Измеритель нелинейных искажений Советский патент 1991 года по МПК G01R23/20 

о

Јь

ND О О

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании измерителей нелинейных искажений, работающих в широком частотном диапазоне. Цель изобретения - повышение точности измерения коэффициента нелинейных искажений - достигается введением управляемого инвертора 7, масштабирующих блоков 8, 10, счетчика 11 адреса, блока 5 памяти, вычитательного блока 6. Измеритель также содержит формирователь 1. умножитель 2 частоты, ключ 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок 9 входных устройств, блок 12 управления. 2 ил.

fPuz.1

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании измерителей нелинейных искажений, работающих в широком частотном диапазоне.

Цель изобретения - повышение точности измерения коэффициента нелинейных искажений.

На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя нелинейных искажений; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы в режиме записи информации.

Измеритель нелинейных искажений (фиг. 1) содержит последовательно соединенные формирователь 1, умножитель 2 частоты, ключ 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок 5 памяти и вычислительный блок 6, последовательно соединенные управляемый инвертор 7, первый масштабирующий блок 8, блок 9 входных устройств и второй масштабирующий блок 10, а также счетчик 11 адреса и блок 12 управления. Соединенные входы формирователя 1 и управляемого инвертора 7 образуют вход устройства. Выход масштабирующего блока 10 подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя 4. Вход блока 12 управления подключен к выходу формирователя 1, первый выход - к управляющему входу инвертора 7, второй выход - к управляющему входу ключа 3, третий выход- к соединенным между собой входам управления первого масштабирующего блока 8, второго масштабирующего блока 10 и вычислительного блока б, а четвертый выход - к входу сброса счетчика 11 адреса, счетный вход которого соединен с выходом ключа 3, а выход - с адресным входом блока 5 памяти.

На фиг. 1 представлена также структурная схема блока 12 управления, который может быть выполнен в виде подключенных к его входу последовательно соединенных счетчика 13 и дешифратора 14, первый - четвертый выходы которого образуют одноименные выходы блока 12 управления.

В основе работы измерителя лежат следующие положения. Пусть входной полигармонический сигнал X, у которого требуется определить коэффициент гармоник, выражается следующим образом:

Х 2 Arsln(), г - 1

где Аг - амплитуда r-й гармоники; рг - фаза r-й гармоники; г 1,2,...,R - номер гармоники.

Нелинейные искажения, вносимые входными устройствами (например, фильтром, усилителем и пр.) до разложения спектра исследуемого сигнала на гармоники, можно аппроксимировать степенным полиномом К-й степени:

U Ј ак Хк а0 + ai X + Ј ак Хк ,

К -о

К 2

(2)

где U - сигнал, спектр которого разлагается на гармоники при определении коэффициента нелинейных искажений;

эк - весовые коэффициенты полинома, аппроксимирующего нелинейные искажения входных устройств;

а0 - аддитивная составляющая погрешности входных устройств;

ai - мультипликативный член, представляющий собой сумму коэффициента масштабирования (усиления или ослабления) входных устройств и собственно мультипликативной составляющей погрешности.

Проинвертируем входной сигнал:

U a0 -aiX + 2,

Э2К Х2К к 1

&

- S a2K + iX2K + 1 a0-aiX +

к 1

+ (-1)KtakXK.

к 1

35

(3)

Из выражений (2) и (3) найдем разность прямого и инвертированного сигналов.

U-U 2(aiX + t a2K + iX2KH 1).

к 1

(4)

Из выражения (4) следует, что за счет проведения указанных операций удалось

скорректировать аддитивную составляющую ао и все четные члены а2К, вносящие нелинейные искажения в исследуемый сигнал X в соответствии с формулой (2). Однако нечетные члены Э2К Ч- 1 аппроксимирующего полинома также оказывают влияние на точность измерения коэффициента гармоник, так как являются источником нелинейных искажений исследуемого сигнала. Это влияние уменьшается масштабированием.

Масштабирование (усиление или ослабление) сигнала в m раз вводится для прямого и инвертированного сигналов. В случае ослабления сигнала выражение (4) преобразуется в следующее:

.. .-. „ rai X . & , / X 2К +1 -i

u- Hnr+l + U) и

н н

(5)

К2К Ь 1

-u 2lisf+KS,™ + (Ј)

. у Ку 2К + 1

- 02 2 ,«+,(Ј)

2К +1

,32К+ (1;Г.У... ;

ик-+;- ик+ ,2 т 7 +к|а2к+,()

где р 1,.... К-Н - номер масштабного коэффициента т.

Из этой системы можно определить мультипликативную составляющую UM полинома (2) как функцию f от разностей прямого и инвертированного значений сигнала и коэффициентов масштабирования тр:

UM aiX f(Ui - Ui. U2 - U2,.., UK + 1 - UK + 1, mi, maтк + i) f(Up, Up,

Tip).

(7)

Сигнал UM может использоваться непосредственно для определения коэффициента нелинейных искажений путем разложения спектра сигнала на гармоники, так как нелинейные составляющие в нем отсутствуют. При этом следует учесть, что коэффициент гармоник сигнала UM не зависит от величины ai и равен коэффициенту гармоник исследуемого сигнала X.

Докажем это, используя выражение (1):

2 АГ sin (гш ).

r 145

(8)

Определим квадрат действующего значения напряжения UM:

и },, 2H..ai2-P 2 ид.м - J UM dt - 2, Аг .

о г 1

(9)

Квадрат действующего значения пер- вой гармоники сигнала с использованием коэффициентов ряда Фурье определяют следующим образом:

и

Проведение масштабирования прямого инвертированного сигналов и определение их разности К+1 раз приводит к системе нелинейных уравнений

2К +1

.У... ;

(6)

2К +1

ai у /,UM cosondt

1 о

Э1Т 1 / sin (wt +991 )costtndt

n pi ;

20

25

(10)

1 Tr

bi j JUM slnoit dt

30

aiAi T35

j / sin (a)i )sin 0) dt

ai AI 2 cos tp ;

UiM

ai2+bi2 ai2Ai2

(11) (12) .

где UiM - амплитуда первой гармоники, вы- деленная с помощью ортогональных составляющих ai и bi из входного сигнала aiX.

Тогда коэффициент гармоник из (9) и (12)

к - i iW-иГм ид.м

14 - I - I -7ГI -

UiM

UiM

(13)

Таким образом, значение коэффициента гармоник исследуемого сигнала X от мультипликативной составляющей ai не зависит, что позволяет решать ситему нелинейных уравнений (6) линейными методами и легко сводить полиномы высоких степеней от X вида (5) к уравнению первой степени от X вида (7). Значение коэффициента гармоник сигнала DM, определяемое по формуле (13), равно значению коэффициента гармоник исследуемого сигнала X и принимается за окончательное.

Измеритель работает следующим образом.

При поступлении на вхрд устройства периодического сигнала X на выходе формиро- вателя 1 формируются прямоугольные импульсы иф1, период следования которых равен периоду ТВх исследуемого процесса. Эти импульсы, поступая на вход блока 12 управления, инициируют начало работы устройства, при этом на выходе умножителя 2 частоты синхронно с периодом исследуемого сигнала формируются импульсы такти- ровки аналого-цифрового преобразователя 4 с частотой

fyn -

N

(14)

где N - коэффициент умножения частоты (количество отсчетов на период сигнала).

За время первого периода Ti исследуемого процесса происходит сброс счетчика 11 адреса сигналом UBV12 с четвертого выхода блока 12 управления и установка коэффициента масштабирования гщ первого и второго масштабирующих блоков 8 и 10 сигналом 11БУ12 с третьего выхода блока 12 управления. Коэффициент mi записывается также в вычислительный блок 6. Первый и второй масштабирующие блоки 8 и 10 являются обратными преобразователями (если входной сигнал имеет низкий уровень, то первый масштабирующий блок 8 является усилителем, а второй блок 10 - аттенюатором, а если уровень сигнала высокий, - наоборот). Эти блоки предназначены для масштабирования входного сигнала без потери точности при аналого-цифровом преобразовании. Фактически именно эти блоки обеспечивают проведение необходимого числа измерений в разных точках аппроксимирующего полинома (5) и позволяют сформировать систему нелинейных уравнений вида (6). При этом следует учесть, что коэф- фи циенты масштабирования тр имеют небольшую величину (в пределах 1 - 5), поэтому нелинейные искажения, вносимые масштабирующими блоками 8 и 10, пренебрежимо малы по сравнению с искажениями блока 9 входных устройств, нелинейность которого корректируется.

Во время второго периода Т2 блок 12 управления вырабатывает сигнал записи U5V122 на втором выходе и на вход тактиров- ки преобразователя 4 через ключ 3 поступает N импульсов умножителя 2 частоты (см. диаграмму Ккзвых), При этом прямой исследуемый сигнал X поступает через управляемый инвертор 7, первый масштабирующий блок 8, блок 9 входных устройств и второй

масштабирующий блок 10 на аналого-цифровой преобразователь 4, с выхода которого N синхронных отсчетов Un записывается в блок 5 памяти (I - параметр дискретного времени). Адреса ячеек памяти формирует

счетчик 11 адреса по сигналу с выхода ключа 3. Если коэффициент передачи первого масштабирующего блока 8 равен 1/ггц (т. е. он является аттенюатором), а второго масштабирующего блока 10-гщ (т.е. блок является

усилителем), то в соответствии с (2) имеем

II41/ Xl К

Uli miKS0aKfe)

-а0+ aiX, + X экХ К

К 2ГП1

К - 1

(15)

В третьем периоде Тз управляемый инвертор 7 переходит в режим инверсии по сигналу УьУ12 блока 12 управления, и в такте Т4 в блок 5 памяти записываются N выборок Uii инвертированного входного процесса. С учетом коэффициентов масштабирования блоков 8 и 10 и выражения (3) имеем

Г,TV / Xi 2К

Ul miUoa2Kfe) - V, / Xi 2К + П

-к50а2К+1Ы j ao-aix,+(-i)Ki: акх к

к 2 mi

k - 1

(16)

0

5

Из выражений (15) и (16) следует, что благодаря взаимообратному характеру преобразователей 8 и 10 масштаб информативного мультипликативного члена UMi aiX не изменяется. Далее в такте 15 на Третьем выходе блока 12 управления устанавливается новый масштабирующий коэффициент и процесс записи отсчетов прямого и инвертированного сигналов повторяется (фиг. 2). Количество повторных циклов масштабирования зависит от порядка полинома (5), аппроксимирующего нелинейные искажения, вносимые блоком 9 входных устройств. На практике достаточно ограничиться третьей или пятой степенью полинома, так как с увеличением степени усложняется вид уравнения (7).

Функционирование счетчика 13 и дешифратора 14 в составе блока 12 управления очевидно из фиг. 1 и 2: тактовый сигнал с выхода формирователя 1 поступает на вход счетчика 13, а управляющие сигналы блока 12 управления формируются на выходах дешифратора 14.

По окончании цикла записи отсчеты сигнала из блока 5 памяти поступают в вычислительный блок 6, где прежде всего происходитопределение разностных сигналов Dpi Dpi.

Из выражений (5), (15) и (16) следует, что

Кг

N 2, имг

i 1

2 ( g UMi cos p )2 + ( Ј UMi sin p )2 J

где i 1 2N

Коэффициенты гармоник сигналов XI и UMi равны между собой, поэтому значение Кг, определенное по формуле (18), принимают за окончательное.

Таким образом, предлагаемый измеритель позволяет устранить погрешность, связанную с нелинейностью аналого-цифрового преобразователя и входных устройств, и получать значение коэффициента гармоник Кг, искаженное только влиянием шумовых факторов и погрешностью производимых вычислений.

Формула изобретения Измеритель нелинейных искажений, содержащий блок входных устройств, последовательно соединенные формирователь, умножитель частоты, ключ и аналого-цифровой преобразователь, а также блок управления, вход которого соединен с выходом формирователя, а второй выход - с управляющим входом ключа, а вход формирователя соединен с входом измерителя, отли+2

Э2К + 1Х|

2к +

Tip

2К

)(uMi + i

к 1

32К + 1 Х|

2k -f 1

mi

2К

(17)

Затем, в соответствии с выражением (7) вычисляют отсчеты сигнала UMi aiXi, в котором нелинейные искажения, связанные с влиянием блока 9 входных устройств, отсутствуют. После этого в вычислительном

блоке 6 определяется значение коэффициента гармоник в соответствии со следующим выражением:

(18)

чающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены управляемый инвертфр, первый и второй масштабирующие блоки, счетчик адреса, блок памяти и вычислительный блок, выход которого соединен с . выходом измерителя, а вход соединен с выходом блока памяти, первый вход которого

соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй - с выходом счетчика адреса, вход которого соединен с выходом ключа, а управляющий вход соединен с четвертым выходом блока управления, третий выход которого соединен с управляющими входами вычислительного блока, первого и второго масштабирующих блоков, а его первый выход - с управляющим входом управляемого инвертора, вход которого соединен с входом измерителя, а выход - с

входом первого масштабирующего блока, выход которого соединен с входом блока входных устройств, выход которого соединен с входом второго масштабирующего блока, а выход последнего соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя.

r

&

S

5-d -j

P

i

Ј

Ј

b

Is

U II

vC

I

JL

.31

§

I

C4J

cvi

t3

3

I

§

H

§