Устройство для измерения малых коэффициентов гармоник Советский патент 1985 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к радиоиз мерениям и может использоваться для измерения коэффициентов гармони сигнала с преххизионной формой волны Известны анализаторы спектра, предназначенные для визуального наблюдения спектра сигнала и измер ния амплитуды и частоты отдельных спектральных составляющих, состоя ядк из последовательно соединенньк смесителя, первый вход которого является входом прибора, усилителя пр межуточной частоты, детектора, вертикально отклоняющих пластин осциллографической трубки, горизонтально отклоняющие пластины чере генератор развертки и управляемый частотно-модулированный гетеродин подключены к второму входу смеситеОднако в известных анализаторах спектра за счет наличия нелинейных элементов при измерении малых коэффициентов гармоник вносится дополнигельная погрешность, обусловленмая нелинейным и комбинационными искажениями входного сигнала н сигкала гетеродина, которая приобретает тем большее влияние на результат измерений, чем меньше измеряемые коэффициенты гармоник. Цель изобретения - повышение точнос-ти измерения. Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения малых коэффициентов гармоник, содержащее анализатор спектра, введены первьй, второй, третий и четвертый фазовращатели, первый и второй инверторы, первый, второй и третий аттешогаторы, первый и второй баланс ный модуляторы, первый и второй сум маторЫэ гетеродин и импульсный гене раТор, при этом вход устройства является входом первого и второго фазовращателя и первого аттенюатора, а выход первого фазовращателя через последовательно соединенные первый инвертор. Первый сумматор, второй вход которого через импульс ный генератор подключен к выходу первого фазовращателя, и первый балансный модулятор подключен к перво му входу второго сумматора, выкод которого подключен к входу анали™ затора спектра, второй вход через последовательно соединенные второй балансный модулятор и второй инвертор - к выходу второго фазовращателя, а третий вход - к выходу первого аттенюатора, при этом второй вход первого балансного модулятора через последовательно соединенные второй аттенюатор и третий фазовращатель, а второй вход второго балансного модулятора через последовательно соединенные третий аттеню- атор и четвертьгй фазовращатель подключены к выходу гетеродина. На чертеже представлена структурная схема устройства, Устройство содержит первый, второй, третий ичетвертый фазовращатели 1,2,3 и 4j первькЧ; и второй инверторы 5 и 6j первый, второй н третий аттенюаторы 7,8 и 9, первый и второй балансные модуляторы 10 и 11, первый и второй сумматоры 12 и 13, гетеродин 14, импульсный генератор 15 и анализатор 16 спектра. причем вход устройства соединен с входами первого и второго фазовращателей 1 и 2 и первого аттенюатора 7, при этом выход первого фазовра-щателя 1 через последовательно соединенные первьй инвертор 5j пеозьй сумматор 12, первый балансный модулятор 10 подключен к входу второго сумматора 13, выход которого подключен к входу анализатора 16 спектра, второй вход сумматора 13 через последовательно соединенные второй балансньй модулятор 11 и второй инвертор 6 подключен к выходу второго фазовращателя 2 а третий - к выходу первого аттенюатора 7, Второй вход первого модулятора 10 через последовательно соединенные второй аттенюатор 8 и третий фазовращатель 3,3 второй вход второго модулятора 11 через последователько подключенные третий аттенюатор 9 и четвертый фазовращатель 4 подключен к вьгкоду гетеродина 14, Работа устройства заключается в следующем, На вход устройства подается сигнал вида,.-. оо / aUoe(s ft-fc+f/4bbUr i(, ; где К номер гармонической составляющей, S2 - частота основной гармоники/ йц,ь,- коэффициенты, через которые вычисляется амплитуда К-й гармоники. Вследствие того, что высшие гармоники предполагаются малыми, считаем, что а , 4- Ь, ак + к при К 2 Фазовращатели 1 и 2 дают сдвиг фаз на 1и/4, на их выходах получаем соответственно сигналы 00 . ll55,I-(a co5kni4-bi,sinKat)-, fjQj(-oiK5inK li-bKco5kat) . Отличие коэффициентов в (1) и (2) объясняется тем, что в последующих блоках устройства, содержащих нелинейные элементы, происходит искажение входного сигнала (1), так как эти. искажения считаем одного по рядка с искажениями входного сигнала, то по-прежнему а,, с(, при Кг2 (3) остается в силе. В импульсном генераторе 5 за-, синхронизованным сигналом Ug про исходит генерация прямоугольных им пульсов нецелочисленной скважности например Q 2,5, для того, чтобы в сигнале присутствовали все гармони ки ... , у- 2U . 4 (}, где и - а тлитуда импульсного сигн ла, tf - фаза, зависящая от задержк импульсного сигнала, 8 - скважность. Амплитуда импульсного сигнала Ц много меньше амплитуды первой гармо ки сигнала (1) и одного порядка с амплитудами высших гармоник этого сигнала, И 6 сигналы В инрерторах 5 инвертируются, т.е. получаются сигналы вида и г и - и 55 2 В сумматоре 12 складываются сигналы U j И-UQ, сумма этих сигналов, а также сигнал (1 поступают на первые входы балансных модуляторов 10 и 11 соответственно. Гетеродин 14 генерирует сигнал, содержаишй, кроме основной частоты еще набор гармоник, и записывается в виде Up 1 ftf,cos(ncot+i /4l Bp5in(nut+/4) ,( п - номер гармонической составляющей}СО - частота основной гармоники, АИ ,8 - коэффициенты, через которые вычисляется амплитуда К-й гармоники А, 8, при кг 2. Фазосдвигающие устройства 8 и 9 дают сдвиг фаз , на их выходах получаем соответственно сигналы г, , no)t + ц cot j 5 -ftn inncjt + 8nCOoY1U-t. I ч Сигналы Иг, И U|,, через аттенюаторы 8 и 9 подаются на пепрыо входы балансных модуляторов 10 и 11 соответственно. В балансных модуляторах 10 и 11 происходит модуляция сигналов Ur и УГ сигналами OQ соответственно. Предположим, что нелинейные элементы в балансных модуляторах 10 и 11 имеют одинаковые характеристики:,U + CjU%,.. , где U действующее на нелинейных элементах напряжение. Для простого балансного модулятора 10, состоящего из двух нелинейных элe eнтoв, справедливо Ue j Uo -11.11,. где напряжения, действующие на 1 и 2 нелинейных элементах простого балансного модулятора. С учетом того, что нелинейные элементы в простом балансном модуляторе включены встречно, выходной ток будет равен + C,Ui C2UVCo-C,U2-C2U2 2C,l-Ug,4U4l + 4C2(-U5,UOUr, . (7) Аналогично в модуляторе 11, имея . + игг,,, подставляя в (7), получаем ., Q, ТОКИ нелинейных элементов модулятора 10, описываемые « S (}ц1 напряжения, действующие на 1 и 2 нелин;ейном элементе модулятора 11. 5 11505 Токи Ц Hi|f складываются в сумматоре t3 2C,(Uu + U.-Uo ,{U,,Ur ... iv м г, ,lJrr4n,Ur).5 В сипу (5) можно ограничиться рассмотрением только одной первой гарМОНИКИ Ur . образом после преобразования получим Of Гг24 ., ieft2C,II brr54n-s--coeiv:at + q -42a coe k.iXLBK в )()U4C2e X J .1.ч,с,гс.п.|. , П 1 вгсо51и« + ы)(Л,ак + 8дВ Ч-ь4А 78| X I ч л к( 1 1 , и . 21ИС . f , . fri al20 I 1 9 4ftV J|-/ (8) Последнее слагаемое второй суммы днее слагаемое второй суммы (8) рассматривать не будем, сигнала так как вследствие малости гармоник импульсного сигнала и значительной разности частот Q и 57()влияние его на низкочастотную часть спектра будет ничтожно. На третий вход сумматора 13 через аттенюатор 7 подается входной сигнал (1) и складывается с полученным сигналом (8). Такая фаза 1-й гармоники сигнала (1) при искажении его можно считать не меняется, т.е.а/b atlV nosTOMy можно полностью компенсировать первую гармонику низкочастотной составлякнцей сигнала (3), на выходе сумматора 13 и на входе анализатора спектра будем иметь сигнал вида .- 2Ц е- , X . 2e, Q c05tai+4 +2C,2.| -;:;: s.nx x | co iK ivcy1vm aVco5(KJitt|V , / гг , fi + b..3An(K$lt+-2-)M2la,cos((cnt + M+ / .1кб;«( . , , , . AI Г.-1 „оX5JniK bwt4c «rC9it j p,e,I и ( п « Т co5lK n-u)t(ft,aK+8,b)....j (9) где т - коэф4(Циент ослабления atreHioaTopa 7. Изменяя и и импульсного сигнала, можно добиться компенсации К-й ,0 736 гармоники в высокочастотной составляющей в спектре сигнала (9), при должны выполняться два усло, у , -ZITK . - -Q-l,f,, , . И QJtIc пусть -д;,,-, р условие: А, c.arcsinj. ., (10) л|(, + в, Первое условие предполагает раэенство амплитуд, а второе - равенство фаз компенсируемых сигналов. . Преобразуем левзпо часть ( . -Pft,/ . ft, + в, А , + 6 S,tft, ..,. Г . / . А, V , Pft.hin qpcsin -f-.1 Ч V ) f i Г -COS qrcsin7 - Lpb,Ws;ri7 4r-U -JM + L л й1ТбТ1 / и, i 1 sin arcsin i r yrPA cos - iMCf i- РВ, (-sin tf + cos tf 1. (11) дпя вьшолнеиия равенства (10) необходимо, чтобы ot,.P(co94-5;nq)-, Т)(51я(,ко5«} (12) -34. Ч Рассмотрим низкочастотную часть сиг-f (9) ,опуская первую гармонику: 21 u .б(кпЬч. mUcoslkntr i 2L« о L v )+1))С5г /4| -л12 о1ксо8 (knt+ Г U (vnt , 2l|::f 5in---х /. , i г i 4coex.co9Kat-s,,n ).,cos х(ця1 i/4)+bK9in v:ftt+1|1-1 со-э ksit f t . , /, .f 4a.4W).-g,r,k5ita,-q,ilj, Подставляя (t2), получим | 4°нсоб()а,;«(ка1.у.; -t-Plcosifcb isnt-sintp iinkQt - coeKntx , „00 xP-2c05c 4sinl « -P2sincfV № xco5()4bV.;nUnt.1l.%13) Итак, компенсируя К-ю гармонику с частотой, равной высокрчастотной части спектра сигнала (9) путем подбора U и с импульсного сигнала, в низкочастотной части спектра того же сигнала, как это видно из (13), получаем К-ю гармонику вз4одного сигнала с частотой КП которую можно измерить анализатором 16 спектра. При рассмотрении сиГнала (9) можно видеть, что при прохождении &ГО по нелинейным трактам анализатора спектра нелинейные искажения не повлияют на результат измерений так как первая гармоника импульсно го сигнала ввиду того что амплиту да много меньше первой гармоники сигнала (1), будет примерно одного уровня с измеряемой гармоникой, комбинационные искажения также не повлияют на результат измерения в силу условия (5). Перед измерением гармоник сигна ла (5) необходимо на экране анализатора 16 спектра добиться регули ровками в балансных модуляторах подавления гармоники частотой ЬЗ i введением ослабления аттенюаторами 38 8 и 9 подавления гармоники с частотой со - Л i введением ослабления аттенюатора 7 подавления гармоники с частотой S регулировкой задержки сигнала, генерируемого импульсным генератором 15, подавления гармоники с частотой О) k Я . После указанных операций на экране анализатора спектра можно считать значение амплитуды гармоники с частотой XJ2 сигнала (1). В предлагаемом устройстве с помощью простых средств достигается . повышение точности при измерении малых коэффициентов гармоник сигнала с прецизионной формой волны, так как из исследуемого сигнала первая гармоника исключается и, следовательно, не создает дополнительных комби-, национных искажений на нелинейных элементах анализатора спектра.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГАРМОНИК, содержащее анализатор спектра, о т личающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый, второй, третий и четвертый фазовращатели, первый и второй инверторы, первый, второй и третий аттенюаторы, первый и.второй балансный модуляторы, первый и второй сумматоры, гетеродин и импульсный генератор, при этом вход устройства является входом первого и второго фазовращателя и первого аттенюатора, а выход первого фазовращателя через последовательно соединенные первый инвертор, первый сумматор, второй вход которого через импульсный генератор подключен к выходу первого фазовращателя, и первый балансный модулятор подключен к первому входу второго сумматора, выход которого подключен к входу анализатора спектра, второй вход через последовательно соединенные второй балансный модулятор и второй инвертор - к выходу второго фазовращателя, а третий вход - к выходу первого аттенюатора, при этом, второй Q S вход первого балансного модулятора (Л через последовательно соединенные второй аттенюатор и третий фазовращатель, а второй вход второго балансного модулятора через последовательно соединенные третий аттенюатор и четвертый фазовращатель подключены к выходу гетеродина.