Амплитудно-фазовый анализатор гармоник периодических сигналов Советский патент 1988 года по МПК G01R23/16 

со 00

О5

со

00

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области создания анализаторов комплексного спектра периодических сигналов и устройств для выполнения преобразования Фурье, детерминированных и слу чайных сигналов в реальном масштабе времени.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого амплитудно-фазового анализатора гармоник периодических сигналов; ла фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие механизм определения среднего значения разностного напряжения; на фиг.З - пример использования дискретных отсчетов входного сигнала для определения действительной и мнимой составляющих высшей гармоники входного периодического сигнала; на фиг.4- пример конкретной реализации аналогового блока вычитания и усиления.

Амплитудно-фазовый анализатор гармоник периодических сигналов содержит входной блок 1, блок 2 управления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, первый 4 и второй 5 блоки перемножения, первый 6 и второй 7 накапливающие сумматоры, шифратор 8, цифроаналоговый преобразователь ДАЛ 9, аналоговый блок 10 вычитания и усиления, компаратор 11 напряжения, источник 12 шумового напряжения, логическую схему И 13, счетчик 14 и сумматор 15, причем выход входного блока 1 соединен с информационным входом АЦП 3, первым входом аналогового блока 10 вычитания и усиления и входом блока 2 управления, первый выход которого подключен к тактовому входу АЦП 3, второй - через шифратор 8 к первым входам первого 4 и второго 5 блоков перемножения, а третий - к одному из входов логической схемы И 13, выход блока 10 вычитания и усиления через последовательно соединенные компаратор 11, второй вход которого подключен к выходу источника 12 шумового напряжения, логическую схему И 13, счетчик 14 и сумматор 15 соединен с вторыми входами первого 4 и второго 5 блоков перемножения, выходы которых связаны с входами соответственно первого 6 и второго 7 накапливающих сумматоров, информационный

выход АЦЦ 3 соединен с вторым входом сумматора 15 и кодовым входом ЦАП 9, выход которого подключен к второму входу аналогового блока 10 вычитания и -усиления.

Анализатор работает следующим образом.

Исследуемый периодический сигнал . через входной блок 1 поступает на информационный вход АЦП 3 и на вход блока 2 управления, который задает моменты дискретизаи,ии входного сигнала x(t) с шагом tp путем формирования последовательности тактовых импульсов. Тактовые импульсы с первого вькода блока 2 поступают на тактовый вход АЦП 3, на информационном выходе которого по истечении цикла преобразования tg формирую:ся цифровые отсчеты входного сигнала x(t). Им- .пульсы с второго выхода блока 2 через первые входы вводят в блоки 4 и 5 перемножения с шифратора 8 коды нормированных гармоник соответственно:

30

, (i-0,5) t ; Cos o, (i-0,5)t ,

(1)

5

0

5

0

где- - номер измеряемой гармоники; со, - круговая частота первой

гармоники входного периодического сигнала x(t) ; i - номер отсчета ,1. Цифровые коды входного сигнала с выхода АЦЦ 3 поступают на кодовьш вход ЦАП 9, на выходе которого появляется аналоговый уровень напряжения, соответствующий такому цифровому коду, который меньше на единицу младшего значения разряда данного цифрового отсчета входного сигнала x(t) . Это напряжение y(i) поступает на второй вход аналогового блока 10 вычитания и усиления, на первый вход которого с выхода входного блока 1 поступает исследуемый сигнал x(t). Таким образом, на вь1ходе блока 10 формируется разностньш сигнал следующего вида

Ц(с)(г)-у(1) ,

(2)

где К - коэффициент усиления блока 10. Сущность дальнейшей обработки этого сигнала с помощью блоков 11-14 сводится к определению его среднего значения в течение цикла преобразователя входного сигнала t,.Механизмы опрделения среднего значения поясняются фиг. 2. Усиленный разностный сигнал и(t) подается на первый вход компаратора 11 напряжений, на второй вход которого поступает сигнал ) с выхода источника 12 шумового напряжения. Этот сигнал LJ (t) представляет собой случайный процесс, равномерно распределенный в диапазоне напряжений от О до 2 а К, где а - значение младшего значащего разряди АЦП 3 (на фиг. 2U(t) для наглядности представлен в виде треугольного напряжения, которое является хорошей моделью равномерно распределенного процесса) .

На выходе компаратора 11 появляются импульсы,, длительность которых зависит от длительности пребывания большего потенциала на его первом входе по сравнению с потенциалом на втором входе. Эти импульсы поступают на первбш вход логической схемы И 13 на второй вход которой поступают импульсы заполнения с третьего выхода блока 2. Схема И 13 выполняет функцию вентиля, который управляется импульсами с выхода компаратора 11 напряжений. Во время, когда на выходе компаратора действует высокий потенциал, импульсы заполнения проходят через вентиль и поступают на вход счетчика 14. После окончания цикла на выходе счетчика появляется код, соответствующий среднему значению разностного напряжения U(t) . Этот цифровой код суммируется в сумматоре 15 с цифровым отсчетом входного сигнала x(t) и поступает на вторые входы блоков 4 и 5 перемножения. С выходов блоков 4 и 5 перемножения коды произведений суммируются с учетом знака в накапливающий сумматорах .6 и 7. В результате цифровой обработки I значений входного периодического сигнала x(t) в сумматорах 6 и 7 будут зафиксированы коды квадратурных составляющих исследуемой гармоники.

При измерении среднего значения напряжения U(t) на интервале t здес используется метод Монте-Карло. Блок управления представляет собой умножитель частоты, который вырабатывает последовательность импульсов заполнения, число которых на промежутке времени tp равно , 1000, 10000

0

5

0

5

либо 100000, и т.д. Поэтому число N,, зафиксированное в счетчике 14 после окончания цикла, равно среднему значению напряжения U(t) на интервале tg С погрешностью, которая определяется значением параметров М и N (фиг. 2). Зависимость погрешности определения среднего значения гладких функций от параметра М. Полученная геометрическим путем, представлена на фиг. 2, откуда, например, следует, что при и погрешность определения среднего значения U(t) не превышает 1%, а цифровой отсчет входного сигнала x(t) на выходе сумматора 15 будет на два десятичных знака точнее. Данный цифровой код в блоках 4 и 5 перемножения перемножается с кодами ортогональных весовых функций (1), как показано на фиг. 3, где qi - фазовый сдвиг исследуемой гармоники относительно весовых функций. После определения квадратурных составляющих исследуемой гармоники Z и Z могут быть найдены ее модуль

30

z,4(z

+ (z)

5

0

5

0

5

и фазовьш сдвиг

Z. y arctg jf- .

Повышение разрешающей способности предлагаемого анализатора достигается благодаря тому, что, так как пе- риод даже верхней исследуемой гармоники , значение x(t) на интервале Сд изменяется плавно и мгновенное значение x(t) в середине отрезка to весьма близко к его среднему значению на этом отрезке, которое может быть измерено с высокой степенью точности путем увеличения значения параметров М и N. В качестве источника шумового напряжения с равномерным законом распределения выходного процесса может быть использован независимый автогенератор треугольной волны.

Таким образом, предлагаемый анализатор обладает повышенной разрешающей способностью по сравнению с известным.

Формула изобретения

Амплитудно-фазовый анализатор гармоник периодических сигналов, содержащий входной блок, к выходу которого подключены вход блока управления и информационный вход аналого-цифрового преобразователя, первый и второй блоки перемножения, выходы :которых подключены к входам соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами анализатора, первый выход блока управления соединен с тактовым Входом аналого-цифрового преобразователя, а второй - через шифратор с первыми входами первого и второго блоков перемножения, отличаю- 1ц и и с я тем, что, с целью повы- (пения разрешающей способности, вве- з;ены цифр о аналоговый преобразователь аналоговый блок вычитания и усиления омпаратор напряжения, источник шу- Мового напряжения, логическая схема И, счетчик, сумматор, причем выход входного блока через последовательно соединенные аналоговый блок вычитания и усиления, компаратор напряжений, второй вход которого связа с выходом источника шумового напряжения, логическую схему И, второй вход которой подключен к третьему выходу блока управления, счетчика и сумматор, второй вход которого подключен к информационному выходу аналого-цифрового .преобразователя, соединен с вторыми входами первого и второго блоков перемножения, кодовый вход цифроаналогового преобразователя подключен к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, а выход - к второму входу аналогового блока вычитгния и усиления.

Изобретение относится к области измерительной техники и позволяет повысить разрешающую способность анализатора. Анализатор содержит входной блок 1, блок 2 управления, аналого- цифровой преобразователь 3, блоки 4 и.. 5 перемножения, накапливающие сумматоры 6 и 7 и шифратор 8. В анализатор введены цифроаналоговый преобразователь 9, аналоговый блок 10 вычитания и усиления, компаратор 11 напряжения, источник 12 шумового на-. пряжения, логическая схема И 13, счетчик 14 и сумматор 15. При этом период даже верхней исследуемой гармоники , где t - шаг входного сигнала x(t). Значение x(t) на интервале t изменяется плавно, мгновенное значение x(t) в середине отрезка t весьма близко к его среднему значению на этом отрезке и может быть измерено с высокой степенью точности. 4 ил. S (Л

tuoBmf напрятения иднпаратора олон ft

f-- fo-ff iзак utt Hoi - aan

n m n rn i-}гп j

SaoHot

ЯыхоЗнл№ ампуйьеы a,

Saffueutfoeff y.

notftfiftoetmia

Ofuimtfttwi,

efMovfim , tte&wx 9yfntLitti/ t

«n utavfHtfu.f

9 9

/3

Фиги

/С 3-му ыл.оду

MOHOCZ