исследуемый нелинейный элемент с выходом генератора синусоидального сигнала, Второй вход перемножителя соединен также с выходом генератора синусоидального сигнала через блок формирования опор ного напряжения, состоящий из последовательно включенных умножителя частоты в п раз и преобразователя ча стоты 2 Недостатком данного устройства яв ляется его низкое быстродействие,так как для определения коэффициента гар моник искаженного сигнала ...4Un , требуется провести п самостоятельных измерений уровней отдельных гармоник и произвести математическую обработку в соответствии с формулой (1). Цель изобретения - повышение быстродействия измерений. Поставленная цель достигается тем что в измеритель нелинейных искажений, содержащий генератор синусоидального сигнала и первый перемножитель напряжений, введены фазовращатель, первый и второй фазорасщепители, второй перемножитель напряжений, блок разности, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, квадратичный детектор и блок измерения отношения напряжений, первый вход которого соединен через фильтр нижних частот с выходом блока разности, второй вход с выходом квадратичного детектора, вход к.оторого через фильтр верхних частот соединен с выходом блока разности, первый вход которого соединен с выходом первого перемножителя тсапряжений, второй вход - с выходом второго перемножителя напряжений, при этом первый вход первого перемножителя напряжений соединен с первым выходом первого фазорасщепителя, второй вход первого перемножителя напряжений соединен со вторым выходом второго фазорасщепителя,первый выход которого соединен с первым входом второго перемножителя напряжений, второй вход которого соединен с вторым выходом первого фазорасщепителя, вход которого через исследуемый нелинейный элемент соединен с выходом генератора синусоидального сигнала, который через Фазовращатель соединен также с входом второго фазорасщепителя. На чертеже представлена функциональная схема измерителя нелинейных искажений. Измеритель содержит генератор 1 синусоидального сигнала, соединенный через исследуемый нелинейный элемент 2 с первым фазорасщепителем 3 и через фазовращатель 4 со вторым фазорасщепителем 5. Первый выход первого фазорасщепителя 3 соединен с первым входом первого перемножителя 6 напряжений, выход которого соединен с первым входом блока 7 разности. Первый выход второго фазорасщепителя 5 соединен с первым входом второго перемножителя 8 напряжений, выход которого соединен с вторым входом блока 7 разности. Второй выход первого фазорасщепителя 3 соединен с вторым входом второго перемножителя 8 напряжений, а второй выход второго фазорасщепителя 5 соединен с вторым входом первого перемножителя б напряжений. Выход блока 7 разности через фильтр 9 нижних частот соединен с первым входом блока измерения отношения напряжений 10, второй вход которого соединен также с-выходом блока 7 разности через фильтр 11 верхних частот и квадратичный детектор 12. Измеритель нелинейных искажений работ ает следующим образом. Синусоидальный сигнал с генератора 1 синусоидального сигнала проходит через исследуемый нелинейный элемент 2 и поступает на первый фазорасиепитель 3, имеющий два выхода. Разность фаз напряжений, снимаемых с обоих выходов, в широком диапазоне частот равна 90°. С первого выхода, условно обозначенного индексом 0°, сигнал поступает на

первый перемножитель 6. На второй вход первого перемножителя 6 поступает сигнал с выхода второго фазорасщепителя 5, условно обозначенного индексом 90°. С генератора 1 синусоидальный сигнал, также через фазовращатель 4, осуществляющий поворот фазы на 90°, поступает на вход второго фазорасщепителя 5, с выхода О которого сигнал поступает на первый вход второго перемножителя 8, на второй вход которого поступает сигнал с выхода 90° первого фазорасщепителя 3. Выходные сигналы первого и второго перемножителей вычитаются в блоке 7 разности. Выходной сигнал блока 7 разности содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая выделяется фильтром 9 нижних частот, а переменная .составляющая. - фильтром 11 верхних частот. Переменная составляющая затем детектируется квадратичным детектором 12. Блок измерения отношения напряжений 10 определяет отношение среднеквадратичного значения пер менной. составляющей к постоянной,что дает величину коэффициента нелинейных искажений. Для правильной работы измерителя нелинейных искажений необходимо, чтобы фазовый сдвиг в исследуемом элементе был близок к нулю Пусть напряжение на выходе генератор 1 имеет единичную амплитуду. Пусть также оба фазорасщепителя выполнены идентично и имеют близкий фазовый сдвиг. Обозначим фазовый сдвиг в пер вом фазорасщепителе 3 на выходе О через Л , отклонение сдвига фаз между сигналами с разных выходов от 90 ч.ерез й( Аналогичные величи- ьг в фазорасщепителе 5 соответственно обозначены через р и й . Рассмотрим работу измерителя по первой гармонике искаженного сигнала. На первый перемножитель 6 поступают два сигнала;

с выхода о первого фазорасщепителя 3

и, A,5in(wl + «.) с выхода 90° второго фазорасщепит .

U7 etnlutHeo° p+ bj).

I.

На выходе первого перемножителя 6

,5in(ut+,ei.6in((.(iwif

+ et+pv& VcosloJ.-pf-bj .

На второй перемножитель 8 поступит также- два сигнала:

с выхода 0° второго фазорасщепителя 5 ,

и б;п иЬ 5490°),

с выхода 90 первого фазорасщепителя 3

(ult«(,i-qava,) На выходе второго перемножителя

ОБ 1 sinful ) ein (иЬл ч 9о% ь,}

ft,. , р u,V -fi-u, .

На выходе блока 7 разности

Ь,Ь:

i) + 4

U,--Ug-U, A Co5loC-f) -A,.p.5,n-.

Аналогично для И-и гармоники на выходе блока 7 разности

) . С05 ili -АП 5;n(n-1) ubd 4 (i. IL Si г, blAl.

Второй член близок к нулю, поэтому в спектре сигнала Uj присутствуют все преобразованные с понижением частоты в виде (п-1)и гармоники исходного сигнала. При этом первой гармонике соответствует постоян1/ое напряжение, что дает возможность со скол угодно высокой точностью расфильтровать первую и высшие гармоники искаженного сигнала с помощью фильтров верхних и нижних частот, причем в качестве фильтра верхних частот может быть использован просто разделительный конденсатор. Блок 10 измерения отношения напряжений формирует значение коэффициента нелинейных, искажений в виде

Г

UjtUV- 4 «

г

Учитывая, что амплитуда первой гармоники наибольшая, то именно она вносит основную погрешность в измерение коэффициента нелинейных искажений вследствие неполного подавления второго члена в выражении для U , Амплитуда этого члена равна

. 4, 1

ft,,

Следовательно, погрешность измерения можно считать равной

S... 1 г

При этом разность а,- ug может быть доведена до долей градуса, а погрешность измерения 8 - до долей процента. На точности измерения сказывается также неточность вращения фазы в, фазовращателе; однако эту составляющую можно почти полностью устранить, применив автоматическую подстройку фазы. Также вносит погрешность в измерение нелинейность перемножения. Однако современные интегральные перемножители обеспечи5-11295476

вают погрешности нелинейности до заниям блока измерения отношения нап0,1%,ряжений без какой-либо математичесОпределенне :коэффициента нелйней- либровки и настройки измерителя, ных искажений сигнала производится чем и достигается повышение быстроза один прием непосредственно по пока- действия.

кой обработки, предварительной ка

ИЗМЕРИТЕЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ, содержащий генератор синусоидального сигнала и первый перемножитель напряжений, о, тличающийс и тем, что, с целью повышения быстродействия измерений, в него введены фазовращатель,первый и второй фазорасщепители, второй перемножитель напряжений, блок разности, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, квадратичный детектор и блок измерения отношения напряжений, первый вход которого соединен -Герез фильтр нижних частот с выходом блока разности, второй вход - с выходом квадратичного детектора, вход которого через фильтр верхних частот соединен с выходом блока разности, первый вход которого соединен с выходом первого перемножителя напряжений, второй вход - с выходом второго перемножителя напряжений, при этом первый вход первого перемножителя напряжений соединен с первым выходом первого фазорасадепитедя, втюрой вход первого перемножителя напряжений соединен со вторым выходом второго фазорасщепителя, первый выход которого соединен с первым входом второго перемножителя напряжений, второй вход которого соединен с втоfЛ рым выходом первого фазорасщепителя, вход которого через исследуемый нелинейный элемент соединен с выходом генератора синусоидального сигнала, который через фазовращатель соединен 2 с входом второго фазорасщепителя. Г