Способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов Советский патент 1990 года по МПК G01R23/16 

315539

Для параллельного спектрального анализа электрического сигнала, описываемого выражением

U8xU)itVmi. sin(w, t + f.), (1) 5

где i 1,2,3,...,n, используют N параллельно соединенных по входу полосовых фильтров с полосой пропускания 10 2й$1., отвечающей условию 2д$1/и ; const. При этом центральные частоты полосовых фильтров устанавливают равными выбранным значениям частот спектральных составляющих, т.е. о,, uij,. . . 15 . .., ui, ,... ,WN. В результате воздействия внешних дестабилизирующих факторов изменяются центральные частоты полосовых фильтров и их коэффициенты передачи, и для i-ro полосового филь-20 тра, они приняли соответственно значения w| и k, вместо и){я k{.

Согласно предложенному способу параллельного спектрального анализа формируют тестовые сигналы

ин,, , 2 )eVme.sin(toe,t-(fe.)f (3)

25

сетки парных частот tus( снимет ричных относительно центральной частоты о), полосовых фильтров, т.е. удовлетворяющих условию

Юг (wHi + U)ei )/2. (4)

При этом парные частоты WH|- и we) тестовых сигналов имеют определенную для каждого i-го полосового фильтра разность частот

(5)

.301

35

40

dW, CJe( -WHJ .

Частоты и tj ei тестовых парных сигналов выбирают за пределами полосы пропускания45

2&SL- (.+лЛ;)-(.-дЯ;), (6).

установленной на уровне 0,707 относительно центральной частоты со.исходя из ослабления амплитуд этих сигналов 50 на 30-40 дБ, т.е.

,- +дЯ; ;(7)

- а И г.(8)

/При этом разность 1-х парных частот,55 (7) иХ8) превышает полосу пропускания 1-го фильтра

. (9;

154

На частотах (/) и (.8) амплитуда входного сигнала i-rro полосового фильтра должна ослабляться на 30- 40 дБ по сравнению с амплитудой сигнала на центральной частоте tof полосового фильтра. Это условие обеспечивает правильный выбор тестовых сигналов сетки парных частот.

Ослабляют тестовые сигналы (2) и (3) до уровня анализируемого сигнала (1). В частности, например, тестовые сигналы (2) и (3) ослабляют до тех пор, пока их не превысит действующее значение входного сигнала, т.е.

(10)

VH,- - VmH4.k0 Ј V8X;

Vft;

V.

(11)

ei v шв; Л0. vex

где kc - коэффициент ослабления i-x тестовых сигналов (k0 U, одинаковый для боковых частот WB; И Ы„; J

VBX - амплитудное значение входного сигнала;

VK; и

v

Bi - амплитудные значения i-й пары ослабленных тестовых сигналов .

Суммируют исследуемый и ослабленные тестовые сигналы

U (t)U6x(t)(t)+UBi(t);k0.

(12)

Суммарные сигналы (12) пропускают через полосовые фильтры. В результате на выходах полосовых фильтров получают электрические сигналы

и,{,,-и) Vmi sin(cJ;t +if, ±dtf. ) + + ViM sindJmt + с/и1 + u4Hi) + + Vie sin( - tf&. т ), (13)

где ±d«Јj t t/и; 5 ALfei Фазовые сдвиги, вносимые настроенным i-м полосовым фильтром, на частотах о/, , w и и) 8j соответственно;

V(m; k i Vmj - амплитудное значение спектральной составляющей рошедшей через i-й полосовой фильтр;

VJH k ,-ke VMH), k f-k0x Vmu-, - амплитудные значения тестовых сигналов, прошедших через i-й полосовой фильтр.

Выходные сигналы (13) полосовых фильтров синхронно детектируют с использованием в качестве опорных тестовых сигналов каждой пары частот WH;H tJei- в отдельности. При применении релейных синхронных детекторов в качестве опорных сигналов могут быть ис515539

пользованы, например, сигналы типа меандр с единичной амплитудой, основными частотами WH, и ыв; i-й пары и начальными фазовыми сдвигами о c/Hi и АУЬ. . Последнее обусловлено тем, что соглас- но предложенному способу опорные сигналы парных частот WB; дополнительно сдвигают по фазе относительно соответствующих по частоте тесто- .Q вых сигналов на значения ±uitH-, и t д с ;фазового сдвига, вносимого настроенным i-м полосовым фильтром.

Полученные опорные сигналы описываются выражениями:

1

i . ,„ .

u«- (t) if

+ if«j ± 14

20

(t I I, Sin(2m-1)

Oe; t - - лад

(15)

В результате синхронного детектирования сигнала (13) с использованием опорных сигналов (14) и (15) получают сигналы

V.; Т- S u,)-u,Hi(t)dt

-k0-k,- k i VmHi

i.«(16)

т; S u,1(t -uoei(t)dt

LB to

WO vrofto k;-vmBi,

(17)

„; и Cg-, - постоянные времени

фильтров нижних частот;40kf - коэффициент передачи синхронного детектора;

-k, k , - коэффициент пропорциональности, пропор- д циональный амплитудным значениям тестовых сигналов и коэффициентам передачи k0,k1

50

и k ,.

Определяют разность и полусумму продетектированных сигналов парных частот

уд ; V V Ktv-n - vm.,);

V7,- 0,5CVb+V,,)K(V fVm&i)/2.

O9)

156

Разностным напряжением (18) подстраивают центральную частоту соот- ветствуклдего полосового фильтра до момента равенства нулю разностного напряжения, т.е. до значения V . О

или

V V ttiHivwBi

(20J

0

5

0

5

0

0

5

При КОТОРОМ (А) . Ш

Равенство (20) устанавливается при симметричном расположении значений парных частот wHl- и u.)Bi на частотной оси относительно центральной частоты ш-, равной полусумме парных частот.

выделение разностного сигнала (18),, содержащего информацию о величине и знаке разности амплитуд тестовых сигналов в зависимости от величины и знака расстройки полосового фильтра, обеспечивает подстройку центральной частоты и), соответствующего полосового фильтра до номинального значения Uj. Исключение влияния фазового сдвига, вносимого расстройкой полосового фильтра по тестовому сигналу, повышает точность подстройки центральной частоты. Это позволяет выбирать частоты тестовых сигналов вдали от полосы пропускания, что повышает помехозащищенность по основному анализируемому сигналу.

Согласно предложенному способу полученный сигнал (19) ослабляют в число раз, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала, т.е. в 2N ei 2S-VmH;pa3, где - крутизна преобразования, равная, например, единице. Поскольку при равенстве (20) коэффициенты передачи k Hi и k ft; на частотах WMJH и fli равны, т.е. k Hl- k 6; k ( , то получают сигнал

VVi V2i/2Nci K-VmHi/2Noi v - - SV,

(21)

где k k 0 k,/SLB - коэффициент пропорциональности.

Вычитают полученный сигнал (21) из сигнала

Vo; k, k ,(22)

где ka k0k,/S - коэффициент пропорциональности, равный приведенному выше значению , пропорциональному нормированному коэффициенту передачи k 1-го подстраиваемого полосового фильтра:

jLLJLJ- k k ч кгК;

v

/я

V0i - VKi k2(ks - k). ()

15

Полученным разностным сигналом (23) изменяют коэффициент передачи i-ro полосового фильтра (путем изменения, например, коэффициента усиления активного фильтра или изменением Сопротивления резисторов пассивного фильтра) до равенства нулю этого сиг Нала, т.е. до V д 5 0 или

kt(kt - kp - 0.(24)

Равенство (24) достигается при Ц , e k(-, т.е. при установлении коэф- ф циента передачи 1-го полосового фильтра, измененного под действием внешних дестабилизирующих факторов, равным номинальному значению k;.

Если бы при синхронном детектиро- йании использовались опорные сигналы не сдвинутые по- фазе, то были бы полу чены продектированные сигналы

v, } К VmM,. cosdifHi;

V-ji К V mei cos /J(fe,

г)де ДЧц и &4ui Дополнительные фа- зовые сдвиги, вносимые полосовым фильтром.

Полусумма

v - o,s(v; -- v;;)

0,, создч &1+Ґтн;создч н и разность

Mi

V - Vl; cos (- V

мм i

СОЈШ„, J

продетектированных сигналов в этом с пучае содержит погрешность, обусловленную значениями фазовых сдвигов и tfji и ДЦ й вносимых настроенными по- л совыми фильтрами в суммарные сигна- л|л вида (12). В результате при под- стройке разностным напряжением V . центральной частоты соответствующего полосового фильтра возникает погрешность подстройки, зависящая от значений и t/ei и и i/Hj. Аналогично возникает погрешность подстройки коэффициента передачи 1-го полосового фильтра при использовании напряжения V . . Введение в опорные сигналы парных частот WH; и дополнительных фазовых сдвигов л .и a if e обеспечивает исключение погрешностей подстройки центральных, частот и коэффициентов передачи полосовых фильтров. Действительно, при синхронном детектировании : сигналов вида (13) с использованием опорных сигналов (14) и (15)

cos«f Lf6 cosdji/gj- gj) О

8

0

5

п

5

0

5 40 45 50 5

, - itfH. ) 0.

Тогда настройка центральной частоты полосового фильтра осуществляется разностным напряжением

KtVmeicos«fipe- VmH cos(AfH

K(vme, - vmHi) -v;f,

т.е. равным напряжению (1Ь).

При настроенном полосовом фильтре

тн,

V№B, V, , напряжение V. с

ч гч ... i, i R-

i ieTOM того, что cos cos и О, записывается в виде:

Vs; 0,5K(VhHi+ Vmfl, ) K-VmH; K-Vmel K-V, .

Этим напряжением осуществляется подстройка коэффициента передачи соответствующего полосового фильтра. Причем управляющее напряжение не содержит погрешностей, зависящих от иWe; и АЧ что обеспечивает высокоточную подстройку коэффициента передачи.

Анализатор спектра параллельного действия содержит широкополосный усилитель 1, сумматоры 2-4, суммирующие усилители 5-7 с регулируемым коэффициентом передачи, генератор 8 сетки парных частот, полосовые фильтры 9-11 первого, 1-го и N-ro параллельных каналов, формирователи 12-14 управляющих сигналов, амплитудные детекторы 15-17, электронный коммутатор 18, счетчик 19 импульсов и цифровой осциллограф или регистратор 20.

Полосовые фильтры 9-11 имеют два контура регулирования - по центральной частоте и по коэффициенту передачи.

Анализатор спектра параллельного действия работает следующим образом. Анализируемый сигнал (1) поступает на вход широкополосного усилителя 1, где усиливается до требуемого уровня . С выхода широкополосного усилителя анализируемый сигнал поступает на объединенные первые входы сумматоров 2-4. На вторые входы сумматоров 2-4 поступают тестовые сигналы с частотами изн; и Wei- Последние формируются с помощью генератора 8 сетки парных частот. Генератор 8 выдает сигнал как синусоидальной, так и прямоугольной формы с основными частотами WH, и w fl; для каждой i-й пары.

Для формирования 1-го парного тестового сигнала выходные синусоидальные сигналы (2) и (3) генератора 8 попарно суммируют с помощью суммирующего 1-го усилителя 6. Подбором коэффициентов передачи k0 усилителей 5-7- устанавливают требуемые значения тестовых сигналов, поступающих на вторые входы сумматоров 2,3 и 4 соответствен но. С выходов сумматоров 2-4 сигналы вида (12) поступают на входы пвлосо- вых фильтров 9-11 соответственно. При этом центральные частоты полосовых фильтров 9-11 соответствуют выбранным значениям частот спектральных составляющих. Полоса пропускания полосовых фильтров на уровне 0,707 определяется выражением (6).

В результате фильтрации на выходах полосовых фильтров 9-11 появляются сигналы вида (13), которые поступают на входы амплитудных детекторов 5- 17, а также на первые сигнальные входы формирователей 12-14 управляющих сигналов полосовых фильтров.

Подстройка центральной частоты и коэффициента передачи 1-го полосового фильтра осуществляется до равенства нулю разностных сигналов (18) и (23).

Выходные сигналы подстроенных полосовых фильтров детектируются с помощью амплитудных детекторов 15-17. В результате на входы электронного коммутатора 18 поступают сигналы, равные амплитудным значениям спектральных составляющих анализируемого сигнала (1). Эти сигналы через электронный ком- - мутатор поступают на вход цифрового осциллографа 20 (или регистратора).

Переключение электронного коммутатора 18 осуществляется с помощью счет1 чика импульсов 19, управляемого выходными низкочастотными импульсами генератора 8. Синхронизация развертки цифрового осциллографа 20 осуществляется передним фронтом выходного импульса младшего разряда счетчика 19

Предложенный способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов характеризуется повышенной точностью анализа. Это достигается

5

0

5

0

5

0

5

0

за счет дополнительной стабилизации, коэффициента передачи фильтра наряду со стабилизацией его центральной частоты. При этом исключается влияние фазовых сдвигов, вносимых настроенным полосовым фильтром на частотах тестовых сигналов. Кроме того, исключается неизбежная нестабильность амплитуд тестовых сигналов.

Исключение влияния фазового сдвига повышает точность подстройки центральной частоты. Это позволяет выбирать частоты тестовых сигналов вне полосы пропускания, что повышает помехозащищенность по основному анализируемому сигналу.

Стабилизация коэффициентов передач полосовых фильтров, наряду со стабилизацией центральных частот повышает точность спектрального анализа.

Предложенный способ обеспечивает исключение погрешностей, обусловленных временной и температурной нестабильностью характеристик полосовых фильтров.

Формула изобретения

Способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов по авт.св. № 1471147, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, предварительно до получения результатов спектрального анализа опорные сигналы парных частот дополнительно сдвигают по фазе относительно соответствующих тестовых сигналов на значения фазовых сдвигов, вносимых настроенным полосовым фильтром, суммируют продетектированные сигналы парных частот, полученный сигнал ослабляют в число раз, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала, вычитают полученный сигнал из сигнала, пропорционального нормированному коэффициенту передачи настроенного полосового фильтра, и полученным разностным сигналом изменяют его коэффициент передачи до равенства этого сигнала нулю.

Изобретение относится к спектроскопии. Целью изобретения является повышение точности анализа путем стабилизации параметров полосовых фильтров. Способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов основан на том, что предварительно, до получения результатов спектрального анализа, опорные сигналы парных частот дополнительно сдвигают по фазе относительно соответствующих тестовых сигналов на значения фазовых сдвигов, вносимых настроенным полосовым фильтром. Суммируют продетектированные сигналы парных частот. Полученный сигнал ослабляют в число раз, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала. Вычитают полученный сигнал из сигнала, пропорционального нормированному коэффициенту передачи подстраиваемого полосового фильтра. Полученным разностным сигналом изменяют его коэффициент передачи до равенства нулю этого сигнала. 1 ил.