Анализатор спектра Советский патент 1987 года по МПК G01R23/16 

литель 3 выпо.пнен регулируемым.Устройство также содержит вычитающее устройство 1, генератор 2 компенсирующего сигнала первой гармоники, блок ,6 выделения ортогональных составляющих гармоник, пороговые элементы 7 и 8, арифметическое устройство 11, блок 12 синхронизации,блок 13 индикации. В материалах изобретения приведены схемы ряда блоков устройства, которые содержат цифро- аналоговые преобра зователи 15, 16, .17, 18, 20, 22j 44, ключи 23, 24, 25, 26, 31,32, 33, 34, интеграторы 27 - 30, запоминаюп(ее устрой1

Изобретение относится к электро- измерительтюй TextoiKe и може.т быть использовано для спектрального анализа периодических сигналов с малыми уровнями высших гармо ик, в частности, для измерения высших гармоник напряжений электрической сети.

Цель изобретения ,- .повышение точности анализатора и расширение его функциональных ВОЗМОЖНОСТЕЙ, связанных с обеспечением измерения уровней высших гармоник по отношению к амплитуде -первой гармоники, коэффициента гармоник и сдвига фаз высших гармоник относительно нуль-перехода первой гармоники.

На фиг. 1 приведена структурная схема анализатора спектра; на фиг, 2 и 3 - временные диаграммы его работы.

Анализатор спектра содерж гг последовательно соединенные вычитающее устройство 1, ко второму входу которого подключен генератор 2 компенсирующего сигнала первой 1 армоники, peгyлиpye гый усилитель 3, вычитающее устройство 4, к второму входу которого подключен генератор 5- компенсирующего сигнала высшей гармоники,блок 6 выделения ортогональных составляющих первой и высшей гармоник с пороговыми элементами 7-10 на выходах и арифметическое устройство 11 . Выходы арифметического устройства 11 подключены к генераторам 2 и 5,

33

ство 38, преобразователь кода 36, задатчик 35, операционт1ый усилитель 19, сумматоры 37 и 45, резистор 21, блок 39 формирования констант, регистр 40 с индикатором 41, фазовращатель 43, переключатель 42, фильтр 46 нижних частот, умножитель 47, распределитель 48 импульсов. Устройство позволяет измерять уровни высших гармоник по отношению к амплитуде первой гармоники, а также коэффициент гармоник и сдвиг фаз высших гармоник относительно нуль-перехода первой гармоники. 4 з . п .ф-лы, 3 ил.

регулируемому усилителю 3, блоку 6 выделения ортогональных составляющих, блоку 12 синхронизации и блоку 13 индикации. Вход блока синхронизации соединен с входом анализатора спектра. Блок 12 синхронизации управляет работой генераторов 2 и 5, регулируемого усилителя 3, блока 6 выделения ортогональных составляющих, арифметического устройства 11 и блока 13 индикации. К выходу усилителя 3 также подключен измеритель 14 действующего значения напряжения. Генераторы 2 и 5 имеют идентичную структуру и образованы каскадным соединением двух цифроаналоговых преобразователей 15,16 и 1 7, 18 соответственно. Цифроаналоговые преобразователи 15 и 17 используются в качестве регулируемых источников постоянных напряжений.

Преобразователи 16 и 18, выполненные на базе цифроаналоговых преобразователей множительного типа, используются, в качестве перемножителей. - Последнее также относится к функциям и реализации всех цифроаналоговых преобразователей,входящих в анализатор. Все Цифроаналоговые преобразователи, используемые в анализаторе спектра, имеют встроенные ре- ,гистры, предназначенные для приема и хранения кодовой информации, поступающей в преобразователи по цифровым входам. Генераторы компенсирующих сигналов формируют сигналы, ам- плиту а которых определяется кодами преобразователей 15 и 17, а форма сигналов задается посредством кодовых последовательностей на цифровых входах преобразователей 16 и 18.Регулируемый усилитель образован операционным усилителем 19, в цели обратной связи которого включен цифро- аналоговый преобразователь 20. На входе операционного усилителя расположен резистор 21. Коэффициент передачи регулируемого усилителя 3 обратно пропорционален величине кода цифроаналогового преобразователя 20. Измеритель действующего значения напряжения представляет собой детектор среднеквадратического значения напряжения и является типовым элементом измерительной техники. Блок 6 выделения ортогональных составляющих реализован на базе цифроаналогового преобразователя 22 к выходу которого посредством ключей соответственно 23 - 26 подключены интеграторы 27 - 30. Интеграторы формируют напряжения синусных и косинусных ортогональных составляющих первой и высшей гармоник.Цифро- аналоговый преобразователь 22 используется в режиме разделения времени, что достигается поочередной коммутацией входов интеграторов с одновременной сменой вида опорных сигналов (синусный или косинусный) на цифровом входе преобразователя.Благодаря этому интеграторы избирательно накапливают выборки входного сигнала с весами, изменяющимися по законам синуса и косинуса первой и высшей гармоник. Режим разделения времени дает экономию количества перемножителей в блоке 6 выделения ортогональных составляющих. Информацией, управляющей работой арифметического устройства-11, являются знаки напряжений ортогональных составляющих, формируемые на выходах пороговых элементов 7 - 10 и поступающие в арифметическое устройство соответственно через ключи 31 - 34, а также код номера измеряемой высшей гармоники, формируемый задатчиком 35 номера гармоники. С выходов ключей 31-34 и задатчика 35 номера гармоники управляющая информация через преобразователь 36 кода поступает на вход сумматора 37, выход и второй вход которого соединены с входом и

выходом оперативного запоминающего устройства 38. Управляющая информа- ция поступает в арифметическое устройство последовательно в режиме разделения времени. Преобразователь кода 36 выполняет три функции: при поступлении управляющего сигнала из блока 12 синхронизации преобразователь 36 формирует на своем выходе

O код, равный единице; при поступлении кода номера гармоники с задатчика 35 преобразователь 36 кода пропускает сигналы задатчика без изменения, а при поступлении информации о зна5 ках ортогональных составляющих преобразователь кода формирует в зависимости от знака код, равный +1 или -1, что соответствует формированию едини1ды в прямом или дополнительном

0 коде. В ячейках оперативного запоминающего устройства 38 хранятся текущие значения регулируемых параметров и вспомогательная информация, необходимая для функционирования

5 анализатора. Запоминающее устройство не только воспроизводит второе слагаемое сумматора 37, но и осуществляет фиксацию результатов суммирования. Блок 39 формирования кон0 стант представляет собой постоянное запоминающее устройство, в котором зафиксирована таблица синусов и косинусов от нуля до 360 . Аргумент этой таблицы задается кодом операс тивного запоминающего устройства 38.

Вход блока 39 формирования констант подключен к выходу запоминающего устройства 38, а выход - к цифроаналоговым преобразователям 16,

0 18 и 22. При последовательном опросе адресов блока 39 констант на его выходе формирук1тся последовательности цифровых сигналов, изменяющиеся по законам синуса и косинуса.Блок

5 13 индикации содержит каскадно сое- диненные регистр 40 с индикатором 41. Переключатель 42 осуществляет выбор информации, записываемой в регистр 40 для отображения на индиQ каторе 41. Блок 12 синхронизации

содержит последовательно соединенные 90-градусный фазовращатель 43 первой гармоники, цифроаналоговый преобразователь 44, сумматор 45, второй

5 вход кото|)ого соединен с входом фазовращателя 43, фильтр 46 нижних частот, умножитель 47 частоты и распределитель 48 импульсов. Фильтр 46 имеет частоту среза, которая поз.

воляет выделить первую гармонику входного сигнала. Умножитель частоты запускается нуль-переходами первой Гармоники и делит ее период на N равных частей. Коэффициент передачи цифроаналогового преобразова- теля 44 изменяется в диапазоне от -1 до +1. Выход запоминающего устройства помимо блока 39 подключен к входам цифроаналоговых преобразователей 15, 17,20,. 44 и регистра 40.Вы- : ходы распределителя 48 импульсов подключены к входам записи цифроаналоговых преобразователей 15, 16, 17, 18, 20, 22, 44, управления ключами 23, .24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, сброса интеграторов 27 - 30, управления задатчиком 35, преобразователем 36 кода, блоком 39 формирования констант, запоминающим устройством 38 и к входам переключателя 42, Задатчик 35 .номера гармоники в простейшем случае представляет собой обычный переключатель. В более сложных вариантах исполнения он может содержать переключатель с дешифратором на вр 1ходе и управляюп ее переключателем программное устройство с таймером. Цифроаналоговые преобразователи 16, 18, 22, 44 могут быть выполнены на основе перемножающих цифро- аналоговых преобразователей микросхем 572 серии. В качестве постоянного запоминающего устройства блока 39 формирования констант.могут быть использованы MViKpocxeMii 556 серии. Распределитель 48 импульсов полиостью описывается временными диаграммами выходных импульсов, приведенными на фиг. 2. В течение периода Т входного сигнала импульсы U,, фор- шруются IN раз че.рез интервалы времени равные T/N. Импульсы U осуществляют запись кодовой информации в цифроаналоговый преобразователь 22. В течение длительности импульсов

Ь, . %.. Ub,.- Ub,. f, UJ. Uf3 Ujf происходит соответственно от крывание ключей 23-25, 31--34. Б течение импульса осуществляется сброс интеграторов 28 - 30. Импульс Ujj переводит блок 39 формирования констант,из режима воспроизведения косинусов в режим воспроизведения синусов. В течение импульсов Ug, .и Ug происходит соответственно перевод преобразователя 36 кода в режим воспроизведения кода равного единице и считывание информации задатчика 35 номера высшей гармоники. Импульсы UQ осуществляют запись выходных кодов сумматора 37 в оперативное запоминающее устройство 38. Импульсы Uj,, , U(,7 , Uh, определяют адреса рабочих ячеек запоминающего устройства 38. Импульсы Иц, , ., УХЧ U)4, Ux5 осуществляют запись кодовой информации соответственно

в Цифроаналоговые преобразователи 15 - 18, 44. Импульс И осуществляет запись кода сдвига фазы высшей гармоники в регистр 40 блока 13 индикации.

5 Устройство работает следующим образом.

При поступлении на вход анализатора спектра сигнала с периодом Т 0 блок 6 выделяет ортогональные составляющие сигналов некомпенсации первой и высшей гармоник. Сигналы некомпенсации являются разностными сигналами измеряемых гармоник (первой и 5 высшей) входного сигнала и выходных сигналов генераторов 2 и 5 компен- сации. Равенство нулю выходных сигналов блока выделения ортогональных составляющих свидетельствует о пол0 ной компенсации соответствующих гармоник. Анализатор спектра использует полярно-координатный метод компенсации, когда генератор компенсирующего сигнала перестраивается по фазе и амплитуде. Пороговые элементы выделяют состояние неравенства пулю и знак неравенства ортогональных составляющих. Неравенство нулю синусных составляющих свидетельст-

Q вует о наличии фазового сдвига меж- ду гармонико.й и сигналом компенсации, а неравенство нулю косинусных составляющих при отсутствии фазовых сдвигов - о неравенстве ампли45 туд этих сигналов. Алгоритм компенсации заключается в определении знаков ортогональных составляющих сигналов некомпенсации, осуществляемом в течение периода входного сигнала,

5Q и в формировании управляющих воздействий на параметры генераторов с последующим изменением значений фаз и амплитуд генераторов компенсации, производимым в конце периода.

Процесс компенсации является итерационным, т.е. описанная последовательность операций повторяется во времени, обеспечивая следящий режим за параметрами входного сигнала. Формирование управляющих воздействий осуществляется с помощью сумматора 37, который суммирует единичные приращения параметров генераторов компенсации с текущими значениями этих параметров, хранящимися в запоминающем устройстве 38-. Знаки приращений определяются знаками ортогональных составляющих Нуль-переход первой гармоники на входе анализатора спектра в общем случае не совпадает с нуль-переходом входного сигнала. Это связано с наличием высщих гармоник в входном сигнале. Этот фазовый сдвиг в самом неблагоприятном случае даже при коэффициенте гармоник, достигающем величины 40%, не превьщ1ает величины 30 градусов. Последнее обусловливает необходимость регулировки фазы генератора 2 в указанных пределах. Управление фазой генератора 2 компенсирующего сигнала первой гармоники производится путем временного сдвига управляющих импульсов распределителя 48. Этот сдвиг достигается совместным использованием 90- градусного фазовращателя 43,циф- роаналогового преобразователя 44, сумматора 45 и фильтра 46, образующих регулируемый фазовращатель первой гармоники. Иллюстрация принципа работы этого фазовращателя приведена на фиг. 3,где U входной сигнал анализатора, Цц , U, и Фич выходные сигналы цифроанало- гового преобразователя 44, сумматора 45 и фильтра 46 соответственно. Благодаря такому построению блока 12 синхронизации достигается знакопеременный, фазовый сдвиг, величина которого определяется коэффициентом передачи цифроаналогового преобразователя 44. На фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов, соответствующие максимальному (пунктирная линия) и минимальному значению коэффициента передачи преобразователя 44. Знак синусной составляющей

блока выделения ортогональных состав- 50 значения, на вход которого поступаляющих первой гармоники управляет коэффициентом передачи преобразователя 44. Знак косинусной составляющей первой гармоники, изменяя выходное напряжение цифроаналогового пре- образователя 15, управляет амплитудой генератора 2 компенсации первой гармоники. Перестройка фазы высщей гармоники осуществляется посредством

синусной ортогональной составляющей высщей гармоники и реализ.уется посредством суммирования кода приращения фазы с текущей фазой высшей гармоники. При этом опрос таблицы синусных кодов блока 39 формирования констант начинается по иному адресу. Смещенному на величину кода приращения. Перестройка генератора 5 компенсации высщей гармоники по амплитуде производится путем регулировки выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 17 посредством косинусной ортогональной составляющей 5 высшей гармоники блока 6.

Формирование текущих фаз синусоидальных компенсирующих и опорных сигналов высщей и первой гармоник производится сумматором 37 в виде

,-- т -.

N/4

0

ар ифм етических 2 il-n

выражении

Ч,

где N/4 - колиN/4чество квантов на период входного

5 сигнала, при воспроизведении синусоид генераторов компенсации, определяемое умножителем частоты, К - номер измеряемой высщей гармоники, формируемый задатчиком 35, п - но0 мер импульса умножителя частоты,отсчитываемый от начала периода, /ц- сдвиг фазы высшей гармоники. Умножитель частоты запускается нуль-переходами выходного сигнала регулируег мого фазовращателя (блоки 43-46). Результатом управления фазовращателем является совпадение нуль-перехода сигнала на его выходе с нуль- переходом первой гармоники на вхо

0 де анализатора спектра. Это обстоятельство дает возможность измерения сдвига фаз высших гармоник относительно первой путем считывания в регистр 40 текущей фазы высшей гар5 МОНИКИ в начале (конце) периода в момент прохождения первой гармоникой через нуль. Возможность измерения нелинейных искажений реализуется измерителем 14 действующего

ет пронормированный входной сигнал с подавленной первой гармоникой.По этой же причине возможно измерение относительных уровней любой кз высших гармоник. Высокая точность нормирования достигается использованием цифроаналогового преобразователя 20, в который поступает код амплитуды первой гармоники,

Формула изобретения

1 ,Анал1- затор спектра, содержащий каскадно соединенные вычитающее устройство, первый вход которого является входом устройства, а к второму входу которого подключен генератор компенсирующего сигнала, регулируемый усилитель, блок выделения ортогональных составляющих, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами двух пороговых элементов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым информационными входами ариф- метического устройства, выход,кото- рого соединен с входами блока индикации, генератора компенсирующего сигнала, а также связанный с входом устройства блок синхронизации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности н расширения функциональных возможностей, в анализатор дополнительно введены второе вычитающее устройство, второй генератор компенсирующего сигнала, изг-1ер1 тель действующих значений и два пороговых элемента, а усилитель выполнен регулируемым, причем выход регулируемого усилителя соединен с входом измерителя действующее значений и второго вычитающего устройства,-, второй вход которого соединен с вькодом второго генератора компенсирующего сигнала, выход вычитающего устройства соединен с первым.входом блока выделения ортогональных составляющих, к треть- ему и четвертому йыходу которого подключены соответственно два дополнительных пороговых элемента, выходы которых подключены к третьему и четвертому информационным входам ариф- метического устройства,. первый выход которого соединен с управляющими входами второго генератора компенсирующего сигнала, регулируемого

усилителя, блока, синхронизации,второй выход арифметического устройства соединен с вторыми управляющими входами блока выделения ортогональных составляющих, -первого и второго

генераторов компенсирующего сигнала, выход блока синхронизации соединен с первыми и вторыми входами синхро- низаш и первого и второго генераторов компенсирующего сигнала, регу.пи- рУемого усилителя, блока выделения

0

5

ортогональных составляющих, арифметического устройства и блока и)1ди- кации.

2.Анализатор по п, 1, отличающийся тем, что блок выделения ортогональных составляющих содержит цифрраналоговый преобразователь, четыре ключа и четыре интегратора, причем входы ключей объединены и соединены с выходом цифроаналогового преобразователя, выход каждого ключа соединен с BJfo- дом соответствующего интегратора, выходы интеграторов являются выхо дом блока выделения ортогональных составляющих, входы синхронизации дифроаналогового преобразователя каждого ключа, каждого интегратора соединены с выходом блока синхронизации, первый вход цифроаналогового преобразователя является первым входом блока, второй вход цифроаналогового преобразователя является вторым входом блока вьщеления ортогональных составляющих.

3.Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что генератор компенсирующего сигнала содержит два последовательно соединенных цифроаналоговых преобразователя, первый вход первого цифроаналогового преобразователя является первым управляющим входом генератора,второй управляющий вход второго цифроаналогового преобразователя является вторым управляющим входом генератора, входы синхронизации каждого цифроаналогового преобразователя являются входами синхронизации генератора.

4.Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что арифметическое устройство содержит четыре ключа, блок формирования констант, сумматор, оперативное запоминающее устройство, преобразователь кода, , задатчик номера гармоники, при этом входы ключей являются информационными входами арифметического устройства, выходы ключей объединены между собой и соединены с входами задатчи- ка номера гармоник и преобразователя кодов, выход которого соединен с вторым входом сумматора, первьй вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства, выход сумматора соединен с информационньгм входом оперативного запоминающего

0

5

0

5

0

5

устройства, выход которого сое;шнен с входом блока формирования констант выход которого является вторым выходом арифметического устройства,выход оперативного запоминающего устройства является первым выходом арифметического устройства, выход блока синхронизации соединен с входами синхронизации ключей, задатчика номера гармоники, преобразователя кодов, блока формирования констант и с четырьмя входами синхронизации оперативного запоминающего устройства.

5. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что блок синхронизации содержит последовательно соединенные фазовращатель, цифроана- логовый преобразователь, сумматор, фильтр нижних частот, умножитель частоты, распределитель импульсов, виход которого соединен с вторым входом цифроаналогового преобразователи, третий вход которого являет7

ся вторым управляющим входом блока, второй вход сумматора объединен с входом фазовращателя и соединен с входом блока синхронизации, причем выходы распределителя импульсов являются выходами блока синхронизации .

6. Анализатор по п. 1, о т л и- чающийся тем, что регулируемый усилитель содержит операционный усилитель, вход которого через резистор соединен с входом регулируемого усилителя, в цепи обратной связи . которого включен цифроаналоговый преобразователь, управляющий вход которого является управляющим входом регулируемого усилителя,а вход синхронизации является входом син- хронизации регулируемого усилителя, а выход операционного усилителя является выходом регулируемого усилителя .

.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Может быть использовано для спектрального анализа периодических сигналов с малыми уровнями высших гармоник. Цель изобретения - повышение точности анализатора и расширение его функциональных возможностей. Для достижения поставленной цели в устройство введены вычитающее устройство 4,.генератор 5 компенсирующего сигнала, измеритель 14 действующих значений и пороговые элементы 9 и 10, а уси§ Ю 00

t

-vV

-.

Фи&.5

Составитель М.Каменский Редактор Т.Парфенова Техред М.Ходанич Корректор Г,Решетник

Заказ 7711/46 Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

- --р-.- - - ,„ .„

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, -4