Устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала Советский патент 1987 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для выявления и оценки различ- ных видов нелинейных искажений в звукстехнической аппаратуре.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем снижения методических погрешностей.

На-фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения нелинейных искажений электрического сигнала; На фиг. 2 - амплитудно-частотные характеристики блока дифференцирования .

Устройство содержит генератор 1 гармонических колебаний, объект 2 измерения, блок 3 выравнивания уровней сигналов, содержащий аттенюатор 4 и регулируемый измерительный усилитель 5, блок 6 дифференцирования, первый блок 7 индикации, содержащий первую схему 8 сравнения, первый генератор 9 эталонного сигнала, первьй индикатор 10, второй блок 11 индикации, содержащий вторую схему 12 сравнения, второй генератэр 13 эталонного сигнала, второй индикатор 14, измерительный блок 15, содержащий осциллограф 16 и измерительный блок 17, входную 18 и выходную 19 клеммы

В состав устройства входят последовательно соединенные генератор 1 гармонических колебаний, объект 2 измерения, блок 3 вьцзавнивания уровней сигналов, состоящий из последовательно соединенных аттенюатора 4 и регулируемого измерительного усилителя 5, причем вход аттенюатора 4 является входом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а выход регулируемого измерительного усилителя - его выходом, блок 6 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 15, состоящий из осциллографа 16 и измерительного блока 17, которые параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока 15, а также идентичные первый 7 и второй 11 блоки индикации, состоящей из схемы 8 сравнения, первый вход которой является, входом блока 7 индикации генератора 9 эталонного сигнала, соединенного с вторым входом схемы 8 сравнения, индикатора 10, соединенного с выходом схемы-сравнения 8, причем вход первого блока 7 индикации соединен с выходом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а вход второго

блока 11 индикации соединен с выходом блока 6 дифференцирования.

Частотные свойства блока 6 дифференцирования можно отразить с помо- щью амш1итудно-частотнь1х характеристик (фиг. 2), где кривая а - характеристика блока 6 дифференцирования при разомкнутой петле обратной связи; кривые б, в - возможные по0 ложения характеристик при замкнутой петле обратной связи и различных номиналах элементов: резистора 20 (R), конденсатора 21 (С), резистора 22 (R) конденсатора 23 (Cj);

5 кривая г - идеальная форма характеристики. Допустим, что коэффициент усиления К и входное сопротивление дифференцирующего усилителя при разомкнутой петле обратной связи до0 статочно велики и их влиянием на параметры при разомкнутой петле обратной связи можно пренебречь.

Наиболее оптимальным с точки зрения ограничения высокочастотных шу5 мов и помех в исследуемом сигнале является положение характеристики, соответствующее кривой в, когда произведения величин номиналов схемы R,C и RjC, определяющие положения

0 полюсов функции передачи блока дифференцирования при замкнутой петле обратной связи, будут равны ( RjC 2), а положения полюсов будут совпадать. Этим достигается уменьшение методической погрешности, обусловленной присутствием шумов и помех в исследуемом сигнале.

В то же время, наиболее оптимальной с точки зрения близости формы ха- ракт ристики к идеальной кривой 2 является характеристика, соответствующая кривой tf, и для уменьшения амплитудной погрешности дифференцирования должно выполняться условие R-t С RjCj.

5

Таким образом, наиболее целесообразным представляется выбор формы характеристики блока 6 дифференцирования, соответствующей кривой в что

0 обеспечит снижение методической погрешности, вызванной присутствием шумов и помех в исследуемом сигнале, но при одновременном аппаратурном обеспечении такого положения совпа. дающих полюсов, которое соответствует получению приемлемой величины методической амплитудной погрешности. Подаем на вход блока 6 дифференцирования сигнал вида

5

0

3.13

Sg(t)SB,gy2 cos(uj, t+v,), (1)

где Sp - среднеквадратическое значение сигнала; (м - его частота; 1/ - начальная фаза. При идеальной форме амплитудно- частотной характеристики блока, соответствующей кривой 1 (что на практике неосуществимо), можно записать выражение для среднеквадратического значения сигнала на выходе идеального блока дифференцирования

о.еых р Шг

i .,0с б

fl,

(2)

где P - - отношение частоты

i кТс: R;C; °впада- ющих полюсов к частоте сигнала (1);

К° -- - модуль козффициента пере дачи блока дифференцирования при замкнутой петле обратной связи. При реальной форме амплитудно-частотной характеристики блока дифференцирования, соответствующей кривой а, можно записать выражение для среднеквадратического значения сигнала на выходе реального блока дифференцирования .

с 2.v° с

l ,86ixt (+рг) вхб°

Выражение для относительной амплитудной погрешности дифференцирования запишется как

гИ §2i6S lC§ il lL f/

s,B... 0+Р)

При измерении взвешенных коэффициентов гармоник сигнал на входе блок 6 дифференцирования является сложным периодическим сигналом, содержащим первую и высшие гармоники

Sg,(t) S-П cos(ico,),(5)

S - постоянная составляющая, которая при измерениях не подвергается оценке, поэтому в дальнейшем будет опускаться;

i - номер гармоники;

S, - среднеквадратическое значение i-й гармоники;

89264

ц-. - начальная фаза i-й гармоники .

Выражение для среднеквадраТическо- го значения сложного сигнала на выходе идеального блока дифференцирования запишется как

S К

0.6ЫХ (,

LS

1

P4i)

(6)

а на выходе реального

11

Zs

P li)

l+P4i)J

(7)

где P(i) т- P - отношение часто- 1Ыи

ты совпадающих

полюсов к частотам различных гармоник,

Выражение для относительной амплитудной погрешности дифференцирования сложного сигнала в функции от P(i) запишется как

с о (i) .ly.LL

If ,liL li±pimL

Is.

1

р аУ

(8)

I 1 -i .

С наибольшей погрешностью дифференцируется п-я, последняя гармоника сигнала, для которой P(i), равное Р(п), принимает наименьшее значение.

Если положить, что с наибольшей погрешностью, равной погрешности дифференцирования последней гармоники, дифференцируются все гармоники, то оценку сверху для амплитудной погрешности дифференцирования сложного

сигнала можно записать следующим образом:

45

с/,п,Р(п)

После дифференцирования наибольшему воздействию на свою интенсивность подвергается первая гармоника, для которой P(i), равное Р(1), при- нимает наибольшее значение. Если положить, что все гармоники притерпе- вают изменения своих интенсивност ёй

Р „ос

в масимальное число раз тт-рГК ,

то можно записать выражение для оценки сверху величины изменения среднеквадратического значения сигнала на выходе реального , блока дифференцирования (Spgj.,(,) по отношению к среднеквадратическому значению сигнала на его входе (), которую необходимо обеспечить в процессе измерений для вьтолнения операции дифференцирования с заданной амплитудной погреш- ностью

Таким образом, учитывая максимально возможное практическое число п гармоник исследуемого сигнала из выражения (9), следует определить величины Р(п), Р(п)п, а затем - ..Plsln

(n)nJ2

„ОС

последняя из кото- то изменение величины

СА

ext

рых укажет на

S. g по отношению к величине , которое необходимо обеспечить в процессе измерений для получения дифференцирования сложных сигналов с ам- плитуднсй погрешностью не превышающей некоторой, наперед заданной величины ( п, Р(п) , являющейся оценкой погрешности сверху.

Исследуемые сигналы имеют широкий диапазон значений и частот, так как при измерениях возникает необходимос определения зависимостей взвешенных коэффициентов гармоник от амплитуды и частоты испытательного сигнала, как это делается при исследовании нелинейности объекта измерений обычным методом гармоник, к тому же оДенке нелинейности подвергаются объекты с различными уровнями выходных сигналов. Поэтому для выполнения основной обработки сигнала - дифференцирования, с заданной погрешностью предлагается ввести блок дополнительной обработки сигнала - блок выравнивания уровней сигналов, и блоки индикации для контроля правиль- .ности выполнения основной и дополнительной обработок сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Гармонический сигнал от генератора 1 подается на объект 2 измерений. Далее сигнал с помощью блока 3 выравнивания уровней сигналов подвергает - ся дополнительной обработке - уровни всех сигналов приводятся к некотором оптимальному уровню. Блок 3 содержит два последовательно соединенных

- ,

10

15

20

30

25ть

189266

устройства: для грубой регулировки

уровня служит аттенюатор 4, а плавную регулировку осуществляет регули- pyet-ibiH измерительный усилитель 5. Для суждения о правильности настройки блока 3 - о достижении сигналом оптимального уровня, введен блок 7 индикации, подключенный к выходу блока 3 параллельно входу блока 6 дифференцирования. Информация о величине оптимального уровня, заложенная в выходном напряжении генератора 9 эталонного сигнала, подается на один из выходов схемы 8 сравнения, а информация об истинной величине уровня выходного сигнала блока 3 подается на другой вход схемы 8 сравнения. На выход схемы 8 сравнения подключен индикатор 10, с помощью которого фиксируется достижение правильности настройки блока 3, т.е. выравнивание уровней на входах схемы 8 сравнения. Настройка блока 3 (настройка по напряжению) требуется при изменении уровня сигнала на входе объекта 2 измерений. Возможное изменение частоты испытательного сигнала в широких пределах требует соответствующего изменения положения, совпадающих полюсов функции передачи блока 6 дифференцирования для обеспечения заданной величины погрешности. Поэтому блок 6 дифференцирования содержит перестраиваемые конденсаторы 21 и 23, причем их од35 повременная перестройка обеспечивает сохранение совпадения полюсов, а значит ограничение шумов и помех в исследуемом сигнале, лежащих по частоте выше различимых продуктов ис40 кажений. О правильности выбора положения совпадающих полюсов свидетельствует достижение.рассчитанного в соответствии с заданной амплитудной погрешностью изменения уровня сигна45 ла на выходе блока 6 дифференцирования по отношению к уровню сигнала на его входе. Введение второго блока 11 индикации позволяет вынести суждение о достижении правильности на50 стройки блока 6 дифференцирования (настройка по постоянной времени)г Информация о требуемой величине изменения уровня сигнала после дифференцирования заложена в величине вы55 ходного сигнала второго генератора 13 эталонного сигнала и подводится к одному из входов второй схемы 12 сравнения. К другому входу схемы 12 сравнения подводится сигнал с выхода

713

блока 6 дифференцирования, О достижении равенства сигналов на входах схемы 12 сравнения свидетельствует индикатор 14, подключенный к выходу схемы 12 сравнения. После настройки всего устройства по напряжению и постоянной времени продифференцированный сигнал с помощью контрольно- измерительного блока 15, содержащего осциллограф 16 и измерительный блок 17, подвергается визуальному наблюдению формы кривой и количественной оценке взвешенных коэффициентов гармоник.

Введение блока выравнивания уровней сигналов, двух блоков индикации и применение одновременно перестра иваемых конденсаторов в блоке диффе- ренцирования обеспечивают повьшение точности измерения взвещенных коэффициентов гармоник путем снижения методических погрешностей измерений.

Ф о р м ула изобретения

Устройство дпя измерения нелинейных искажений электрического сигнала содержащее входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения,- генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к входной клемме, а также блок дифференцирова ЯгС7

89268

кия и контрольно-измерительный блок подключенньй к выходу блока дифференцирования, состоящий из осциллографа и измерительного блока, которые па раллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока, о т- личающееся тем, что, с целью повьппения точности измерения,- в него дополнительно введен блок выравнивания уровней сигналов, вход которого подключен к выходной клемме, содержащий последовательно соединенный аттенюатор и регулируемый измерительный усилитель, причем входом

блока выравнивания уровней сигналов является вход аттенюатора, а выходом- выход регулируемого измерительного усилителя, а также два идентичных блока индикации, состоящих из схемы

сравнения, первый вход котТэрой является входом блока индикаций, генератора эталонного сигнала соединенного с вторым входом схемы сравнения, и индикатора, соединенного с выходом

схемы сравнения, причем выход объекта измерений через блок выравнива- - ния уровней сигналов соединен с входом блока дифференцирования и входом первого блока индикации, а выход

блока дифференцирования соединен с входом второго блока индикации, в блоке дифференцирования конденсаторы выполнены перестраиваемыми.

.а

V,

.2

о)

Составитель В.Величкин Редактор Л.Гратилло Техред М.Ходанич

Заказ 2505/38 Тираж 730Подписное

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

Корректор Г.Решетник

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре. Цепь изобретения - повьшение точности измерений. Устройство содержит генератор 1 гармонических колебаний, блок 6 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 15, включающий осциллограф 16 и измерительный блок I7. Введение блока 3 выравнивания уровней сигналов, блоков 7 и П индикации и использование одновременно перестраиваемых конденсаторов 21 и 23 в блоке 6 дифференцирования обеспечивает повышение точности измерения -взвешенных коэффициентов гармоник путем снижения методических погрешностей измерений. 2 ил. с