Измеритель коэффициента нелинейных искажений Советский патент 1977 года по МПК G01R23/20 

I

Изобретение относится к информационноизмерительной технике и может -использоваться для измерения коэффициента нелинейных искажении (КИИ) сигналов инфранизкой частоты.

Известен измеритель коэффициента нелинейных искажений 1. Это аналоговый измер.итель компенсационного типа, содержащий вольтметры действующих, значений первой и высших гармоник, устройство сравнения, устройство поиска и выделения минимума напряжения, блок управления, блок формирования компенсирующего напряжения основной частоты, состоящий из последовательно соединенных дискретного умножителя частоты, дискретного делителя напряжения, дискретного фазовращателя, преобразователь код-напряжение и логометр.

Однако быстродействие такого измерителя КНИ низкое, оно определяется алгоритмом работы поиска и выделения минимума действующего значения разностного напряжения на выходе устройства сравнения, который в свою очередь зависит от необходимой точности измерения КНИ и поэтому при достаточно высокой точности измерения может составлять величину Порядка 20-40 периодов исследуемого сигнала, что на инфранизкой частоте порядка IQ- Гц составляет 50 час и более. Кроме того, этот измеритель КНИ не лозволяет точно измерять КИИ сигналов, содержащих постоянную составляющую.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения коэффициента нелинейных искажений сигналов, содержащих постоянную составляющую.

Это достигается тем, что в измеритель коэффициента нелинейных искажений, содержащий блок управления, устройство сравнения, устройство поиска и выделения минимума напряжения, логометр, дополнительно введены элементы И, устройство памяти, блок форхмирования дискретного компенсирующего сигнала, вычислитель действующих значений, индикатор и преобразователь аналог-кад, первый вход которого через первый элемент И соединен с входной щиной измерителя, второй вход преобразователя аналог-код .подключен к первому выходу блока управления, первый вход которого соединен с входной щиной измерителя, а выход Преобразователя аналог- код соединен с первыми входами устройства сравнения -и устройства памяти, второй .и третий входы последнего подключены к второму

и четвертому выходам блока управления, причем выход устройства памяти соединен с вторым входом устройства сравнения, третий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, а четвертый вход устройства сравнения - к выходу блока формировання дискретного компенсирующего сигнала, входы которого соединены соответственно с вторым выходом блока управления и первым выходом устройства поиска и выделения минимума, второй выход которого подключен к второму входу блока управления, а входы устройства поиска и выделения минимума соединены с пятым выходом блока управления и первым выходом вычислителя действующих значений, входы которого подключены к выходу устройства сравнения и третьему выходу блока управления соответственно, а второй выход вычислителя действующих значений через второй элемент И подключен к последовательно соединенным логометру и индикатору, причем вторые входы элементов И подключены соответственно к щестому и четвертому выходам блока управления. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого измерителя КНИ. Измеритель содержит блок 1 управления, элемент И 2, преобразователь 3 аналог-код, устройство 4 памяти, блок 5 формирования дискретного компенсирующего сигнала, элемент И 6, индикатор 7, устройство 8 лоиска и выделения минимума напряжения, устройство 9 сравнения, вычислитель 10 действующих значений и логометр 11. Известно, что квадрат действующего значения непрерывного периодического сигнала и(а) определяется выражением (/ г J и (а) + + + ul..При цифровом методе измерения действующего значения того же «апряжения w(a) весь период его измерения Т - разбивается на Р равных частей. В точках деления периода оь 02,..., а,-,-..,ар преобразователем аналог- код производится измерение мгновенных значений исследуемого сигнала u(ai), «(02),..., u(ai),...,«(ар). Эти значения возводятся цифровым устройством в квадрат и суммируются. В результате определяется приближенное действующее значение того же сигнала и (а) в цифровой форме ( -L р Если спектр исследуемого периодического сигнала и (а) не содержит гармоник, порядок которых выще /С, то при равенство (2) является точным (теорема Котельникова). Но необходимо измерить КНИ периодического несинусоидального сигнала «(а) инфранизких частот от десятков до Гц, который является отношением действующего значения высших гармоник сигнала и (а) действующему значению первой гармоники 1/ |.; /2 Это отнощение вычисляет цифровой логометр, Точность и быстродействие измерения КНИ зависят от того, как организовано измерение интегральных величин L/В.Г и Ui. Выще показано, что известный высокоточный метод компенсации при аналоговой форме сигнала на инфранизких частотах требует больщого времени измерения. Это объсяняется тем, что компенсирующий синусоидальный сигнал должен иметь ту же частоту, что и исследуемый сигнал, а для каждого щага в процессе компенсации требуется один период. Для полной компенсации первой гармоники сигнала ы(а) по амплитуде и фазе может понадобиться десяток и более щагов, каждый из которых занимает -период исследуемого сигнала. Предлагаемый измеритель отличается тем, что неизвестная по амплитуде и фазе первая гармоника исследуемого сигнала и(а) компенсируется в дискретных тачках at дискретными же значениями компенсирующего сигнала в соответствующих точках. Иначе говоря, компенсирующий сигнал представляет собой рещетчатую синусоидальную функцию фиксированной частоты сйком ш, «ачаль-ную фазу ifiKOM и амплитуду UITTIKOM которой можно изменять щаг за щагом в процессе -компенсации. Влияние постоянной составляющей сигнала и(а) устраняется до начала процесса компенсации. Для этого в первый период и(а) дискретные значения u(ai), u(a2),... (цр) одновременно подаются на устройство памяти и устройство сравнения. В устройстве 9 фиксируется среднее значение и (а) за пер-иод, которое сохраняется и в соответствующие моменты времени вычитается из значений ц(а) в процессе компенсации. Схемное рещение устройства сравнения можно реализовать в виде цифрового устройства, состоящего из реверсивного счетчика, в который записываются в течение первого периода дискретные значения u(ai) исследуемого сигнала и путем алгебраического сложения на.ходится среднее значение и{а) за период (постоянная составляющая), причем оно сохраняется в течение всего времени преобразован-ия; регистра, в котором производятся следующие операции: записываются поочередно дискретные значения исследуемого сигнала «(а,) из устройства памяти и результат вычитания и(а.г) и среднего значения t/o, заП-исанного в реверсивном счетчике, т. е. таким образом учитывается дейстие постоянной составляющей, и затем из результата вычитания каждого значения (u.i) - С/о соответственно вычитаются значеия «ком(аг). Результат подается на вычислиель 10. Таким образом, постоянная составляюшая сигнала в дальнейших преобразованиях уже не участвует. Если на первой стадии процесса компенса ЦНИ шаг за шагом изменять только начальную фазу компенсирующей решетчатой синусоиды ном при неизменной ее амплитуде t/imb-oM, ТО устройство автоматически определит минимальное значение функции &{yl N--c/ шкои sin (Шкоы/ + I 1 + ,«-)r} WHHff.,«oi.). где u(ai)-мгновенные значения исследуемого сигнала в точках а,-, измеренные и зафиксированные в ячейках памяти в предшествующем -периоде. На языке аналогового метода измерения выражение (4) означает, что скомпенсирована первая гармоника сигнала и(п) 710 фазе. После достижения минимума функции (4) ПРИ компенсации по фазе устройства автоматического поиска минимума функции (4) осуществляет поиск минимума ПРИ изменении только амплитуды компенсирующего сигнала f iniKOM при неизменном значении начальной фазы, соответствующей минимуму функции (4. В Результате получают минимальное значение ФУНКЦИИ (4) при компенсации первой гармоники исследуемого сигнала ы(а) как по фазе, так и по амплитуде. Этот минимум равен квадрату действующего значения всех высших гармоник. (a/)-C/ Ko«sinX г /«нв ,1,«ин 1 tmKOH - кон I X («ко«#г - I гУГГкомЬУГо-, X X . f/,;«0«) i/lr-(5) Устройство поиска минимума функции (4) основано на численном сравнении последовательны.х значений этой фч-икции F{iJ)iKOM), получаемых в вычислителе 10 за каждый период /2« ком компенсирующего напряжения при дискретном изменении -ф ком от периода к периоду. Если на 5-м периоде компенсации величины г{ч ком и F(-(JIKOM) имеют значения Vfкон 3 на периоде (S-fl) значения , и при fком тГкон имеет место неравенство f5+1 ps то для следующего шага (периода на частоте юком) компенсации задается ,, н т л VliCOK flKOM И - Процесс компенсации по фазе заканчивается на шаге Л, если выполняются HepaBeHCTBa pN-...) После выполнения условия (6) аналогичным образом достигается момент компенсации по амплитуде на шаге Л1: Число шагов (периодов -|, необ.чО димых ДЛЯ ПОЛНЫХ компенсаций по фазе и амплитуде , может оказаться значительным, как и при аналоговом методе компенсации, но длительность одного шага, равного пеТ - , можно сделать в сотни и тысячи раз меньше длительности шага при аналоговом методе компенсации длительт 2 ность периода исследуемого сигнала/ -). Схемное решение устройства поиска и выделения минимума может быть реализовано, например, в виде цифрового устройства из трех регистров и элементов И, которые дают возможность по команде блока управления производить вычитание последующего числа -из предыдущего, производить сброс предыдущего, переписать последующее в регистр предыдущего, а в регистр предыдущего записывается новое значение, которое поступает из вычислителя действующих значений. Знак указанных операций вычитания задает направление очередного шага по фазе или амплитуде. 2г Длительность периода 7icon -- дискретного компенсирующего синусоидального сигнала, в течение которого задается Р значений компенсирующей синусоиды в точках aiKo.M, 02 ком, ajKOM,..., 2Рном, не зависит от периода сигнала , а определяется только быстродействием цифровых или счетных элементов )лока формирования дискретного компенсирующего сигнала и цифровых вычислительных узлов, определяющих функции (4) и (5). ПРИ этом сокращение времени измерения КНИ предлагаемым устройством по сравнению с известным аналоговым устройством равняется отношению частот ком /ком О) / т. е. если Гц, а Гц, то получают выигрыш во времени / JH 10pa3. /10 Гц Современные специализированные цифровые вычислительные устройства позволяют вычислить отдельные значения функций (4) и (5) за время ГкомСО,01 с. Второе важное преимущество предлагаемого устройства состоит j том, что блок формирования дискретного .компенсирующего сигнала выдает дискрет1ные значения синусоидального сигнала t/i7n:KOMsin((OKo.4..i4-il5iKOM) в точках-шком-и.,цифро;50й..форме :с высокой

степенью точности, определяемой только числом разрядов вычислительного устройства этого блока. Это обеспечивает -повышение точности измерения КНИ на инфранизких частотах. Применение же известного аналогового метода компенсации для измерения КНИ на инфранизких частотах встречает значительные тоудности не тотько из-за большого времени измерения, но и из-за трудности формирования непрерывного компенсирующего сигнала с мялым значением КНИ.

Принцип действия предлагаемого измерителя состоит в следующем.

В ис.ходном состоянии устоойство 4 памяти очишено, на элементы И 2, 6 разрешающие потенциалы Ч/1, f/.i с блока 1 управления не подаются, на индикаторе 7 зафиксировано нулевое покязание. ПРИ наличии на входах элемента И 2 и блока 1 управления исследуемого сигнала и(а после нажатия кнопки «OVCK, находящейся в блоке 1, в момент перехода сигнала и(а) через нулевое значение блока 1- вырабатывает управляющее напряжение (/ь которое, поступая «а ВТОРОЙ вход элемента И 2. пропускает исследуемый сигнал -на первый вход преобразователя 3. Преобразователь в точках о.-, задаваемых блоком 1 (ИМПУЛЬСЫ L/j начинает вырабатывать дискретные значения сигнала «(с;)Количество дискретных выработок «Са,), полученных на выходе преобразователя 3, за период исследуем.ого сигнала равно ЧИСЛУ импульсов, сформированных блоком L Каждое дискретное значение исследуемого сигнала u(ni) записывается в свою ячейку лстройства 4 памяти. По окончании Т1ер.иода Т исследуемого сигнала блок I снимает разрешаюший потенциал f/i со ВТОРОГО входа элемента И 2. С этого момента сигнал и fa) на преобразователь 3 не поступает и подача ИМПУЛЬСОВ Ui на преобразователь 3 прекращается. Процесс записи выборок исследуемого сигнала «(а,;) в лстройство 4 -памяти заканчивается. После окончания ттервого периода исследуемого сигнала блок 1 начинает вырабатывать импульсы U;r-o, с частотой сот-пм Э-со, которые постл пают из в.ход устройства 4 памяти, пазпещая ему синхронно с ними выдавать в УСТРОЙСТВО 9 сравнения соответствующие дискретные значения «(аО, u(az), ...,u(a.i},.... и(ар} поочёред;но, где ПРОИЗВОДИТСЯ операция вычитания из этих дискретных значений постоянной составляющей С/р. зафиксированной в устройстре 9. Одновременно импульсы f/,-Ko:.r поступают на вход устройства 5, чем создают моменты формирования дискретных компенсирующих сигналов

«кон {«/) т кои Sin ( + ).

«.Я|/ «/.

которые так же как и дискретные значения исследуемого сигнала, ио с некоторой задержкой постуягают в устройство 9 сравнения:. В результате cmiepauHft, проведенных в этом устройстве, сигнал, поступающий поочередно ча

УХОД вьчислптел 10 с в1):Хча -строГи.тг-а оразнения. имеет вид

«(а,) г/(х,) - f/, .о„(,);

и (7,) Г ц (7j) - U,- «,.о„ (7з);

и (а,) а (-1 - f/o - ком ();

и ( и (7,) и,- Н,о« f7p),

где и (а,-) - результат последовательного

вычитания из дискретных значений сигнала

«(«:) постоянной составляющей Uo и дискретных значений компенсирующего сигнала

1-пм(аОВычислитель 10 вычисляет действующее значение функции ы(а,-) за период

y Jr i«wi-.

(8)

После окончания первого периода компенсируюшего сигнала блок 1 управления вырабатывает управляющий импульс Uz, который разрешает устройство 8 поиска и выделения минимума.

Как только на устройство 8 поступит действующее значение -напряжения с вычислителя 10, начинается процесс минимизации функции (4) по фазе. После нахождения минимума по фазе осуществляется поиск минимума функшш (4) по амплитуде. Поиск минимума

по фазе и амплитуде осуществляется устройством 8 по указанному выще алгоритму, путем изменения дискретных значений фазы Ч ком и амплитуды f/i таком компенсирующего напряжения до тех пор, пока не выполнится

условие полной компенсации в соответствии с выражениями (6) и (7) и б ) .„.,: f/im,

ijl KOM .

По достижении полной компенсации устройство 8 через блок 1 импульсом L передает

показания вычислителя 10 через блок 1 импульсом t/3 передает показания вычислителя 10 через элемент И 6 «а первый вход логометра 11. Этот же импульс запрещает устройству 4 памяти выдавать дискретные значения

(а,-) исследуемого сигнала, а реверсивному счетчику в устройстве 9 сравнения производить оператию вычитания. Таким образом, поступающие с выхода блока 5 дискретные значения компенсирующего сигнала без изменения проходят на вход вычислителя 10, на выходе которого получают за период компенсирующего напряжения действующее значен.ие первой, гармоники:

. -1/ 5 Г«коиЫГ,

и, и.

(9)

которое через элемент И 6 и при наличии на втором входе этого элемента импульса f/s 65 п|)оходит также на вход логометра 11. „огомгтр 11, прэлзБОЛя on jpauiiH деления .: ачс:-1ия 6в. , на Ll, дает значение коэффициента нелинейных искажений, которое фиксируется индикатором 7, А- - /С, - -fj- Применение новых узлов обеспечивает повышение быстродействия измерения КНИ периодических сигналов, что существенно на инфранизких частотах, а также повышение точности измерения КНИ сигналов, содержаших постоянную составляюш.ую. Формула изобретения Измеритель коэффициента нелинейных искажений, содержащий блок управления, устройство сравнения, устройство поиска и выделения минимума напряжения, логометр, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения коэффициента нелинейных искажений сигналов, содержащих постоянную составляющую, в него дополнительно введены элементы И, устройство памяти, блок формирования дискретного компенсирующего сигнала, вычислитель действующих значений, индикатор и преобразователь аналог-код, первый вход которого через первый элемент и соединен с входной шиной измерителя, второй вход преобразователя аналог-код подключен к первому выходу блока управления, первый вход которого соединен с входной шиной измерителя, а вылод пгеобр: зователя аналог-кол, соел: нс.г; с первыми и входами устройства cpaBtjeHii:; и устройства памяти, второй и третий входы последиего подключены к второму и четвертому выходам блока управления, причем выход устоойства памяти соединен с вторым входом устройства сравнения, третий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, а четвертый вход устройства сравнения-к выходу блока формирования дискретного компенсирующего сигнала, входы которого соединены соответственно с вторым выходом блока управления и первым выходом устройства поиска и выделения минимума, второй выход которого подключен к второму входу блока управления, а входы устройства поиска и выделения минимума соединены с пятым выходом блока управления и первым выходом вычислителя действующих значений, входы которого подключены к выходу устройства сравнения и третьему выходу блока управления соответстве-нно, а второй выход вычислителя действующих значений через второй элемент И подключен к последовательно соединенным логометру и индикатору, причем вторые входы элементов И подключены соответственно к шестому и четвертому выходам блока управления. Источники информации, принятые во внимание При экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Л 370540, кл. с 0.1 R 23/16, 1973.