Способ определения характеристик гармонического сигнала Советский патент 1992 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к измерению характеристик гармонического сигнала - частоты, амплитуды,фазы и постоянной составляющей в условиях помех.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения частоты сигнала и расширения частотного диапазона измерения амплитуды, постоянной составляющей и начальной фазы сигнала.

Сущность способа состоит в следующем.

Пусть исследуемый сигнал, характеристики которого измеряются, описывается выражением

U(i) u0(t)Ј(t),(1)

где Uo(t)- A cos( о) i+ Ч)+ АО Ах cos со t+ +АУ sin w t + АО.(2)

А, (О , Ч-1 -амплитуда, круговая частоту и начальная фаза гармонической составляющей сигнала;

АО - постоянная составляющая сигнала,

Ах A cos 4.Ay Asiri4; - синфазная и квадратурная составляющие амплитуды А гармонического сигнала;

Ј(t) - аддитивная помеха, некоррелированная с сигналом.

Определим характеристики сигнала Ах, Ау, АО из условия минимума погрешности, вносимой помехами, т.е. по критерию минимума среднеквадратического отклонения.

) 1 Ч2 1 Ч2

jf U(t)-U0(t)2dt 4 / U(t)-Ax x

-Т/2. -Т/2

xcoson - Ay slnun - Aofd t,(3)

S/V/Vf V

где Ax, Ay, АО,ft - оценки характеристик Ах, Ay, АО, (о сигнала U(t), минимизирующие погрешность.

vi о

S

о

ЛХ Л/ , -7, - -

Определим вначале величины А, Ау, АО.Uc АХС + А0С. 15)

Они находятся из условий Подставим равенство (6) в виде А°

д„2 -j,2 -1,.-АхС и равенства (14), (15) в формулу (13),

. 0- П°ЛУЧИМ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении универсальных приборов для измерения-характеристик гармонических сигналов в инфранизком диапазоне частот, обладающих высокой помехозащищенностью и оперативностью. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения частоты сигнала и расширения частотного диапазона измерения амплитуды, постоянной составляющей и начальной фазы CHI нала. Она достигается тем, что по способу, основанному на измерении среднего значения сигнала и двух средних значений произведений измеряемого сигнала на опорные сигналы, изменяющиеся по законам синуса и косинуса, образуют сигнал из этих величин, являющийся функцией частоты, последовательно изменяют частоту опорного сигнала до получения максимального значения сформированного сигнала, при котором частоту опорного сигнала принимают за результат измерения, и определяют амплитуду, начальную фазу и постоянную составляющую сигнала. 1 ил.

Решение этой системы ведет к следую- 2 щим результатам:

Г -С2)Uc - U С

Г USkS MxC {U-AxCr-2Ax UC+Ax(C -С2)2(и-АхС)и+2Ях(и-АхЈ ) -AyS2

Ах с ;(4).

С2 - Сили после преобразовании

-1 ОО) Ъ О -- 1 « о

д- US:(5) Ue2 l -U2-Ax(C2-C2)-AyS2(16)

с2

А - П-А С с. Q(к)Подставляя в эту формулу соотношения

° хС2 - С2И)- (5). перейдем к измеряемым величинам

-, т/215 „

(,)d,-р, иг-й2-( (1)

-среднее значение сигнала U(t) за время измерения Т; Аля определения частоты УО сигнала

20необходимо определить минимум функции

, т/2ЈГ .0днако, поскольку разность величин

/ U(t)(8)U2-U2 не зависит от частоты о , то вместо

-т/2этого можно определить 0)о из условия

максимума функции

-усредненное за время Т значение произве- 25

дения измеряемого U(t) и опорного cos cotf - - 7i2

сигналов;и (а) + Ш )

1 Т/2(- -Ь )Ъ

U«sin(yt (9) зоT.e.U( u )-U(flb). ) (19)

Формулы (4). (5). (6), (7), (8), (9). (18), (19)

-усредненное за время Т значение про-определяют суть предлагаемого способа,

изведения измеряемого U(t) и опорного sinкоторый сводится к выполнению следующих

ал сигналов;операций.

- 1 т/22 о; Т 1. Задают определенное, например J, cos & t d t JY (10)нимальное для данного диапазона, значе 2ние опорной частоты (а ,

-среднее значение опорного сигнала cos cot2. Измеряют величины 0, Ос и Us в соза время Т;ответствии с формулами (7), (8), (9).

т/ 40 Jb. Определяют численные коэффициен. С2 1 / t d t 1 fi 4- sin ° TTbl Cl при Цифровых измерениях или

-т/22 1)формируют постоянные напряжения, пропорциональные этим коэффициентам, при

-среднее значение квадрата опорногоаналоговых измерениях согласно выраже- сигнала cos2 шг за время ; 45ниям(Ю), (11), (12).

1 т/2л,п (п-г4. По полученным в п. 2, 3 величинам U,

S2 j S sin2 «и t d t ± ( 1 - ) (12)Uc, Us. С, С2, S2 определяют величину U( a )

т/2или образуют постоянное напряжение, про-среднее значение квадрата опорногопорциональное U(w );

сигнала sin2 wt за время Т.50 5. Повторяют пп. 1-4 для последоваПодставляя соотношения (4), (5), (6) втельно перестраиваемых значений частоты

формулу (3),получим (JD опорного сигнала до условия полученияи2 U2 + A2yS2 - A2o-2AxUc-max и ) U( ft)0) при некотором значе-2AyUs-2A0U+2AxC.(13)нии частоты .

Из равенства (5) запишем55 6- Находят величины Ах( со 0), Ау( (о 0),

Us AyS2,(14)А0( со о), соответствующие частоте Шо .

а из выраженияJ4) 7. Определяют амплитуду

Ос Ax -CVDС - AxC2+C(U-AxC2)А - У/(У0)+А («иь )

или с учетом соотношения (6) получими начальную фазу

2

.- -о .л- .-- л

Г USkS MxC {U-AxCr-2Ax UC+Ax(C -С2)2(и-АхС)и+2Ях(и-АхЈ ) -AyS2

гармонической составляющей сигнала U(t). Способ может быть реализован в аналоговом и цифровом виде, однако более про- стой является цифровой вариант устройства. В этом случае формулы (7) - (12) принимают вид

G-mFTkJLu« ° 7TmkJLNUkCosto;

u mn-kJLNUkSlnka;

с

7RTTksЈ.N

cosko

Slng-N-Llg

(2N -M)slnf

: Ч N + 1

S2

1v-2, 1 r , . sin ( 2 N + 11ra ,

v , i 1n sln(2N -П )ct, JLNS (2N-l-l)slna

2IM-H

где « ,

Осуществление заявляемого способа может быть описано достаточно обобщен- ной схемой устройства, представленной на чертеже.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 2, процес- сор 3, блок 4 управления и блок 5 отображения информации.

Сигнальный вход АЦП 1 является входом устройства, вход запуска АЦП 1 подключен к первому выходу блока 4 управления, а информационный выход АЦП 1 соединен с информационным входом ОЗУ 2, адресный вход которого подключен к второму выходу блока 4 управления. Выход ОЗУ 2 соединен с информационным входом процессора 3, управляющий сход которого подключен к третьеему выходу блока 4 управления, а выход процессора 3 соединен с блоком 5 отображения информации.

Функциональное назначение всех узлов прибора однозначно определяется их названием. Укажем только, что блок 4 управления служит для задам моментов дискретизации гк К At (К N, N) входного сигнала и их числа (2N+1), а также для задания адресов при записи кодов UK U(tK) в ОЗУ 2 и синхронизации работы всех узлов устройства.

5

10

15

0

5

0

5

0 5

0

5

Исследуемое напряжение U(t) поступает на АЦП 1, которым осуществляется преобразование его мгновенных значений в моменты дискретизации IK в процорцио- нальные коды UK U(tK) U(K A t). Моменты дискретизации tK задаются блоком 4 управления, на выходе которого формируются в эти моменты сигналы запуска, подаваемые на вход запуска АЦП 1, и коды адреса ОЗУ 2 для записи очередного кода UK. После записи всех 2N+1 кодов UK в ОЗУ 2 завершается первый этап и начинается второй этап измерений. На этом этапе по сигналам блока управления коды UK списываются из ОЗУ 2 и вводятся в процессор 3, где произ - врдитгся сначала определение величин U, Uc, Us и численных коэффициентов С С S по заданному значению частоты опорного сигнала, а затем находят значение величины U( ш ) согласно выражению (18). Затем задают новое значение частоты Шо и повторяют предыдущие операции. Так продолжается до получения максимального значения величины max U( ш ) U( СУ о), при этом получают результат измерения частоты а 0. После этого переходят к третьему этапу измерений, в ходе которого определяют величины Ах( (О о), Ау( о) о), а затем амплитуду и начальную фазу гармонической составляющей сигнала.

Коды всех измеренных величины выводятся с процессора 3 в блок 5 отображения информации.

Таким образом, использование предлагаемого способа определения характеристик гармонического сигнала обеспечивает возможность определения характеристик гармонического сигнала в широком частотном диапазоне, т.е. инвариантность результатов измерения амплитуды, начальной фазы и постоянной составляющей сигнала к частоте и возможность определения частоты гармонического сигнала. ,

Формула изобретения

Способ определения характеристик гармонического сигнала, заключающийся в измерении среднего значения сигнала за произвольно заданное время и двух средних значений за то же время произведений измеряемого сигнала на опорные сигналы, изменяющиеся по законам синуса и косинуса, определении по ним квадратурных составляющих амплитуды и постепенной составляющей сигнала, а по квадратурным составляющим определяют амплитуду и начальную фазу сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения частоты сигнала и расширения частотного

диапазона измерения амплитуды, постоянной составляющей и начальной фазы сигнала, формируют си гнал (J(a) ), последовательно изменяют частоту опорного сигнала до значения УО , при котором сигнал U(ft ) достигает своего максимального значения, при этом значение частоты попринимают за измеренное и определяют соответственно квадратурную и синфазную составляющие амплитуды сигнала Ау{ а) 0) и Ах( (О о), а по ним и постоянную амплитуду, начальную фазу и постоянную составляющую сигнала, при этом сформированный сигнал U() описывается выражением,

0

и)-ВД|

с2-с2

+

и

где Us, Uc - усредненные за время Т значения произведений измеряемого сигнапа на опорные сигналы, изменяющиеся соответственно по законам синуса и косинусас 5,„.- 1(1+):

5

,, S2 о ( )

2 v fi) - о) - круговая частоте сигнала,

а составляющие Ау( о) 0) и Ах( о) о) определяют из выражений ,

Ау(оь)§:Ах(йъ)

О