Анализатор спектра Советский патент 1987 года по МПК G01R23/16 

13221712

Изобретение относится к анализучислительного блока 22.соединены соспектра широкополосных случайных сиг-ответственно с выходами преобразованалов, содержащих гармонические ком-теля 17 частота - код, первого блопоненты, и может быть использованока 9 памяти и АЦП 7, Второй выходдля исследования эксплуатационной 5счетчика 19 номера канала подключен

вибрации со сложным энергетическимк управляющим входам коммутатора 6

спектром.и первого блока 9 памяти.

Цель изобретения - расширение Первый преобразователь 10 код функциональных возможностей анализа-временной интервал, сумматор 11,

тора спектра, а именно выделение в tOцветная телевизионная трубка 12, втосоставе сложного широкополосного слу-рой преобразователь 13 код - временчайного сигнала гармонических компо-ной интервал, схема 18 сравнения конент с определением их уровней и час-дов, счетчик 19 номера канала,блок 20

тот.формирования метки, блок 23 формироНа фиг.1 представлена функциональ- 5вания символов входят в состав индиная схема анализатора спектра; накатора 24, при этом первым входом

фиг.2 и 3 - спектрограммы поясняю-последнего является вход первого прещие работу анализатора.образователя 10 код - временной инАнапизатор спектра содержит после-тервал, вторым входом - второй вход

довательно соединенные управляемый 20схемы 18 сравнения кодов, третьим

узкополосньй фильтр 1, инвертор 2, входом - вход второго преобразоватедвухвходовый сумматор 3, параллель-ля 13 код - временной интервал, а

ные каналы анализа, каяздый из которыхчетвертым входом - вход блока 23 форсостоит из последовательно соединен-мирования символов.

ных полосового фильтра 4 и измерите- . Анализатор спектра работает следуюля 5 дисперсии, выходы которых под-щим образом.

ключены к соответствующим входам ком- Входной широкополосньш сигнал, со- мутатора 6, выход которого подключендержащий узкополосные случайные и через последовательно соединенныегармонические компоненты (фиг.2 а) АЦП 7, первый ключ 8, первый блок 9 поступает на вход управляемого узко- памяти, и первый преобразователь 10полосного фильтра 1 и на второй вход код - временной интервал к суммато-двухвходового сумматора 3. Первона- ру 11, выход которого подютючен к мо-чально частота настройки управляемого дулятору (например, красного цвета)узкополосного фильтра 1 находится за-. цветной телевизионной трубки 12. К 35пределами частотного диапазона анали- другому модулятору (например синего.затора спектра, т,е„ f fц цвета) подключен выход второго - начальная частота настройки уп- разователя 13 код - временной интер-равляемого узкополосного фильтра 1, вал, вход которого через третийа i , - нижняя рабочая частота анали- ключ 14 додключен к выходу АЦП 7. Вы- Озатора спектра. В этом случае на выход перестраиваемого по частоте гене-ходе управляемого фильтра 1 сигнал нератора 15 гармонических сигналов отсутствует, и на выход двухвходовогс подключен к управляющему входу управ-сумматора 3 через его второй вход . ляемого узкополосного фильтра 1 и кпроходит весь входной сигнал без из- последовательно соединенным второму -5менений, спектр которого соответст- ключу 16, преобразователю 17 часто-вует фиг. 2 а. Широкопол ос ньй сигнал та - код, схеме 18 сравнения кодов9разбивается полосовыми фильтрами 4 к другому входу которой подключенпараллельных каналов измерений на счетчик 19 номера канала, и блоку 20ряд узкополосных сигналов, поступаю- формирования метки, выход которого -50щих на входы измер ений 5 дисперсий. подключен к другому входу суммато-С выхода последних сигналы в виде пора 11. Выход второго блока 21 памятистоянных напряжений, пропорциональ- подключен к первому входу вычисли-ных дисперсиям узкополосных сигналов, тельного блока 22, выход которогопоступают на соответствующие входы подключен к входу блока 23 формирова-55кoм 5yтaтopa 6.

НИН символов, выход которого подклю- С выхода ком1чутатора 6 сигналы

чей к третьему входу сумматора 11.поступают на вход АЦП 7, где осущестВторой, третий и четвертый входы вы-вляётся преобразование сигнала из

313

аналоговой формы в 1у1фровую. С выхода АЦП 7 сигнал в цифровой форме поступает через замкнутый в исходном состоянии первый ключ 8 в первый блок 9 памяти, при этом ключи 14 и 16 разомкнуты и управление первым блоком 9 памяти и коммутатором 6 осу- , ществляется с выхода счетчика 19 номера канала. С выхода первого блока 9 памяти сигнал поступает через первый преобразователь 10 код - временной интервал 10 и сумматор 11 на модулятор цветной телевизионной трубки 12 (например, красного цвета). При этом на экране телевизионной трубки 12 результаты параллельного спектрального анализа высвечиваются в виде светящихся столбцов красного цвета по числу параллельных каналов измерения, уровни которых соответ- ствуют дисперсиям сигналов в соответствующих полосах частот.

Таким образом по окончании времени спект.рального анализа в первом блоке 9 памяти находятся результаты параллельного спектрального анализа и одновременно эти результаты высвечиваются на экране телевизионной трубки 12 в виде столбцов красного цвета

Затем ключ 8 размыкается,а ключ 14 замыкается, с выхода генератора 15 гармонического сигнала гармонический сигнал переменной частоты поступает на управляющий вход управляемого узкополосного фильтра 1 и перестраива- ет его по частоте. При этом частота гармонического сигнала изменяется оператором от f„ до fg, где „ и f - соответственно нижняя и верхняя границы частотного диапазона анализато- (ра спектра.

С выхода управляемого уэкополосно- го фильтра 1 узкополосный сигнал через инвертор 2 поступает на первый вход двухвходового сумматора 3, на второй вход которого поступает измеряемый широкополосный сигнал. В результате противофазного суммирования (вычитания) узкополосного и широкополосного сигналов, на выходе двухвходового сумматора 3 появляется раз- ностньш сигнал, причем на частоте настройки управляемого узкополосного фильтра 1 происходит полное вычитание сигналов, так как коэффициент . усиления цепи управляемый узкополосный фильтр 1 - инвертор 2 равен ед.и- нице, а суммарный фазовый сдвиг ср

5

0 5 0

5

714

сигнала 180°. Таким образом, с помощью управляемого узкополосного фильтра 1 осуществляется режекция сигнала в узкой полосе частот. В процессе перестройки управляемого узкополосного фильтра 1 осуществляется плавное сканирование частоты настройки и последовательное подавление всех частот анализируемого широкополосного сигнала.

С выхода двухвходового сумматора 3 широкополосный сигнал поступает на параллельные каналы 4 анализа. С выхода измерителей 5 дисперсий сигналы поступают через коммутатор 6 на вход АЦП 7, с выхода которого сигнал в цифровой форме через замкнутый третий ключ 14 поступает на вход второго преобразователя 13 код - временной д интервал, и далее на модулятор цветной телевизионной трубки 12 (синего цвета). На экране цветной телевизионной трубки 12 продолжают отображаться результаты первого спектрального анализа с выхода первого блока 9 памяти . .

В процессе сканирования частоты настройки управляемого узкополосного фильтра 1 и совпадения ее частоты с частотой гармонической компоненты происходит полное подавление последней, что отражается на экране индикатора цветной телевизионной трубки 12 (фиг. 2 б), а при совпадении частоты настройки управляемого узкополосного фильтра 1 с центральной частотой узкополосной случайной компоненты полного подавления последней не происходит, и на экране индикатора цветной телевизионной трубки 12 появляется отображение в виде, представленном на фиг. 2 в.

В момент, когда частота генератора 15 гармонического сигнала совпадает с частотой гармонической ко шонен- ты, о чем судят по изображению на эк- ране цветной телевизионной трубки 12

(фиг. 26), оператор останавливает перестройку частоты генератора 15 гармонического сигнала и замыкает

второй ключ 16. I

При этом гармонический сигнал с

выхода генератора 15 гармонического сигнала поступает через замкнутый второй ключ 16 на вход преобразователя 17 частота - код, с выхода которого сигнал в цифровой форме (характеризующей значение частоты гармо

10

51322171

нического сигнала) поступает на первый вход схемы 18 сравнения кодов и на второй вход вычислительного блока 22. На второй вход схемы 18 сравнения кодов поступает сигнал в цифровой форме со второго выхода счетчика 19 номера канала. При совпадении кодов на первом и втором входах схемы 18 сравнения кодов (что указывает на совпадение значений частоты гармонического сигнала с частотой, вьфа- батываемой счетчиком 19 номера канала) на его выходе появляется сигнал, который поступает на вход блока 20 формирования метки, с выхода последнего сигнал поступает через сумматор 11 на модулятор цветной телевизионной трубки 12 (красного цвета). При этом на соответствующем месте растра индикатора появляется метка, характеризующая местоположение на частотной оси значения частоты генератора 15 гармонического сигнала

ляется с исйользование. откликов ана лизирующих фил ьтров, соседних с п-м анализирующим фильтром. Оценка ампл туды гармонической компоненты осуществляется путем усреднения по фор муле

АЬЬ.)

(f;)

n+г ч

kj (f;)

15

20

вх cp - I 5 С выхода вычислительного блока 2 сигнал, характеризующий значение ам плитуды гармонического сигнала на i-й частоте, поступает на вход блока 23 формирования символов, С выход последнего сигнал, несущий информаци о значении уровня гармонической компоненты, сформированный для отображ ния на экране индикатора цветной те левизионной трубки 12 в виде надписи в соответствующем месте растра (например, в правом верхнем углу), поступает через сумматор 11 на модуля

(или, что тоже самое, место на час-.„„ „ ,

„ .„ 25 тор цветной телевизионной трубки 12

тотнои оси частоты настройки управляе- -

мого узкополосного фильтра 1).

Одновременно на первый, третий и четвертый входы вычислительного блока 22 поступают сигналы соответственно с выходов второго блока 21 памяти, -30 первого блока 9 памяти и АЦП 7. Во втором блоке 21 памяти хранятся информация об амплитудно-частотных характеристиках анализирующих фильтров .и программа вычислений.

По значению частоты гармоническо35

(например, красного цвета). При этом в правом верхнем углу растра высвечи вается уровень гармонической компоненты в виде надписи, например, Ур. гарм. 25 дБ.

После этого оператор размыкает . второй ключ 16 и продолжает пере- , стройку частоты генератора 15 гармонического сигнала, при этом прекращ ются вычисление в вычислительном бл ке 22 и исчезает надпись в правом верхнем углу растра цветной телевизионной трубки 12, Управляемый узкополосный фильтр 1 при поступлении н его управляющий вход гармонического сигнала переменной частоты изменяет соответственно свою частоту настройки, и процесс определения гармоничес ких компонент в исследуемом сигнале продолжается аналогично указанному.

го сигнала, поступающего на второй вход вычислительного блока 22, определяется номер (п) анализирующего фильтра, в полосе которого находится гармоническая компонента f; , и значение коэффициента передачи kn(f;) фильтра на этой частоте. Известное соотношение, связьтающее вход и выход анализирующего фильтра, позволяет оценить истинное значение амплитуды гармонической компоненты

e.f;)

(fu) kn(f;)

J ftblZ

« A(f,)

- амплитуда сигнала на выходе n-го анализирующего фильтра на i-й частоте.

Для уменьшения статистической погрешности оценки амплитуды гармонической компоненты вычисление амплитуды гармонической компоненты осуществляется с исйользование. откликов ана-; лизирующих фил ьтров, соседних с п-м анализирующим фильтром. Оценка амплитуды гармонической компоненты осуществляется путем усреднения по формуле

АЬЬ.)

(f;)

n+г ч

kj (f;)

вх cp - I 5 С выхода вычислительного блока 22 сигнал, характеризующий значение амплитуды гармонического сигнала на i-й частоте, поступает на вход блока 23 формирования символов, С выхода последнего сигнал, несущий информацию о значении уровня гармонической компоненты, сформированный для отображения на экране индикатора цветной телевизионной трубки 12 в виде надписи в соответствующем месте растра (например, в правом верхнем углу), поступает через сумматор 11 на модуля„„ „ ,

(например, красного цвета). При этом в правом верхнем углу растра высвечивается уровень гармонической компоненты в виде надписи, например, Ур. гарм. 25 дБ.

После этого оператор размыкает . второй ключ 16 и продолжает пере- , стройку частоты генератора 15 гармонического сигнала, при этом прекращаются вычисление в вычислительном блоке 22 и исчезает надпись в правом верхнем углу растра цветной телевизионной трубки 12, Управляемый узкополосный фильтр 1 при поступлении на его управляющий вход гармонического сигнала переменной частоты изменяет соответственно свою частоту настройки, и процесс определения гармонических компонент в исследуемом сигнале продолжается аналогично указанному.

Рассматривают более общий случай оценки уровня и частоты гармонической компоненты при наличии не только узкополосной случайной компоненты, но и широкополосного случайного сигнала в виде некоторой равномерной подставки в частной области (фиг.За).

При наличии широкополосного случайного сигнала в полосе частот в ок- рестности частоты гармонической компоненты, несмотря на полную режекцию гармонической компоненты, на экране индикатора цветной телевизионной

трубки 12 остается остаточный уровен сигнала на частоте режекции (фиг,За, б,в). Это объясняется тем, что полосы пропускания анализирующих фильтров 4 имеют конечное значение (относительно широкое), а полное вычитание сигнала происходит лишь на одной i-й частоте. Поэтому в процессе вычисления уровня гармонической компоненты необходимо учитывать остаточ- ньй уровень широкополосного сигнала. Вычисление оценки уровня гармонической компоненты в этом случае осуществляется по формуле:

iAj.bJf;) (f,) Jir JilSlLr

,5

. D aiLif liufi.)

, ufj,kj.ifii

4

eSCp

пЛ

(1)

где Dj g, (f; ,uf ),ufj соответственно дисперсия широкополосного случайного сигнала и полоса пропускания j-ro анализирующего фильтра 4.

В формуле (1) суммирование осуществляется по разному числу анализирующих фильтров (5 и 4), так как оценка спектральной плотности широкополосного случайного сигнала осуществляется по выходу анализирующих фильтров 4 после режекции, поэтому на п-й анализирующий фильтр 4, в полосе которого осуществлена режекция,

проходит только часть широкополосно- 35 схему сравнения кодов, блок формирого случайного сигнала и следовательно оценка спектральной плотности по его вькоду недостоверна. В связи с / этим значение дисперсии на выходе п-го анализирующего фильтра 4 формула не учитывает. Формула изобретения

Анализатор спектра, содержащий набор полосовых фильтров, к выходу

каждого из которых подключены измери- 45 образователь код - временной интертели дисперсии, выходы которых подключены к коммутатору, индикатор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены последова- 50 тервап, вход которого является третельно соединенные управляемый узкополосный фильтр, инвертор, двухвхо- довый сумматор, выход которого подключен к входам полосовьгх фильтров, последовательно соединенные аналого- иифровой преобразователь, первый

10

20

ключ и первый блок памяти, подключенный к первому -входу индикатора, вычислительный блок, второй блок памяти, подключенный к первому входу вычислительного блока, последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор гармонического сигнала, второй ключ и преобразователь частота - код, выход которого подключен к второму входу вычислительного блока и второму входу индикатора, третий ключ, включенный между выходом аналого-цифрового преобразователя и третьим входом индикатора, вхоf5 дом анализатора является вход управляемого узкополосного фильтра, который соединен также с вторым входом двухвходового сумматора,.к управляющему входу управляемого узкополосного фильтра подключен выход генератора гармонического сигнала, третий вход вычислительного блока подключен к выходу первого блока памяти, четвертый вход вычислительного блока

25 подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, управляющий выход индикатора подключен к управляющим входам коммутатора и первого блока памяти, выход вычислительного блока

30 подключен к четвертому входу индикатора, которьй выполнен на цветной телевизионной трубке с блоком развертки и содержит последовательно соединенные счетчик номера канала,

вания метки и сумматор, выход которого подключен к модулятору цветной телевизионной трубки, например, красного цвета, причем второй вход схемы 40 сравнения является вторым входом индикатора, блок формирования символов, вход которого является четвертым входом индикатора, а выход подключен к другому входу сумматора, первый превал, вход которого является первым входом индикатора, а выход подключен к третьему входу сумматора, второй преобразователь код - временной интьим входом индикатора, а выход подключен к модулятору цветной телевизионной трубки, например, синего цвета, при этом другой выход счетчика 55 номера канала является управляющим выходом индикатора.

Ш

OU)

iQ

/t

гГ

Ъ

G(/)

.Л

8

гГП411п ггПъ

л . fc.2

/.

Сос гавит ель В.Смолин Редактор И.Горная Техред Л.ОлийныкКорректор Л.Патай

V

Заказ 2858/40 Тираж 730ПодписнЬе

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

irilb

/г/

/2

у

й«.з

/2

Изобретение может быть использовано для исследования эксплуатационной вибрации со сложным энергетическим спектром. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей анализатора. Анализатор спектра содержит полосовые фильтры 4, измерители 5 дисперсии, коммутатор 6 и индикатор 24. В устройство введены управляемый узкополосный фильтр 1, инвертор 2, двухвходовый сумматор 3, аналого-таиФровой преобразователь 7, ключи 8, 14 и 16, блоки и 21 паьш- THj преобразоватепи 10 и 3 код - временной интервал, генератор 15 гармонических сигналоз, преобразователь 17 частота - код и вьгчислитель- ньй блок 22. Кроме того, в описании представлепа конкретная схема выполнения индикатора 24 и образованы новые функциональные связи. Это позволяет вь делить в составе сложного иж- рскополосного случайного сигнала гармонические компоненты и опредепить их фовень и частоту. 3 ил. 1S % .i ftar J ш,