Анализатор гармоник Советский патент 1987 года по МПК G01R23/16 

I

Изобретение относится к электроизмерительной и аналого-цифровой вычислительной технике, предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала, а также коэффициента нелинейных искажений срг- налов и устройств, может найти применение в составе различного рода ин- форма1щонно-измерительных и управляющих комплексов и систем, в качестве автономного устройства для гармонического анализа различного вида электрических колебаний либо колебаний другой физической природы, преобразованных в электрические, при аппаратурном определении коэффициента нелинейных искажений усилительных устройств и коэффициента несинусоидальности в системах электроснабжения и является усовершенствованием изобре- тейия по авт. св. № 815669.

Цепь изобретения - расширение функциональных возможностей анализатора путем дополнительного вычисления коэффициента нелинейных искажений элек фического сигнала

13

К„

YZ u,Vu, ,

1)

К--2

где и и и - действующие значения

первой и высших (К 2) гармоник соответственно.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого анализатора.

Анализатор содержит первый - четвертый интеграторы 1-4, сумматор 5, компаратор 6, первый - пятнадцатый аналоговые ключи 7-21. Выход сумматора 5 через первый аналоговый ключ 7 соединен с входом первого интегратора 1, выход которого соединен с входом второго интегратора 2 через второй аналоговьй ключ 8 и с первым выходом анализатора через третий аналоговьй ключ 9. Первый вход сумматора 5 через четвертый аналоговый ключ gg ципиально необходимым, но повьшает 10 соединен с первым входом анализатора. Второй вход последнего через пятьй аналоговьй ключ 11 соединен с входом третьего интегратора 3, выход

точность вычисления коэффициента нелинейных искажений.

Особым является п-й подцикл, в котором вычисляются амплитуда и фаза

которого через шестой аналоговый ключ gg первой гармоники и коэффициент нелисоединен с вторым выходом анализато- нейцых искажений

ра. Входы начального значения интегрирования интеграторов 1-4 через соответственно седьмой - девятый и пят-

3470332

надцатый аналоговые ключи 13-15 и 21 и второй вход компаратора 6 соединены с общей шиной анализатора. Вход управления коэффициентом передачи сумматора 5 соединен с четвертым входом анализатора. Второй вход сумматора 5 через десятый аналоговый ключ 16 соединен с выходом второго интег10 ратора 2, через одиннадцатый аналоговый ключ 17 - с выходом четвертогОх интегратора 4 и через двенадцатый аналоговый ключ 18 с первым входом компаратора 6, Выход первого интегра15 тора через четырнадцатью аналоговый ключ 20 соединен с первым входом компаратора 6 и через тринадцатый аналоговый ключ 19 с входом четвертого интегратора 4. Входы управления

2Q коэффициентами интегрирования интеграторов 1 и 2 соединены с третьим входом анализатора.

Анализатор работает следующим образом.

2Е; Амплитуда и фаза п гармоник и коэффициент нелинейных искажений вычисляются за время цикла, который сострит из п подциклов.

В первом подцикле вычисляются ам30 плитуда и фаза п-й гармоники, во втором - амплитуда и фаза (п-1)-й

гармоники и величина в третьем

Л1;

+ и:ч

rn,n .n -l I

амплитуда и фаза (n-21-й

гармоники и в еличина , +U,J., 35 далее в (п-1)-м подцикле вычисляют- :я амплитуда и фаза второй гармоники

и величина

Г

и

к-2

т,К

И В п-м подцикяе

0

5

вычисляются амплитуда и фаза первой гармоники. Таким образом, в первых (n-l) подциклах алгоритм функционирования анализатора остается неизменным: в i-M подцикле (1 i п) вычисляются амплитуда и фаза (n-i+1)-й

гармоники и величина;

f

.ВычисK n-i + i

ление амплитуд гармоник по порядку от высших к низшим не является прин-

м

КНЦ

к

«W I

(2)

где М масштабный коэффициент по «ни . .„

коэффициенту нелинейных

искажений (В).

Рассмотрим работу анализатора в некотором i-M подцикле (1 i п). Такой подцикл состоит из пяти тактов различной длительности. Обозначение вида Oj в дальнейшем соответствует началу отсчета времени в J-M такте (1 J 5).

В первом такте на первом - тре- тЬем интеграторах 1-3 анализатора устанавливаются нулевые начальные ус- ловия, что достигается замыканием ключей 13-15 на время, достаточное для полного разряда конд енсаторов интеграторов. В первом такте первого подцикла, кроме этого, устанавливают- 20 ся нулевые начальные условия на четвертом интеграторе 4 (с помощью ключа 21).

Во втором такте вычисляются коэффициенты разложения входного сигнала 25 в ряд Фурье Кд и Ug, Для этого генератор синусно-косинусного напряжения переводится в режим вычисления коэффициентов ряда Фурье, При этом первьй 1 и второй 2 интеграторы и зо инвертор 5 соединяются замыканием ключей 7, 8 и 16 в кольцо, а входной сигнал и.„ (t) через замкнутый

7Л

С помощью интегратора 3 указанный временной интервал преобразуется в

15 пропорциональное ему напряжение

u(t )

и

в момент времени t получают

U,,(t ) а

и -г

иО

(3)

При настройке генератора в третьем такте на т-ю гармонику

U,,(f )

т-и„

2 л m

Ч М ч

(4)

Получают, что масштабный коэффициент по фазе

М

п

Т .и„

21i ш

Г В - раб J

(5)

В четвертом такте момент времени t определяется компаратором 6, сиг- ц нализирующим о его наступлении перепадом напряжения на выходе. Сигналом с выхода компаратора замыкаются ключи 9 и 12, а ключи 7, 8 и 11 размыкаются, переводя интеграторы в ре- 40 жим хранения. Напряжения U с выхода первого интегратора и с выхода, третьего интегратора переписываются в регистрирующее устройство.

В пятом такте вычисляется вепичи- J5 на, пропорциональная действукицему значению всех вычисленных высших гармоник. Генератор синусно-косинусного напряжения работает так же, как и в третьем такте, в режиме преобра- прохождении выходным напряжением вто- gg зования координат, но место второго рого интегратора через нуль от плюса интегратора в кольцо занимает четвертый интегратор.

В некоторый момент времени t, определяемый из системы

ключ 10 поступает на вход генератора синусно-косинусного напряжения. Если входной сигнал подается на вход генератора в течение одного периода входного напряжения Т, по окончании этого периода напряжения на выходах первого и второго интеграторов, численно равны амплитудам косинусной и синусной составляющих К-и гармоники входного сигнала;, т.е. коэффициентам Фурье и. . и и

в,к

В третьем такте в момент времени Т (от начала второго такта) входной аналоговый ключ 10 размыкается - генератор переходит в режим преобразования координат, В этом режиме при

к минусу (относительно общего вывода) в некоторый момент времени t напряжение на выходе первого интегратора равно амплитуде К-й гармоники, а временной интервал от начала такта до момента времени t пропорционален фазе -f К-й гармоники. Продолжитель- ность третьего такта - величина пе-

55

U..(f) О, d Ux, (t )

dt

0:

ременная, изменяющаяся в пределах где m - номер гармоники,

(

на которую настроен генератор синус- но-косинусного напряжения в третьем такте. Для увеличения быстродействия анализатора генератор обычно настраивают путем подачи соответствующего

кода Nj(, управляющего блоком цифровой управляемой проводимости, на третий вход анализатора.

С помощью интегратора 3 указанный временной интервал преобразуется в

пропорциональное ему напряжение

u(t )

и

в момент времени t получают

U,,(t ) а

и -г

иО

(3)

При настройке генератора в третьем такте на т-ю гармонику

т-и„

2 л m

Ч М ч

(4)

Получают, что масштабный коэффициент по фазе

Т .и„

21i ш

Г В - раб J

(5)

U..(f) О, d Ux, (t )

dt

0:

т.е. в момент времени t выходное напряжение первого интегратора переходит через нуль, меняя знак с минуса на плюс, напряжение на выходе четвертого интегратора равно

и .(t

/

и;. (OB)

Uz. (QS )

Определение момента t осуществля- ется компаратором 6, который подключается с помощью ключа 20 к выходу первого интегратора (ключ 18 разомкнут ). Выходное напряжение первого интегратора в начале пятого такта и(0 ) равно амплитуде вычисляемой К-й гармоники.

В первом подцикле (вычисляется п-я гармоника) интегратор 4 исходно обнулен (в первом такте)

U(OJ 0;

гч

и

Z4

(t) и (Oj) и.

5

0

НИИ анализатора. Первьй третий такты этого подцикла не имеют отличий в выполнении от предыдущих .подциклов - выполняются вычисление и выдача во внешние устройства амплитуды U, и фазы Ч первой гармоники. На первом

|т-

интеграторе к концу третьего такта хранится напряжение, равное амплиту- де первой гармоники U. В четвертом такте выполняется подготовка - устанавливаются нулевые начальные условия на третьем интеграторе 3.

Б пятом такте замыкаются ключи 11, 17-19, ключи; 7, 8, 10, 16 и 20 разомкнуты. При этом первый, третий и четвертый интеграторы образуют структуру множительно делительного устройства на основе развертывающих систем (2). Напряжение на выходе четвертого ин- тегратора в этом такте описывается вьфажением

Uz,(t)-Uz.(05bVUz.(05

. t

(6)

в момент времени t пятый такт и с ним весь подцикл заканчиваются. образом, на червертом интеграторе сохраняется значение амплитуды п-й гармоники.

Во втором подцикле к началу пято- . го такта на первом интеграторе находится значение амплитуды (п-1)-й гармоники, а на четвертом - сохраненное с предыдущего подцикла значение первой гармоники. Тогда по окончании пятого такта второго подцикла на выходе четвертого интегратора запоминается напряжение

/

и

+ и

в каждом новом подцикле напряжение на выходе четвертого интегратора век- торно суммируется с амплитудой, вычисляемой в этом подцикле гармоники. В (n-l)-M подцикле

u.,(t) f

и

гт,,к )

т.е. напряжение на выходе четвертого интегратора к концу пятого такта (n-l)-ro подцикла пропорционально действующему напряжению суммы высших гармоник со второй по п-ю включительно.

В п-м подцикле вычисляются амплитуда и фаза первой гармоники и собственно коэффициент нелинейных искажегде а - коэффициент передачи четвертого интегратора, с Таким образом,.начальное напряжение на четвертом интеграторе

г.О

h

Пи

описывается постоянным напряжением

и

m,l

С выхода первого интегратора, находящегося в режиме хранения, В момент времени t , в который

Uz,(t

- О

:7)

из (6) получают

U,JOJ

а

и,,(О,)

6 с учетом начальных значений

45

и.. (QS)

U,.(OJ - U

ь-. ,1

иц

к

1

гг., к

и

г-,-1,1

т,е. интервал от начала такта до мента t , определяемого из (7)э про- порщонален коэффициенту нелинейнйгх искажений,.

Указанный интервал преобразуется в этом же такте в напряжение третьим интегратором 3, который интегрирует опорное напряжение на интервалеЮ, t .

U,,() a, а X

и

и /-ПП

.,п «т к

-JfiJL: ivj

аи

6гг,|1

1347033. .8

интегральную величину, характеризую- (а)- щую весь периодический сигнал.

К

ни

Формула изобретения

О

Получают масштабный коэффициент по коэффициенту нелинейных искажений

MKH« lf -ЧВ момент t замыкается ключ 12, цередавая напряжение, пропорциональное Куу, на второй выход анализатора. Интегратор 3 в шестом такте находится в режиме хранения (ключи 11 и 15 ра- зомкнуты). Далее цикл вычислений повторяется сначала.

В таблице приведены операции, воспроизводимые анализатором,и состояния аналоговых ключей в каждом такте работы предлагаемого анализатора.

Анализатор вычисляет как амгашту- ду и фазу отдельных гармоник, так и коэффициент нелинейных искажений

Иодцикл/

1/1 1/2

Начальная установка интеграторов 1

n 1 ех() cos27rni.dt,

5

Формула изобретения

О

Анализатор гармоник по авт, ев, Р 815669, отличающийся тем, что, с целью расширения функцио0 нальных возможностей анализатора, в него дополнительно введены четвертьй интегратор, десятый пятнадцатый аналоговые ключи, причем второй вход сумматора через десятьй аналоговый ключ соединен с выходом второго интегратора, через одиннадцатый аналоговый ключ с выходом четвертого интегратора и через двенадцатый аналоговый ключ - с первым входом компа-

0 ратора, выход первого интегратора через четьфнадцатый аналоговьш ключ соединен с первым входом компаратора и через тринадцатый аналоговый ключ - с входом четвертого интегратора, вход

5 начального значения интегрирования которого через пятнадцатый аналоговый ключ соединен с общей шиной анализатора.

40 О 00 13,14,15,

21

UA Ug О О 7,8,10,16

Ц

. t

ei f f U«, (t)sin

i/3

и . Уи/, + и -.

tnt. 6,1

U M farctg

Запись U,; U,

Ц,..,., -tu

f -K

К И-и1

Начальная установка интеграторов 1-3

м 1 вх ()cos 2li|dt;

.i I Г x 2 I dt

u.,R;;

+ U,

6,1

Uf

U M arctg (j + mJi

0,1

Начальная установка интегратора 3

кни кни и

и„д

m, l

Запись и„

Составитель В, Смолин Редактор И, Горная Техред и.Попович Корректор Л, Пилипенко

Заказ 5117/44Тираж 729Подписное

ВНИИ1Ш Государственного комитета СССР

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

Производственно полиг рафическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

. t

i

и . О и„. и .7,8,11, ,, n- ,J8

и О и и 9,12

Ж,4,1

О О V, 7И7, 9 20

000 и 13,14,15 UA,I % О и„, 7,8,10,16

и О и и 7,8,1I, 16,18

и О

«,1

о и 15

и,2

о

и О 11,17,18.

кни 5

19

и-.,. О

и О 12

КНЕЛ

Изобретение относится к электроизмерительной и аналого-цифровой вычислительной технике и предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала, а также коэффициента нелинейных искажений сигналов и устройств. Анализатор гармоник содержит интеграторы 1-4, сумматор 5, компаратор 6, аналоговые ключи 7-21. Изобретение расширяет функциональные возможности анализатора путем дополнительного вычисления коэффициента нелинейных искажений электрического сигнала К Т ни . к/ где и , и и - действующие значения первой и высших (К , 2) гармоник соответственно. 1 кл., 1 табл. .L х 10. :f