Изобретение относится к радиоизмерениям и может использоваться совместно с анализатором спектра, анализаторами гармоник, селективными вольтметрами для измерения амплитуд гармоник сигналов с большим динамическим диапазонам.
Цель изобретения - повышение точности измерений.
На чертеже представлена структурная схема устройства.
Устройство содержит ключ 1 и 2, сумматор 3, умножитель 4 частоты на пять, умножитель 5 частоты на три, фазовращатель 6, аттенюатор 7, анализатор спектра 8, блок 9 контроля отношений напряжений, блок 10 контроля разности фаз, при этом входная клемма устройства подключена к входу фа- зовращателя 6, к первым входам блока контроля разности фаз 10, блока 9 контроля отношений напряжений и сумматора 3, выход которого подключен к входу анализатора спектра 8, выход фазовращателя 6 через параллельно соединенные две цепи, состоящие из последовательно соединенных умножителей 4, 5 частоты и ключей 1 и 2,
подключен к входу аттенюатора 7, выход которого подключен ко вторым входам блока 10 контроля разности фаз, блока 9 контроля отношений напряжений и сумматора 3.
Работает устройство следующим образом.
Для расширения динамического диапазона анализатора спектра 8 по нелинейным искажениям, которые проявляются в основном в виде второй и третьей гармоник исследуемого сигнала, производится компенсация этих искажений интермодуляционными искажениями равной амплитуды, частотой и противоположной фазой.
Измерение амплитуд второй и третьей гармоник исследуемого сигнала производится поочередно, для чего устройством формируются два различных сигнала. Для этого исследуемым сигналом суммируется гармонический сигнал с противоположной фазой, частота и амплитуда которого зависят от номера измеряемой гармоники. Для формирования, этого сигнала используются умножители 4, 5 частоты. Для контроля и установки требуемого соотношения фаз и
Ј
М
ю
00
VI
кэ
амплитуд суммирующихся сигналов в сумматоре 3 используются соответственно блок 10 контроля, разности фаз и фазовра- щатель 6 и блок 9 контроля отношений напряжений и аттенюатор 7.
При измерении третьей гармоники в установке ключ 1 замыкается, ключ 2 размыкается. При этом в сумматоре 3 в противбфаз е суммируются исследуемый сигнал и сигнал умножителя 4 частоты на пять. Амплитуды сигналовдолжны соотноситься как 1:12.
При измерении второй гармоники ключ 1 размыкается, ключ 2 замыкается. Приэтрм в сумматоре 3 в противофазе суммируются исследуемый сигнал и сигнал умножителя 5 частоты на три. Амплитуды сигналов долж- ны быть равны.
При прохождении сигналов; сформированных указанным образом по нелинейным
цепям анализатора спектра 8, паразитные продукты с частотой второй и третьей гармоник исследуемого сигнала, получаемые в результате взаимодействия частотных составляющих этих сигналов на нелинейности амплитудной характеристики (А.Х.) анализатора спектра 8, взаимно компенсируются и тем самым не могут оказать влияния неточность измерения амплитуды второй и третьей гармоник исследуемого сигнала.
Покажем, при каких условиях при суммировании сигналов происходит взаимная компенсация продуктов искажений и как производится измерение амплитуд гармоник исследуемого сигнала. Примем во внимание тот факт, что в реальных сигналах, имеющих большой динамический диапазон амплитуд гармоник (70 дб), т.е. малые нелинейные искажения, амплитуды высших гармоник с увеличением их номера резко уменьшаются, поэтому в спектре сигнала достаточно учитывать всего две высшие гармоники, вторую и третью, что приводит к погрешности больше 5-7% при измерении, например, коэффициента гармоник сигнала
Кг.. : . .. - :- : :
Амплитудную характеристику нелинейного тракта анализатора спектра (А;С.), которая в основном определяется первым преобразователем частоты (балансным смесителем), с достаточной точностью можно аппроксимировать полиномом третьей степени вида:
Ui(t) aiU(t) + a2U2(t) + a3U3(t), (1)
где Ui(t) - напряжение сигнала на выходе нелинейного тракта;.
U(t) - напряжение сигнала на входе нелинейного тракта;
ai, 82. аз - коэффициенты ряда д1), зависящие от соответствующей производной крутизны, амплитудной характеристики и характеризующие степень ее нелинейности,
Поскольку динамический диапазон по нелинейным искажениям современных анализаторов спектра составляет .« 70 ДБ,. то амплитудная характеристика их слабо нелинейна.; .
Рассмотрим результат воздействия на нелинейный тракт А.С., амплитудная характеристика которого апп роксимируется полиномом 1(1). суммы двух сигналов в двух вариантах. Первый вариант, когда ключ 1
замкнут, а ключ 2 разомкнут. На входы сумматора 3 поступают два сигнала: на первый вход- исследуемый сигнал, а на второй сигнал с частотой исследуемого сигнала, умноженной на пять. Умножение часТртьгсигнала на пять производится умножителем 4
частоты. : .- - ; . : . .. . Второй вариант, когда ключ 1 рйЗф- мкнут, а ключ 2 замкнут. В этом случае на; второй вход сумматора 3 поступает сигнал с
утроенной частотой исследуемого сигнала. Умножение частоты на три производится умножителем 5 частоты на три; ; /
При этом есть возможность изменить амплитуду и фазу сигналов умножителей частоты, которая соотвётственнб производится .аттенюатором 7 и фазовращателем 6. На выходе сумматора 3 образуется сумма вход ных сигналов, которая подается на А.С. 8 Для того, чтобы максимально упростить по
следующие математические выкладки, примем следующие упрощения. Сигнал с умноженной частотой и исследуемый сигнал находятся в противофазе, амплитуды этих сигналов равны единице. Сигналы строго
монохроматические. Эти допущения никак не влияют на правильность описания сущ ности работы устройства и помогут понять физический смысл происходящих процесСОВ..-.. . ;, .. ; .;.. - .-- -. .- .
Таким образом в соответствии с первым вариантом на вход А.С.поступает сумма или, точнее сказать, разность двух сигналов:
50
Uy (t) sin ft)t-sln5GJ t.
(2)
где о) - круговая частота исследуемого сигнала;
t - текущее время.
Подставим (2) в (1), получим сигнал, который будет отображаться на экране А.С.
Ui(t) tot- slnSw t) + a2(sin wt- -slnS mt)2 + a3(sln wt)3(3)
. Линейную часть выражения (3) оставим без изменения, второе и третье слагаемые возведем соответственно в квадрат и куб.
Используя известные тригонометрические равенства для произведения синусов, 5 синуса в квадрате и в кубе, продолжим упрощение выражения до отдельных гармонических составляющих,
Ui(t)-ai(slnon + aln5 wt) + a2(1 - cos2« 10 u) t - cos4 o) t + cos6 со t - coslO ft) t + . a3p/4stn a) t - 1 /4sln3 ft) t - 3/2sln5 twt + +3sln7 ft)t + 3s1n3 ft) t + 3/2sln ft) t - Sslnl 1 ft t-3sln9 ft)t-3/4sfn5 a)t+ 1/4sln15 ft)t).
: .-.- .;- -; ;.--/,,
В выражении (4) имеются только две частотные составляющие 3 ft). Амплитуды этих составляющих соотносятся как 1:|2. Если аттенюатором 7 с использованием 20 блока 9 контроля отношения напряжений установить соотношение амплитуд исследуемого сигнала и сигнала умножителя частоты 1:12, а фазовращателем б с использованием блока 10 контроля разно- 25 сти фаз обеспечить противоположность фаз этих сигналов как в выражении {2), то составляющие с частотой 3 ft) взаимно компенсируются.
Рассмотрим второй вариант, в соответ- 30 ствйи с которым на вход А.С. поступает разность двух сигналов:
f т (t) sin ft)t - sln3 ft)t.
Подставляя (5) в (I), по аналогии с первым вариантом получим сигнал, который будет отображаться на экране А.С.
После элементарных преобразований получаем:40
Ui(t) ai(s(n ft) t + sin3 ft) t) + 32(1 - cos2«
ti) t - cosAw t - cbs6 a) t) + aa(3/4sln it t -1 /4sln3 ft)t - 3/2sln3 ft) t + 3sin ft) t + 3sln5
ft t + 3/2slr ft) t - 3sin7 ft) t - 3sln5 ft) t - 45
-3/4sln3.G)t.-M/4stn9ft)t)(6)
В выражении (6) имеются только две частотные составляющие, имеющие частоту 2 (О. Амплитуды этих составляющих равны, 50 а фазы противоположны, т.е. соблюдены все условия для их взаимной компенсации.
Из анализа выражений (4) и (6) можно видеть, что при прохождении сигнала (2), у
55
которого амплитуды частотных составляющих соотносятся как 1:12, нелинейного тракта А.С. частотная составляющая с частотой 3 ft)в сигнале, отображаемом на акра не А.С., отсутствует. При прохождении
510.
-te
20 25 30
35
40
45
50
55
сигнала (5) отсутствует частотная состав/йк ющая с частотой 2ft).
Реальный исследуемый сигнал кроме первой гармоники имеет еще вторую и третью, наиболее существенные по амплитуде среди высших гармоник, т.е. А.С. мож- но измерять амплитуду третьей гармоники, т.к. продукт нелинейного искажения исследуемого сигнала в виде третьей гармоники компенсируется продуктом интермодуляционного искажения в структуре сигнала (2).
Для измерения А.С. амплитуды второй гармоники исследуемого сигнала и :гтользу ется структура сигнала (6), в которой место для второй гармоники также свободно, т.к. по аналогии с вышесказанным паразитные продукты с частотой 2 о , получаемые в результате взаимодействия частотных составляющих сигнала (5) на нелинейности А.Х. А.С., взаимно компенсируются.
Влияет ли на амплитуду третьей гармоники, которая измеряется А.С., результат взаимодействия второй гармоники исследуемого сигнала с частотой 2 со и сигнала умножителя с частотой 5 ft), а также его гармоник, второй и третьей, с частотой 10 о и 15 о). Гармоники выше третьей в спек- тре сигнала умножителя ничтожно малы, поэтому их можно не учитывать. Другими словами, возникает ли при взаимодействии указанных частотных составляющих на нелинейности А.С. частотная составляющая с частотой 3 ft) , если да, то может ли онд существенно повлиять на величину амплитуды измеряемой третьей гармоники.
Из общей теории спектрального преобразования сигналов известно, что при взаимодействии частотных составляющих на нелинейном элементе кроме нелинейных искажений этих составляющих возникают комбинационные составляющие с частотой, равной сумме и разности частот этих составляющих. .
При взаимодействии сигналов с частотой 2 о) и 5 ft) на нелинейности А.С. возникают комбинационные искажения с суммарной частотой 7 и) и разностной 3 (о. При взаимодействии сигнала с частотой 2 «ft) и сигналов с частотой 10 о и с частотой 15tf возникают соответственно сигналы с суммарной частотой 12 ft и 17 о и разностной 8 ft) и 13 ft). Таким образом, частотная составляющая с частотой 3 со возникает только в результате взаимодействия второй гармоники исследуемого сигнала с частотой 2 а) и сигнала умножителя с частотой 5 ш. Амплитуда вновь возникшей частотной составляющей будет много меньше амплитуды третьей гармоники исследуемого сигнала.
Влияет ли на амплитуду второй гармоники, которая измеряется А.С., результат взаимодействия первой гармоники исследуемого сигнала с частотой ю и гармоники сигнала умножителя частоты с частотой 6« о и 9 О) на нелинейности А.Х, А.С. После взаимодействия образуются сигналы с суммарной частотой 7 си и 10 о)л разностной частотой 5 со и 8 а).
Как видно, ни один из вновь возникших сигналов не совпадает по частоте с измеря- емой второй гармоникой, следовательно, может влиять на величину ее амплитуды/
Ф о р м у л а и з о б р е те н и я
Устройство для измерения малых коэффициентов гармоник сигналов, содержащее анализатор спектра, отличающееся
тем, что, с целью повышения точности измя-, рений, в него дополнительно введены умно- жители частоты на три и на пять, аттенюатор, сумматор, блок контроля разности фаз, блок контроля отношения напряжений,два ключа и фаэовращатель, вход которого соединен с входом устройства и подключен к первым входам блока контроля разности фаз, блока контроля отношения
напряжений и сумматора, выход которого подключен к входу анализатора спектра, выход фазовращателя через параллельно сое- диненные две цепи, состоящие из последовательно соединенных умножителей частоты и ключей, подключен к входу аттенюатора, выход которого подключен к вторым входам блока контроля разности фаз. блока контроля отношения напряжений и сумматора.
Изобретение относится к радиоизмерениям и может использоваться совместно с анализатором спектра, анализаторами гармоник, селективными вольтметрами для измерения амплитуд гармоник сигналов с большим динамическим диапазоном. Цель изобретения - повышение точности измерений. Цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены умножители частоты на три и на пять, два ключа, аттенюатор, сумматор, блок контроля разности фаз, блок контроля отношения напряжений и фазовращатель. Устройство содержит также анализатор спектра. 1 ил.
| Севозапашник | 1927 |
|
SU12691A1 |
| Генераторы измерительные | |||
| Методы и средства поверки, с, 9. | |||
