Амплитудно-фазовый анализатор гармоник Советский патент 1987 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для нахождения линейчатых -амплитудного и фазового спектров периодического аналогового входного сигнала, т.е. для получения его спектрального состава,.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается путем режекции мешающей интенсивной гармонической составляющей исследуемого сигнала при помощи блока вьщеле- ния доминирующей гармоники с последующего усиления, интересующих гармонических составляющихс

На фиг о 1 изображена структурная схема амплитудно-фазового анализатора гарМОНИКi на фиг с 2 - схема блока выделения доминирующей гармоники; на фиг. 3 и фиг. 4 - вариант построения регистрирующего устройства-, на фиг. 5 и 6 - временные диаграммь его работы; на фиг. 7 - схема перестраиваемого генератора синусно-косинус- ного напряжения.

Амплитудно-фазовый анализатор гармоник содержит перестраиваемый генератор 1 синусно-косинусного напряжения, интегратор 2, источник 3 опорного напряжения, компаратор 4, регистрирующее устройство 5, блок 6 управления и блок 7 вьщеления доминирующей гармоники о

35 но-косинусного напряжения и на вход блока 6 управления, выходы которых связаны с управляющими входами упомянутых блоков 1 и 7, а также с управляющими входами интегратора 2 и реБлок 7 вьщеления доминирующей гармоники содержит последовательно соединенные аналоговый ключ 8, сумматор 9, второй аналоговый ключ 10, интегратор 11, третий аналоговый ключ 40 гистрирующего устройства 5. Выход 12 и второй интегратор 13, вход ко- блока 7 подключен к дополнительному торого через четвертый аналоговый первому входу блока 1, один выход

которого подключен через компаратор, а второй непосредственно к четвертоВ цепи обратной связи интег- 45 МУ и второму входам регистрирующего

устройства 5, первый вход которого через интегратор 2 соединен с выходом источника 3 опорного напряжения.

Амплитудно-фазовый анализатор гар- 50

ключ 14 подключен к входу первого аналогового ключа и является входом блока 7

раторов 11 и 13 включены соответственно ключи 15 и 16 сброса, управляющие входы ключей связаны с входом управления блока 7, а его выход подключен к выходу сумматора 9.

Регистрирующее устройство 5 содержит последовательно соединенные элемент И 17 и одновибратор 18, выход которого подключен к двум запоминающим устройства 19 и 20, вторые входы которых являются первым и вторым входами регистрирующ,его устройства 5, третий и четвертый входы которого связаны со входами элемента И 17.

55

МОНИК работает следующим образом.

Весь линейчатый амплитудно-фазовый спектр вычисляется за время цикла. Цикл состоит из К вьшолняеьшк последовательно во времени подциклов, в каждом из которых вычисляется амплитуда и фаза очередной apмoники.

Каждый подцикл состоит из пяти тактов разной длительности. Дпитель- ность второго и третьего тактов рав-

Блок 6 управления содержит последовательно соединенные компаратор 21, счетчик 22 подциклов и счетчик 23 тактов. Выходы счетчиков 22 и 23 связаны соответственно с входами постоянных запоминающих устройств 24 и 25, на выходах которых формируются сигналы управления ключами и коэффициентов передачи интеграторов.

I

Перестраиваемый генератор 1 синусно-косинусного напряжения содержит последовательно соединенные блок 26 цифровой управляемой проводимости,

5 интегратор 27 с ключом 28 в цепи обратной связи и ключ 29, второй блок 29 цифровой управляемой проводимости, второй интегратор 30 с ключом 31 в обратной связи и сумматор 32, выход которого через ключ 33 подключен к входу блока 26, а вход сумматора 32 через ключ 34 соединен с вторым входом генератора. При этом вход интегратора 27 через ключ 35 соединен с первым входом генератора, который является дополнительным для ввода скорректированного входного ; сигнала с блока 7 вьщеления доминирующей гармоники,

0 В амплитудно-фазовом анализаторе гармоник входной сигнал поступает на первый вход блока 7 вьщеления доминирующей гармоники, второй вход перестраиваемого генератора 1 синус5 но-косинусного напряжения и на вход блока 6 управления, выходы которых связаны с управляющими входами упомянутых блоков 1 и 7, а также с управляющими входами интегратора 2 и ре0

5

0 гистрирующего устройства 5. Выход блока 7 подключен к дополнительному первому входу блока 1, один выход

Амплитудно-фазовый анализатор гар-

МОНИК работает следующим образом.

Весь линейчатый амплитудно-фазовый спектр вычисляется за время цикла. Цикл состоит из К вьшолняеьшк последовательно во времени подциклов, в каждом из которых вычисляется амплитуда и фаза очередной apмoники.

Каждый подцикл состоит из пяти тактов разной длительности. Дпитель- ность второго и третьего тактов рав-

3130

на периоду исследуемого сигнала. Исключение составляет лишь подцикл вычисления собственно доминирующей гармоники, где второй такт является необязательным, а в третьем несколь- ко изменяется алгоритм функционирования . Этот подцикл будет рассмотр.ен после описания основного подцикла.

В амплитудно-фазовом анализаторе гармоник использован многотактный - (алгоритмический) режим работы, при котором структура устройства перестраивается с помощью аналоговых ключей блоков 1, 2 и 7 в соответствии с выполняемой в данном такте операцией, Управление состоянием аналоговых ключей осуществляется в результате подачи на их управляющие входы логических сигналов, формируемых в блоке 6 управления. Кроме того, этот блок формирует коды управления цифроуправ- ляемыми проводимостями в перестраиваемом генераторе 1 синусно-косинус- ного напряжения для обеспечения его настройки на анализ данной гармоники

Анализ каждой гармоники выполняется за четыре такта, каждый из которых равен периоду входного сигнала.

Вычислительное содержание этих тактов: .

нулевая начальная установка всех интеграторов анализатора I отыскание коэффициентов для доминирующей гармоники (осуществляется блоком 7 выделения доминирующей гар- моники);

вычисление коэффициентов k-й гармоники для сигнала, равного усиленно разности входного сигнала и доминирующей гармоники (работают блок 7 выделения доминирующей гармоники и генератор 1 синусно-косинусного напряжения) ;

преобразование координат (в работ не участвует блок 7 выделения доми- нирующей гармоники).

Разрядность и вид кода управления проводимостями интеграторов блоков 1 и 2 определяется применяемыми циф- роуправляемыми проводимостями и при использовании интегральных цифроана- логовых преобразователей КР572Г1А1 оказывается десятиразрядным, двоичным.

Наиболее простьм является устрой- ство управления, реализующее синхронный (с частотой исследуемого сигнала) режим работы вычислителя с обеспечением длительности такта, равной.

14

периоду входного сигнала. Вариант такого блока управления изображен на фиг. 4о

На выходе компаратора 21 имеем импульсный сигнал с длительностью в период входного сигнала. Этот сигнал подается на вход счетчика 22. Число, соответствующее номеру текущего такта, возбуждает адресные входы постоя ного запоминающего устройства 24 (ПЗУ) сигналов управления ключами. Входы управления аналоговых ключей присоединены к выходам данного ПЗУ (один выход на каждый сигнал управления) .

Следует также отметить, что объединением первого и пятого тактов (т.ео .совмещением во времени записи- информации, полученной в предьщущем подцикле, с подготовкой (нулевой начальной установкой интеграторов неперестраиваемого генератора), можно перейти к четырехтактному режиму, при этом сигналы управления некоторых ключей совпадают. Всего необходимо иметь одиннадцать сигналов управления ключами.

На третий выход блока 6 управления передается сигнал-признак четвертого такта. Этот сигнал используется в регистрирующем устройстве 5 для разрешения записи информации в момен решения внутри этого такта

Импульс с выхода переполнения счетчика 22 поступает на вход счетчика 23 и увеличивает его содержание на единицу. Число, равное номеру текущего подцикла, возбуждает адресные входы ПЗУ 25 кодов управления проводимостями Выдача в блоки 1 и 2 соответствующего значения кода обеспечивает настройку перестраиваемого генератора 1 на вычисление гармоники анализируемой в текущем подцикле.

Поскольку информация об амплитуде и фазе гармоники существует лишь в момент решения в четвертом такте, требуется регистрирующее устройство, принимающее и хранящее эту информацию.

На фиг. 3 показан вариант построения такого устройства на основе двухканального аналогового запоминающего устройства (АЗУ). Один канал может быть реализован на основе микросхемы устройства выборки-запоминания, например серии КР1100. Дпя формирования короткого импульса записи в мо

5.

мент решения используется одновибра- тор 18. Для блокировки ложной записи сигнал компаратора подается через вентиль 17 (логический элемент И), на второй вход которого из блока 6 управления поступает сигнал-признак четвертого такта. При этом запись информации в анализаторе возможна лишь в четвертом такте.

Рассмотрим временные диаграммы работы предлагаемого анализатора заявляемого устройства - на фиг. 5 для блока 7 выделения доминирующей гармоники, а на фиг. 6 для перестраиваемого генератора 1 синусно-косинус- ного напряжения (hrCKH),

Предполагается, что на вход анализатора подается сигнал треугольной формы размахом 8 В (фиг. 5а). Амплитуда первой гармоники (показана на фиг. 5а пунктиром) составляет при этом 6,485 В. ПГСКН настроен на анализ третьей гармоники, имеющей амплитуду 0,721 В.

Напомним, что в первом такте производится нулевая начальная установка интег раторов блока 7 и одновременно (совмещение с пятым тактом) запись результатов вычислений предыдущего подцикла в регистрирующее уст

ройство 5; во втором такте - вычисление коэффициентов Фурье дпя доминирующей (в данном случае, первой) гармоники в блоке 7 и подготовка (нуле- вая начальная установка) интеграторов ПГСКН; в третьем такте - синтез и вычитание доминирующей гармоники в блоке 7 и вычисление коэффициентов Фурье дпя анализируемой (в данном случае третьей) гармоники в ПГСКН; в четвертом такте - вычисление амплитуды и фазы анализируемой гармоники в ПГСКН.

К концу первого такта напряжения на интеграторах блока 7 (фиГоЗв и 56)

равны нулю. К концу второго такта напряжение на выходе первого интегратора 11 блока 7 равно амплитуде синусной составляющей доминирующей гармоники - в данном случае амплитуде самой гармоники - 6,485 В Напряжение на выходе второго интегратора 13 в этот же момент равно нулю. В третьем такте блок 7 переходит в режим свободных колебаний и на выходе его второго интегратора 13 формируется напряжение, соответствукнцее противофазной доминирующей гармоники (фиг. 5в). На выходе сумматора 9 в этом такте имеем напряжение, в котоO

15

0

5

30

ром доминирующая гармоника вычтена из входного сигнала (при повороте фазы остальных гармоник на 180°). Как видно из.фиг. 5 г, размах обработанного сигнала (тс.е. без первой гармоники) существенно меньше 1,5 В вместо 8 В для исходного сигнала.

На фиг. 6а это же напряжение показано в увеличенном масштабе. К концу третьего такта напряжения на выходах интеграторов ПГСКН ( и 6в) будут равны амплитудам косинусной и синусной составляюприх анализируемой гармоники, умноженной на коэффициент передачи по используемому входу генератора. В нашем случае напряжение на выходе первого интегратора к концу такта равно нулю, а второго - 5,764 В, т.е. восьмикратной амплитуде третьей .гармоники. В четвертом также вьтолняется преобразование координат - вычисляются амплитуда и фаза анализируемой гармоники, аналогично тому, как это делается в прототипе.

Использование предлагаемого анализатора (по сравнению с известными) существенно увеличивает точность измерения. Например, при гармоническом анализе в сетях переменного тока 1промьшшенной частоты, когда амплитуда высших гармоник не превьшгает (3- 5)% от основной (первой) гармоники частоты 50 Гц, у предлагаемого ана- 35 лизатора точность (уменьшение относительной ошибки) повышается в 20- 30 раз.

Формула изобретения

Амплитудно-фазовый анализатор гармоник, содержащей перестраиваемый генератор синусно-косинусного напряжения, имеющий вход, соединенный с

источником входного сигнала, два входа управления, и два выхода, один из которьк подключен к компаратору,второй вход которого соединен с общей шиной, а также последовательно соединенные источник опорного напряжения и интегратор с двумя входами управления, от.личающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений, в него введены блок вьщеления доминирующей гармоники, блок управления и регистрирующее устройство, причем перестраиваемый генератор синусно-косинусного напряжения вьшолнен с возможностью ввода скорректированного входного сигнала, для чего снабжен дополнительным входом, входы регистрирующего устройства подключены соответственно к выходу интегратора, второму выходу генератора синусно-косинусного напряжения, к выходу блока управления и выходу компаратора, выход блока вьщеления доминирующей гармоники подключен к дополнительному входу генератора си- нусно-косинусного напряжения, второй вход которого соединен одновременно с входом блока вьщеления доминирующей гармоники и входом управления, первый выход которого связан с входом управления блока выделения доминирующей гармоники и с первыми входами генератора синусно-косинусного напряжения и интегратора, а второй выход связан с вторыми входами управления интегратора и генератора синусно- косинусного напряжения, при этом блок вьщеления доминирующей гармоники содержит последовательно соединенные аналоговый ключ, сумматор, вто- рой аналоговый ключ, интегратор с ключом сброса в цепи обратной связи, вход которого через четвертый аналоговый ключ соединен с входом первого аналогового ключа и является входом блока вьщеления доминирующей гармоники, при этом выход интегратора соединен с вторым входом сумматора, а входы управления ключей являются входом управления блока, выходом которого является выход сумматора.

1-й таят -й такт 3-йтакт {4-й такт V Т лт jf

Озиг.5

Изобретение относится к электро- изм,ерительной технике. Предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового входного сигнала, Тое. для получения его спектрального состава о Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство содержит перестраиваем 1й генератор - 1 синусно-косинусного напряжения, компаратор 4, интегратор 2, источник 3 опорного напряжения. Для достижения поставленной цели в устройство введены блок 7 выделения доминирующей гармоники, блок 6 управления, регистрирующее устройство 5, причем блок 1 вьшолнен с возможностью ввода скорректированного входного сигнала. Для этогб он снабжен дополнительным входом и образованы новые функ1Д1о- нальные связи. Поставленная цель достигается путем режекции мешакмцей интенсивной гармонической составляющей исследуемого сигнала при помощи блока выделения доминирующей гармоники с последующим усилением интересующих гармонических составляющих. 7 ил. i (Л со о со

28

-&аBxodfупр.

BbijeodZ о

Ой/г/

Редактор А.Ревин

Составитель А.Орлов

Техред А.Кравчук Корректор А.Обручар

Заказ 1627/44Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

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