Анализатор гармоник Советский патент 1991 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к спектральному анализу электрических сигналов. Изобретение может быть использовано при создании цифровых средств анализа гармонического спектра и измерителей коэффициента гармоник сигнала в широком частотной диапазоне.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора гармоник; на фиг. 2 - структурная схема возможной реализации блока управления; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства в режиме записи ин- формации; на фиг. 4 - временные диаграммы режима цифровой фильтрации; на фиг. 5 - временные диаграммы работы блока преобразования Фурье.

Анализатор гармоник содержит измерительный блок 1. измеритель 2 входного периода, дешифратор 3, блок 4 управления, пульт 5 управления, цифровой фильтр 6, блок 7 преобразования Фурье, блок 8 коррекции и цифровое отсчетное устройство 9. Измерительный блок 1 состоит из входного фильтра 10 нижних частот и подключенных к его выходу аналого-цифрового преобразователя 11 и умножителя 12 частоты, выход которого соединен со входом пуска аналого- цифрового преобразователя 11. Первый, второй и третий выходы измерительного блока 1 образованы выходами аналого-цифрового преобразователя 11, фильтра 10 нижних частот и умножителя 12 частоты. Вход установки кода умножителя 12 частоты образует установочный вход, а вход считывания информации аналого-цифрового преобразователя 11 - вход считывания кода измерительного блока 1. Цифровой фильтр 6 содержит оперативное запоминающее устройство 13 и накапливающий сумматор-вы- читатель 14, информационные входы-выходы и управляющие входы которых подключены к одноименным входам- выходам и входам цифрового фильтра 6 соответственно. Блок 7 преобразования Фурье включает оперативное запоминаюсо

С

о о со ел VI

щее устройство 15, постоянное запоминающее устройство 16, умножитель 17 и накапливающий сумматор-вычитатель 18, причем соединенные информационные входы-выходы этих узлов образуют информационный выход, а их входы управления - управляющий вход блока 7. Блок 8 коррекции содержит постоянное запоминающее устройство 19 и умножитель 20, входы управления которых образуют управляющий вход блока 8, а информационные входы-выходы умножителя 20, соединенные с выходами постоянного запоминающего устройства 19 - информационные входы-выходы блока 8 коррекции.

Вход анализатора гармоник образован входом измерительного блока 1, первый выход которого через шину данных соединен с информационными входами-выходами цифрового фильтра б, блока 7 преобразования Фурье, блока 8 коррекции и цифрового отсчетного устройства 9. Ко второму выходу измерительного блока 1 подключены последовательно соединенные измеритель 2 входного периода и дешифратор .3, выход которого подключен к установочному входу измерительного блока 1 и второму входу блока 4 управления. Первый вход блока 4 управления соединен с третьим выходом измерительного блока 1, а третий и четвертый входы - соответственно с первым и вторым выходами пульта 5 управления. Выходы блока 4 управления подключены ко входу считывания кода измерительного блока 1, ко входам оперативных запоминающих устройств 13, 15, постоянных запоминающих устройств 16 и 19, ко входам умножителя17,накапливающих сумматоров-вычитателей 14, 18, ко входам умножителя 20 и цифрового отсчетного устройства 9.

На фиг. 2 представлена структурная схема блока 4 управления, который содержит элемент 21 задержки, генератор 22 тактовых импульсов, RS-триггер 23, коммутатор 24, счетчик 25, дешифратор 26, постоянное запоминающее устройство 27 и элементы 2И 28-34. Первые вход и выход блока 4 управления образованы входом и выходом элемента 21 задержки, хоторый подключен к первому входу коммутатора 24. Второй и третий входы коммутатора 24 подключены к генератору 22 тактовых импульсов и выходу RS-триггера 23, а выход - к соединенным вторым входам элементов 28- 34 и синхровходу С счетчика 25, вход R сброса которого, соединенный с S-входом RS-триггера 23, образует четвертый вход блока А управления - вход Пуск. При этом выход счетчика 25 соединен с первым входом постоянного запоминающего устройства 27. Разные входы дешифратора 26 образуют второй и третий входы блока 4 управления, которые представляют собой

соответственно вход установки кода N количества небходммых цифровых отсчетов на период сигнала и вход задания номера К определяемой гармоники. Выход дешифратора 26 подключен ко второму входу посто0 янного запоминающего устройства 27, первый выход которого соединен с R-BXO- дом RS-триггера 23, а остальные - с соответствующими выходами блока 4 управления, причем второй, шестой, десятый, четырнад5 цатый, восемнадцатый, двадцать четвертый и двадцать седьмой выходы постоянного запоминающего устройства 27 подключены к выходам блока 4 управления через элемен0 ты 2И 28-34.

Анализатор гармоник работает следующим образом.

Входной сигнал через фильтр 10 нижних частот поступает на вход измерителя 2

5 входного периода, выходной код которого управляет дешифратором 3. На выходе дешифратора 3 формируется код N коэффициента умножения частоты, который поступает на установочный вход умножите0 ля 12 частоты и второй вход блока 4 управления. По сигналу Пуск на втором выходе пульта 5 управления блок 4 управления переходит в режим записи информации (см. фиг, За). При этом происходит обнуление

5 счетчика 25, RS-триггер 23 переходит в единичное состояние (см. фиг. Зв), а выходная частота умножителя 12 частоты поступает на вход пуска аналого-цифрового преобразователя 11 (см. фиг. Зг), а также через эле0 мент 21 задержки и коммутатор 24 на синхровход С счетчика 25 (счет производится по положительному фронту) и соединенные вторые входы элементов 2И 28-34. Элементы 2И предназначены для формиро5 вания тактирующих сигналов, поступающих на синхровходы С различных блоков анализатора гармоник. В соответствии с кодом N коэффициента умножения частоты на первых четырех выходах блока 4 управления и

0 первом выходе постоянного запоминающего устройства 27 формируются последовательности импульсов, посредством которых осуществляется соответственно считывание кода аналого-цифрового преобразова5 теля 11 (см. фиг. Зд), формирование N импульсов записи кода из преобразователя 11 в устройство 13 (см. фиг. Зе), формирование сигнала записи и адресов оперативной памяти, а также сброс RS-триггера 23 по R-входу (см, фиг. 36, ж, з). В результате цик- ла записи в оперативное запоминающее устройство 13 синхронно с периодом исследуемого сигнала заносится N цифровых отсчетов.

По окончании цикла записи на выходе RS-триггера 23 устанавливается нулевой уровень, и на синхровход С счетчика 25 через коммутатор 24 поступает частота генератора 22 тактовых импульсов. В этом режиме происходит обработка результатов измерений.

На первом этапе обработки производится цифровая фильтрация записанных от- счетов сигнала путем вычисления скользящего среднего в соответствии со следующим выражением:

УчО)л I x(lп г 0

где x(i-r) - (-г)-й отсчет входного сигнала;

yq(i) - i-й отсчет на выходе цифрового фильтра;

i 1 ...N - параметр дискретного времени;

R - количество входных отсчетов, по которым производится усреднение сигнала;

q - количество циклов фильтрации сигнала (порядок цифрового фильтра).

Для периодического сигнала, имеющего линейчатый спектр, амплитудно-частотная характеристика соответствующего нерекурсивного фильтра определяется следующим образом;

OF

О)

)q

(2)

где К - номер гармоники исследуемого сигнала;

N - количество отсчетов на период сигнала.

Подобная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) является колебательной убывающей функцией параметра К, однако

в полосе К 0 ; -к характеристика является монотонной и фильтры, описываемые выражениями (1) и (2), могут использоваться для подавления высших гармоник. Порядок q фильтра и количество R усредняемых отсчетов определяются из следующих условий:

(.

Sin П Кмакс R N

л: К

макс

)

Rsin -w sin я Ко R (УYi s

(,

м

мин

где К макс максимальный номер гармоники, которую должен измерять анализатор (фактически, К Макс определяет полосу пропуска5 ния).

Ко - номер гармоники, выше которой коэффициент передачи АЧХ цифрового фильтра близок к нулю (Ко определяет границу полосы задерживания фильтра),

0S Макс , S мин -максимальный и минимальный уровни АЧХ фильтра на частотах, соответствующих гармоникам Кмакс и К0.

Выражения (3) и (4) дают возможность рассчитать порядок q фильтра и длину R

5 усредняемой реализации при заданных остальных параметрах. При этом необходимо учесть, что Ко, Кмакс. q и R должны быть целыми числами. Выполнение условия

N П где ° означает, что величиной

гармоник с порядковыми номерами, превы- . шающими Ко, можно пренебречь, создает предпосылки для сокращения объема отсчетов. Поэтому после первого цикла фильтра- 5 ции производится децимация (прореживание) отсчетов сигнала в Pi раз и проводится повторная цифровая фильтрация прореженных выборок в соответствии с выражением (1), при этом количество обрабатываемых отсчетов равно р- . Циклически

проводимая децимация отсчетов приводит к существенному сокращению операций фильтрации.

5Первый этап повторяется до тех пор,

пока полоса пропускания суммарной амплитудно-частотной характеристики цифрового фильтра не уменьшится до величины, обеспечивающей устойчивое разрешение

0 заданного количества гармоник спектра исследуемого сигнала

5

°ч

5г -5

iKne;«

. frkR,P,

t vt

6m

R(

7kP.

1,

S.

Siri

.Pj.-P,,

50

R s n kP P RiS n N

Rm5;n Ј Pi

55

где 5кт - частотная характеристика нерекурсивного цифрового фильтра q-ro порядка;

m 0.1...M - номер цифрового фильтра; Pi, Р2...Рм - коэффициенты децимации; М - количество произведенных децимаций;

qm - порядок т-го фильтра;

Rm - количество усредняемых отсчетов m-ro фильтра.

На первом этапе цифровой обработки работ устройства сводится к следующему: с учетом кода N, установленного на втором входе блока 4 управления, на его выходах формируются управляющие сигналы для оперативного запоминающего устройства

13и накапливающего сумматора-вычитате- ля 14, которые входят в состав цифрового фильтра 6 (см. временные диаграммы режима цифровой фильтрации на фиг. 4). Тактирование счетчика 25 производится по переднему фронту сигнала, а устройства 13 и накапливающего сумматора-вычитателя

14- по заднему фронту на их синхровходах С (см. фиг. 4а, б, в). На диаграмме цифрами обозначены адреса ячеек памяти, при этом ячейки, в которые заносятся обработанные отсчеты обозначены О1, 11, 21 и т.п. В ходе первого этапа обработки реализуется алгоритм цифровой фильтрации, представленный выражением (1), а в оперативное запоминающее устройство 13 заносятся

NI - - g-отсчетов профильтрованг 1 i 2 i M

ного сигнала. Масштабирование суммы R отсчетов входного сигнала, накопленной в накапливающем сумматоре-вычитателе 14, осуществляется посредством операции сдвига вправо (см. фиг. 4г). Масштабный коэффициент, эквивалентный определенному количеству сдвигов, целесообразно закладывать меньшим, чем номинальный множитель --р (см. I), так

как при этом не

происходит потери младших разрядов накопленной суммы, оказывающих влияние на точность последующих вычислений.

Таким образом, в результате первого этапа число отсчетов, подлежащих последующей обработке, существенно уменьшается (Ni « N). Затем полученный массив обработанных данных y(i) переносится из оперативного запоминающего устройства 13 в запоминающее устройство 15.

На втором этапе обработки в блоке 7 преобразования Фурье производится вычисление амплитуды гармоники, номер К ко торой поступает на второй вход дешифратора 26 блока управления 4 с первого выхода пульта 5 управления. При реализации алгоритма ДПФ используются следующие выражения:

2 ,-. «Tk. 24r- , с,.. -Г4(Осо9-,(0,

Г (6)

№

sin

gfrk. 2 N, N,

«ЕчИЧ Ъ (7)

где ак и Ьк - косинусная и синусная составляющие к-й гармоники входного сигнала;

y(i) - отсчеты сигнала, полученные на первом этапе обработки (т.е. после цифро- вой фильтрации);

NI - количество отсчетов сигнала после децимации;

, sm iортогональные составляющие К-й гармоники.

Функционирование анализатора спектра в режиме вычисления амплитуд гармоник входного сигнала иллюстрируется временными диаграммами на фиг. 5, где приведены также подробные пояснения последовательности выполняемых операций. По сигналам на выходах блока 4 управления в умножитель 17 записывается отсчет

y(l) из оперативного запоминающего устройства 15, а также код соответствующей ортогональной функции рк (I) из постоянного запоминающего устройства 16, после чего происходит цикл перемножения. Полученное произведение из умножителя 17 поступаетвнакапливающийсумматор-вычитатель 18,-где формируется

N1

сумма произведений У (О к О) После

-1

соответствующего масштабирования код

вычисленного коэффициента К-й гармоники записывается в оперативное запоминающее устройство 15. Исходя из вычисленных значений ак и Ьк, определяется квадрат амплитуды К-й гармоники

.(8)

Вычисления производятся посредством

тех же узлов блока 7 преобразования

Фурье, что и выражения (6) и (7). Временные

диаграммы для реализации формулы (8) не

приводятся.

Величина Ак существенно отличается от истинного значения квадрата к-й гармоники. Это связано с тем, что амплитудно-частотная характеристика SR цифрового фильтра нижних частот (2) существенно от- 0 личается от прямоугольной. То же самое относитсяиксуммарнойамплитудно-частотной характеристике Ss, определяемой из выражения (6). Для вычисления точного значения квадрата амплиту5 ды к-й гармоники Ак необходимо домножить величину АК на корректирующий частотный коэффициент Q$ :

(9)

Ho Rls;n

Sin

N frkR.P,

N

(Ю)

На третьем этапе обработки результа- тов измерений блок 8 коррекции производит коррекцию квадрата амплитуды к-й гармоники А& в соответствии с выражением (9). Величины корректирующих коэффициентов QK, соответствующие определенному количеству N отсчетов на период входного сигнала и заданному номеру к гармоники, хранятся в постоянном запоминающем устройстве 19. По сигналам на выходах 4, 10, 11, 22-26 блока 4 управления в умножитель 20 блока 8 коррекции записывается код

квадрата амплитуды к-й гармоники Ак из устройства 15 и значение квадрата корректирующего коэффициента QK из постоянно- го запоминающего устройства 19, после чего вычисляется их произведение согласно выражению (9). Точное значение квадрата

амплитуды к-й гармоники Ак по сигналу на 27 выходе блока 4 управления пересылается из умножителя 20 в цифровое отсчетное устройство 9, снабженное устройством извлечения квадратного корня. В результате на индикаторе устройства 9 отображается скорректированное значение А« амплитуды к-й гармоники.

Посредством взаимодействия пульта 5 управления и блока 4 управления можно организовать поочередную запись в устройство 15 нескольких частотных отсчетов Ак, а затем последовательный вывод их на цифровое отсчетное устройство 9.

Формула изобретения 1. Анализатор гармоник, содержащий входной измерительный блок, блок преоб

5

0 0

5

5

0

5

0

разования Фурье, информационные входы- выходы которого соединены через шину данных с кодовым выходом измерительного блока, а также цифровое отсчетное устройство, подключенное к шине данных, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены цифровой фильтр, блок коррекции, последовательно соединенные пульт управления и блок управления, а также подключенные к первому выходу измерительного блока последовательно соединенные измеритель входного периода и дешифратор, выход которого соединен с установочным входом измерительного блока, информационные входы-выходы цифрового фильтра и блока коррекции подключены к шине данных, третий вход блока управления соединен со вторым выходом измерительного блока, четвертый вход-с выходом дешифратора, а выход блока управления подключен к первому входу измерительного блока и к управляющим входам цифрового фильтра, блока преобразования Фурье, блока коррекции и цифрового отсчетного устройства.

2.Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что цифровой фильтр выполнен в виде оперативного запоминающего устройства и накапливающего сумматора- вычитателя, информационные входы-выходы и управляющие входы которых подключены к одноименным входам-выходам и входам цифрового фильтра соответственно.

3.Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что блок коррекции выполнен в виде постоянного запоминающего устройства и умножителя, входы управления которых соединены с управляющим входом блока коррекции, а информационные входы-выходы умножителя, соединенные с выходами постоянного запоминающего устройства, соединены с информационными входами-выходами блока коррекции.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к спектральному анализу электрических сигналов. Цель изобретения - повышение точности измерения - достигается введением цифрового фильтра 6, блока 8 коррекции, пульта 5 управления, блока 4 управления, измерительного блока 1, измерителя 2 входного периода и дешифратора 3. Анализатор гармоник также содержит блок 7 преобразования Фурье и цифровое отсчетное устройство 9. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

гл

1

фиг1

я wuwiJTJinjin

5

-TLTLTL. JUJLJU.

У/77

в

-JLJLJl «I

1Ш M

п п п п п n n

-f

С Миг L

Фиг Л

Фиг.З

njanJTTLrLrLn t

fLJLJLJbJl

ПЛ ц nn nn

YTx x / x / YMX&XZ t

t t

4 L.

1

К- им ШЛГШЛЛЛ.

i/to //«п

SffA UffJVff 1 I

..лллл... тлш UTJiiwu

si