Анализатор комплексного спектра периодических напряжений Советский патент 1988 года по МПК G01R23/16 

оо

СХ)

оо o

00

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и позволяет расширить динамический диапазон анализатора. Устройство содержит входной блок 1, усилитель 3, цифро- аналоговый преобразователь 4, синхронный детектор 5, индикатор. 6, блок 7 формирования опорного напряжения, блок 8 .формирования адресов, постоянное запоминающее устройство 9 и интегратор 14. Введение блока 2 вычитания, блока 11 формирования адресов, постоянного запоминающего устройства 12, цифроаналогового преобразователя 13 и образование новых функциональных связей обеспечивает автоматическую компенсацию максимальной мешающей гармоники входного периодического напряжения. 2 ил. Ф (Л

Фиг.1

1 13

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к области создания анализаторов комплексного спектра с широким динамическим диапазоном.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона измерения путем автоматической компенсации максимальной мешающей гармоники входно- го периодического напряжения.

На фиг,1 представлена функциональная схема предлагаемого анализатора комплексного спектра периодических напряжений; на фиг.2 - эпюры напряжений, демонстрирующие достижение положительного эффекта предлагаемого анализатора..

Анализатор комплексного спектра периодических напряжений содержит последовательно включенные входной блок 1, вход которого связан с входной шиной, блок 2 вычитания, усилитель 3, первБш цифроаналоговый (ЦАП) преобразователь 4, первый синхронный детектор 5 и индикатор 6, кроме того блок 7 формирования опорного напоя- жения, вход которого подключен к шин входного опорного напряжения, первый выход связан с управляющим входом первого синхронного детектора 5, второй выход через последовательно соединенные первый блок 8 формирования адресов и первое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 9 подключен к кодовым входам первого ЦАП 4, третий выход соединен с управляющим входом второго синхронного детектора 10 и четвертый выход через последовательно включенные второй блок 11 формирования адресов и второе ПЗУ 12 соединен с кодовыми входами второго ЦАП 13, выход усилителя 3 через последовательно соединенные второй синхронный детектор 10, интегратор 14 и второй ЦАП 13 подключен к второму блоку 2 вычитания.

Анализатор работает следующим об- разом.

Исследуемый входной сигнал U(t) через входной блок 1, блок 2 вычита- ния, усилитель 3 и ЦАП 4 поступает на вход первого синхронного детектора 5. Опорное напряжение Uon(t) с частотой первой гармоники ы иссле- дуемого периодического напряжения U(t) поступает на вход блока 7 формирования опорного напряжения, который вырабатывает прямоугольное опор-

Q

5

0 5 0

5

0

5

82

ное напряжение с частотой исследуемой спектральной составляющей и регулируемой относительно входного опорного сигнала фазой, служащее для управления первым синхронным детекто- ром 5. По второму выходу блок 7 формирования вырабатывает синхронизированные высокочастотные тактовые им- пульсы, которые подаются на вход блока 8 формирования адресов. Под действием тактовых,импульсов формирователь 8 адресов вырабатывает п-разрядные коды, осуществляющие опрос матрицы блока 9. В соответствии с записайной программой блок 9 формирует коды, управляющие п-разрядным преобразователем 4. Под действием этих кодов осуществляется переключение ключей разрядов преобразователя 4 в соответствии с записанной в блок 9 программой. ЦАП 4 в анализаторе служит прежде всего для формирования требуемой ве совой функции перемножения, которая позволяет устранить влияние высших нечетных гармоник входного напряжения. Например, ступенчатая аппроксимация гармонической весовой функции синтезируется путем изменения коэф- передачи блока 4 по гармоническому закону в течение полупериода исследуемой гармоники и последующего синхронного детектирования в блоке 5.

Блок 7 формирования вырабатывает также прямоугольное опорное напряжение для управления вторым синхронным детектором 10 и еще одну последовательность синхронизированных высокочастотных тактовых импульсов, которые через четвертый выход подаются на вход формирователя 11 адресов, В результате последний вырабатывает коды опроса матрицы ПЗУ 12, которое в соответствии с записанной программой формирует коды, управляющие вторым ЦАП 13.

Процесс измерения спектральных составляющих происходит следующим образом. Устанавливается частота выходного опорного сигнала формирователя 7 по.первому выходу, равная частоте первой гармоники входного сигнала. Плавным изменением фазы оЛорного напряжения устанавливают нулевое показание индикатора 6 на возможно бо- . лее чувствительной шкале. Данная установка свидетельствует о том,что напряжение первой гармоники входного сигнала, напряжение опорного сигнала

и напряжение опорного колебания находятся в строгой квадратуре, т.е. сдвинуты по фазе на 90. Затем фазу опорного напряжения изменяют точно на 90° и снимают показание индикатора 6, соответствующее модулю первой гармоники исследуемого сигнала. Ее фазовый сдвиг относительно опорного напряжения соответствует показанию градуированного фазовращателя блока 7, Если фазовращатель не градуирован, то, установив нулевую или заранее известную фазу между входным опорным напряжением и напряжением, управляющим детектором 5, определяют фазу первой гармоники входного сигнала, используя результаты вычисления по формуле

I Us 41 arctg --

1 - с где Ug и Uc - результаты измерения

квадратурных составляющих гармоники.

. Прямоугольное опорное напряжение с частотой, равной частоте, наибольшей по уровню высшей гармоники исследуемого периодического сигнала,например, второй и третьей (информация о номере максимальной компоненты имеется обычно априорно), через третий выход блока 7 подаются на управляющий вход второго синхронного детектора 10. Вследствие этого на его выходе появляется напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна амплитуде и косинусу фазы компоненты подлежащей подавлению. После низкочастотной фильтрации и усиления по постоянному току в блоке 14 это напряжение подается на опорный вход ЦАП 13. Высокочастотные тактовые импульсы через четвертый выход блока 7 и формирователь 11 адресов поступают на входы ПЗУ 12 в виде цифровых кодов опроса. В матрице блока 12 записаны коды гармонической функции, поэтому на выходе преобразователя 13 появляется квазигармонический сигнал с частотой подаваемой компоненты, который поступает на второй вход блока 1 и вычитается из входного исследуемого сигнала. Замкнутая цепь авторегули- . рования, образованная блоками 2-3-1014-13т2, в стационарном режиме вырабатывает компенсирующий сигнал на выходе преобразователя 13 с такой амплитудой М 1, что

5

0

5

0

5

0

5

MnCosi n,

где Мп и if - амплитуда и фаза давляемой компоненты.

Таким образом, на выходе усилителя 3 напряжение подавляемой высшей гармоники тем меньше, чем ближе (j к нулю, (180°). При Ч ,-90 (270°) фаза вырабатываемого компенсирующего напряжения изменяется на t 90°.

Однако максимальный положительный эффект в расширении динамического диапазона достигается при анализе высших гармонических компонент, так как амплитуда первой, мешающей в данном случае, гармоники реальных периодических сигналов, как правило, много больше амплитуд их высших гармоник, кроме того, первая гармоника входного исследуемого сигнала подавляется полностью потому, что фазовый сдв1-сг между первой гармоникой U(t) и опорными напряжениями детекторов 5 и 10 устанавливается с помощью индикатора 6 точно равным нулю.

Итак, на выходе усилителя 3 появляется исследуемый сигнал без первой, максимальной мешающей гармоники. Следовательно, динамический диапазон анализатора увеличивается во столько раз, во сколько раз амплитуда первой гармоники больше-максимальной амплитуды высшей гармоники. Частота выходного опорного сигнала блока 7, управляющего синхронным детектором 5, устанавливается равной частоте исследуемой спектральной составляющей. Снимается показание на индикаторе 6. Затем устанавливается фазовый сдвиг в формирователе 7, равный 90 , и опять снимается показание на индикаторе 6.

После измерения двух ортогональных составляющих исследуемой гармоники определяется ее амплитуда и фаза относительно первой гармоники по известным формулам

50

М (и| +и ,

4 arctg

Эпюры напряжений, иллюстрирующие достижение положительного эффекта, представлены на фиг.2 (выходное нап- ряжение ЦАП изображено сплошной линией, штриховой линией показан вариант формы компенсирующего напряжения) , Такое напряжение позволяет

513

полностью устранить из входного сигнала первую гармонику и привнести во входной сигнал высшие гармоники, начиная лишь с одиннадцатой, т.е. позволяет в максимальном динамическом диапазоне измерять амплитуды и фазы первых десяти высших гармоник исследуемого сигнала. Для измерения большего числа высших гармоник в расши- ренном динамическом диапазоне необходимо усложнить компенсирующий сигнал.

Таким образом, предлагаемый анализатор комплексного спектра периоди- ческих напряжений обладает расширенным динамическим диапазоном за счет предварительного автоматического подавления максимальной гармонической помехи.

Формула изобретения

Анализатор комплексного спектра периодических напряжений, содержащий входной блок, вход KOTOpol o соединен с входной шиной, последовательно включенные усилитель, первый цифро- аналоговый преобразователь, первый синхронный детектор и индикатор, а также блок формирования опорного напряжения, вход которого подк лючен к шине- входного опорного напряжения.

ХхвЛяи авриоЛнвеяв

мггммпмг UfO

Амфдю

нсаг/мюяепвв

цлаШявкИ)

Ли/90УБМРМИ

моете

tSAlUt})

ВНИИПИ Заказ .1290/41

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

г

0

5

0

86

первый выход связан с управляющим входом первого синхронного детектора, а второй выход через последовательно соединенные первый блок формирования адресов и первое постоянное запоминат ющее устройство подключен к кодовым входам первого цифроаналогового преобразователя, отличающий- с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерения, введены блок вычитания, второй синхронный детектор, второй блок формирования адресов, второе постоянное запоминающее устройство, второй циф- роаналоговый преобразователь и интегратор, причем первый вход блока вычитания соединен с выходом входного блока, а выход подключен к входу усилителя, выход которого через после- довательно соединенные второй синхронный детектор, второй интегратор и второй цифроаналоговый преобразователь связан с вторым входом блока .вычитания, третий выход блока формирования опорного напряжения связан с управляющим входом второго синхронного детектора, а четвертый через последовательно соединенные второй блок формирования адресов и второе постоянное запоминающее устройство - с кодовыми входами второго цифроаналогового преобразователя.

Ф«д/

Тираж 772 Подписное