АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Советский патент 1973 года по МПК G01R23/16 

1

Изобретение может быть применено в электро- и радиоизмерительной технике для анализа спектра несинусоидальных периодических колебаний тока или напряжения, т. е. для определения амплитуд и фаз гармонических составляющих спектра.

Известны амплитудные анализаторы спектра, в которых используется принцип качания частоты опорного напряжения и измеряется проекция измеряемого сигнала, представляющего собой некоторую сумму векторов, на ось, совпадающую с вектором опорного напряжения.

Однако при помощи таких анализаторов спектра невозможно измерять фазовые сдвиги гармонических составляющих спектра. Кроме того, эти устройства не позволяют проводить измерения с погрещностью, меньщей 10%, так в них в качестве выходных приборов применены электроннолучевые трубки.

Цель изобретения - повыщение точности определения амплитуд и фаз пяти гармонических составляющих спектра несинусоидального электрического колебания.

Это достигается с номощью десятиканального вектормерного устройства, выходы которого соединены с входами матричного преобразователя, осуществляющего рещение системы десяти линейных уравнений с постоянными коэффициентами.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого анализатора спектра.

Источник / опорного напряжения соединен с входами выпрямительного устройства 2 и усилителей-ограничителей 3-8, выполненных по балансной схеме. Другие входы усилителей связаны с соответствующими выходами выпрямительного устройства. Между выходами усилителей включены пять первичных обмоток

пяти стандартных импульсных трансформаторов 9-13. Выходные обмотки импульсных трансформаторов имеют заземленную среднюю точку, а каждый крайний вывод каждо из пяти выходных обмоток соедине) с пересчетным входом одного из десяти симметричных триггеров 14-23. Один из выходов каждого триггера соединен с управляющим входом одного из десяти ключей 24-33, а рабочие входы всех десяти ключей-с источником 34 пзмеряемого напряжения. Выходы всех ключей присоединены к соответствующим входам матричного устройства 35, осуществляющего рещение системы из десяти линейных уравнений с постоянными коэффициентами. Пять синфазных выходов матричного устройства подключены к соответствуюиио неподвижным контактам переключателя 36, а пять квадратурных выходов - к контактам другого переключателя 37. Подвижный контакт каждого

из двух переключателей соединяется с входом

одного из двух измерительных механизмов 38, 39.

Принцип действия предлагаемого анализатора спектра следующий.

Анализатор снабжен десятью широкодиапазонными импульсными фазосдвигающими устройствами (ИФСУ), работой которых управляет опорное напряжение (в качестве источ)iHKa опорного напряжения использован обычный звуковой генератор). Опорное напряжение задает частоту основной гармоники измеряемого спектра и от него отсчитываются фазовые сдвиги всех измеряемых гармонических составляющих спектра. На выходах импульсных фазосдвигающих устройств имеются десять различных импульсных нанряжений, управляющих работой десяти ключей, поэтому при подаче на входы всех десяти ключей измеряемого напряжения на выходах этих ключей появляются различные напряжения, зависящие от измеряемого и унравляющего напряжений. Влияние управляющих напряжений на постоянные составляющие выходных напряжений ключей может быть учтено заранее (управляющие нанряжения не зависят от измеряемого напряжения). Вследствие этого, применяя матричный преобразователь, собранный на постоянных резисторах, проводимости которых определяются заранее, можно преобразовать выходные напряжения ключей таким образом, чтобы токи на выходах матричного преобразователя были пропорциональны ортогональным проекциям пяти гармонических составляющих спектра из.меряемого несинусоидального напряжения.

Работа импульсных фазосдвигающих устройств основана на сравнении переменного синусоидального напряжения с постоянным. Переменное синусоидальное напряжение подается на один вход балансного усилителя, на другой его вход поступает постоянное напряжение. Па выходе усилителя оказывается импульсное напряжение. Длительность импульса зависит от отношения постоянного папрял еппя к амплитуде переменного. Эта зависимость описывается выражением т.

Q 2arccos

(J:n

Для управления сипхронными детекторами (в данном случае ключами) необходимо иметь для каждой измеряемой составляющей спектра несинусоидального исследуемого напрял.епия или тока два импульсных напряжения, импульсы которых смещены один относительно другого на четверть периода данной гармоникп. Для получения пяти пар импульсных напряжений со сдвигами, соответствующими четверти периода первой, второй, третьей, четвертой и пятой гармоник достаточно иснользовать шесть усилителей-ограничителей. На все шесть усилителей подаются одно и то же переменное синусоидальное напряжение и различные постоянные напряжения, причем на один из этих усилителей (на усилитель-ограничитель 5) поступает пулевое постоянное напряжение.

Благодаря заземлению средних точек выходных обмоток всех пяти импульсных трансформаторов, на крайних выводах этих обмоток образуются взаимно инвертированные импульсные напряжения. При подключении крайних выводов вторичных обмоток импульсных трансформаторов к пересчетным входам

симметричных триггеров, которые срабатывают от положительных перепадов напряжения, на выходах каждой пары триггеров, подсоединенных к одному трансформатору, появляются импульсные напряжения, сдвинутые одно

относительно другого на определенный интервал времени. У первой пары триггеров (14, 7У) зтот интервал равен четверти периода первой гармоники, у второй пары (1о, 2U} -четверти 11С-риода второй гармоники, у третьей пары

(, 1) -четверти периода третьей гармониК)1 и т. д.

:сли с помощью выходных напряжений триггеров управлять ключами, на входы которых подается измеряемое несинусоидальное

напряжение, то, преобразуя постоянные состав„1яющие выходных напряжений ключей в матричном устройстве, собранном на постоянных резисторах, можно получить токи, пропорциональные ортогональным составляющим

пяти гармоник измеряемого напряжения.

Рассмотрим измеряемое напряжение на входах ключей как сумму гармонических составляющих, каждую гармонику - как сумму синусной и косинусной составляющих, причем

ограничимся только пятью гармониками. Такнм образом, входное напряжение можно представить как сумму из десяти гармонических колебаний (пять синусоид и пять косинусоид;. Постоянные составляющие иа выходах

ключей зависят от амплитуд всех десяти слагаемых входного сигнала, причем коэффициент влияния амплитуды каждой слагаемой входного нанряжения на постоянную составляющую выходного напряжения данного ключа является независимым от величины амплитуды этой составляющей входного сигнала. Оказанные коэффициенты влияния зависят только от унравляющих напряжений ключей и ноэтому неизменны при любых измеряемых

нанряжениях.

Записывая уравнения для постоянных составляющих выходных напряжений всех десяти ключей, получим систему из десяти уравнений, которую можно записать в виде матрицы

коэффициентов влияния, причем все эти коэффициенты являются постоянными.

Определив матрицу, обратную по отношению к полученной, узнаем с какими весовыми коэффициентами нужно суммировать выходные напряжения ключей, чтобы постоян ая составляющая суммарного сигнала была пропорциональна той или иной слагаемой измеряемого напряжепия. Моделируя коэффициенты обратной матрицы проводимостями, получим, что выходные токи матричного преобра