Анализатор спектра мощности случайных сигналов Советский патент 1978 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к нзмерительной технике и может быть использовано для спектрального анализа случайных вибраций, возникающих при эксплуатации, например, самоходных колесных и гуснннчных машнн.

Известен анализатор спектра мощности случайных сигналов, содержащий гетеродин, смеситель, фильтр, преобразователи, коммутатор и индикатор 1.

В этом анализаторе прн плавном изменении частоты гетеродина происходит непрерывный просмотр спектра входного сигнала по всему диапазону частот. Однако при этом в фиксированные равноотстоящне друг от друга моменты времени на вход индикатора поступают дискреты линейчатого спектра, которые по абсолютной величине превышают средний уровень шума и поэтому перегружают индикатор, что приводит к выходу его нз строя, вызывает дополнительную погрешность измерения и нарушает режим раздельного измерения составляющих.

Известен также анализатор спектра мощности случайных сигналов, содержащий входной усилитель, смеситель, перестраиваемый гетеродин, управляемый генератором развертки, усилитель промежуточной частоты с

фильтром, детектор, усилитель низкой частоты, отсчетныЙ прибор, осциллограф, каскад задержки, генератор коммутирующих им пульсов, коммутатор, причем вход каскада задержки соединен с выходом генератора

развертки, а выход его подключен к входу генератора коммутирующих импульсов, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, а сигнальный вход и выход коммутатора подключены соответственно к выходу смесителя и входу усилителя

промежуточной частоты {2).

ОАнако в этом анализаторе исключение дискретной части из общего спектра сигнала достигается за счет привнесения во входную реализацию коммутационных пауз, что снижает быстродействие этого анализатора.

Цель изобретения - увеличение быстродействия.

Это достигается тем, что в анализатор спектра мощности случайных сигналов, содержащий последовательно соединенные входной усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты с фильтром, квадратор, преобразователь напряжения в число импульсов, подключенные к выходу последнего элементы И, связанные с входами регистрирующих приборов, усилитель низкой частоты, подключенный входом к выходу квадратора, а выходами - к входам отсчетного блока и осциллографического индикатора,генератор импульсов и гетеродин, подключенный к второму входу смесителя, дополнительно введены последовательно соединенные матрица линейчатого спектра, счетчик с исключенной кодовой комбинацией и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к входу гетеродина и осциллографического индикатора, а также управляемый источник напряжения, подключенный ко второму входу цифроаналогового преобразователя, и сдвиговый регистр, один вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, вторым своим выходом соединенного со вторым входом преобразователя напряжения в число импульсов и со вторым входом счетчика с исключенной кодовой комбинацией, третий вход которого подключен ко второму входу сдвигового регистра, своими выходами подключенного ко вторым входам элементов И.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого анализатора спектра мощности случайных сигналов; на фиг. 2 - функциональная схема счетчика с исключенной кодовой комбинацией; на фиг. 3 - временная диаграмма, полученная на выходе цифроаналогового преобразователя (на входе гетеродина).

Анализатор содержит последовательно соединенные входной усилитель 1, смеситель 2, усилитель промежуточной частоты 3 с фильтром, квадратор 4, преобразователь 5 напряжения в число импульсов, к выходу которого подключены элементы И 61-6/, связанные с входами регистрирующих приборов 7|-7п , усилитель низкой частоты 8, подключенный входом к выходу квадратора 4, а выходами - к входам отсчетного блока 9 и осциллографического индикатора 10, генератор импульсов И и гетеродин 12, подключенный ко второму входу смесителя 2. Кроме того, анализатор содержит последовательно соединенные матрицу 13 линейчатого спектра, счетчик 14 с исключенной кодовой комбинацией и цифроаналоговый преобразователь 15, выход которого подключен к входу гетеродина 12 и осциллографического индикатора 10, а также управляемый источник напряжения 16, подклю ченный ко второму входу цифроаналогового преобразователя 15, и сдвиговый регистр 17, один вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов 11, вторым своим выходом соединенного со вторым входом преобразователя 5 напряжения в число импульсов и со вторым входом счетчика 14 с исключенной кодовой комбинацией, третий вход которого подключен ко второму входу сдвигового регистра 17, своими выходами соединенного со вторыми входами элементов И 6л-6/ Счетчик 14 с исключенной кодовой комбинацией состоит из элемента И 18, элемента И 19 с инвертирующим и прямым входами, элемента И 20 с прямыми входами, элементов ИЛИ 21 I-21п, триггеров 22 |-22о (основные разряды) счетчика 14, элементов ИЛИ 23 и 24 и счетчик периода 25. При этом, если число разрядов счетчика периода 25 равно п, то число его щин будет равно 2п, число элементов ИЛИ 21 ,-21,г будет равно 2п и число входов элемента И 18 также будет равно 2п.

Анализатор работает следующим образом.

При нажатии кнопки «Пуск (на чертеже Не. показана) синхроимпульс, приходящий на один из входов счетчика 14 с исключенной кодовой комбинацией устанавливает в исходное состояние этот счетчик и

сдвиговый регистр 17. После этого тактовые импульсы с первого выхода генератора импульсов 11 начинают заполнять счетчик 14 и одновременно проходить на управляющий вход преобразователя 5. Каждый такой импульс увеличивает выходной код счетчика единицу и соответственно на один квант (4U) напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 15. В соответствии с этим частота гетеродина 12 увеличивается на один квант (AW), а луч осциллографического индикатора 10 скачкообразно смещается на единицу длины по оси х (оси частот). С выхода гетеродина 12 опорное напряжение с текущей частотой подается в смеситель 2, в результате через фильтр усилителя промежуточной частоты 3 проходит гармоника, соответствующая очередной составляющей непрерывного спектра сигнала x(t) с частотой, на AW больщей предыдуц ей.

Таким образом, напряжение на выходе

цифроаналогового преобразователя 15 нарастает ступенчато-линейно, при этом каждому значению частоты гетеродина 12 соответствует ордината на экране осциллографического индикатора 10, отделенная от предыдущей- ординаты величиной скачка. Ордината равна профильтрованному сигналу x(t)j прошедщему через квадратор 4 и усилитель низкой частоты 8.

Параллельно с этим напряжение с выхода квадратора 4 преобразуется в число имиульсов в преобразователе 5. Эти импульсы подаются на элементы И 6i-б, из которых одновременно открыт только один. Через него импульсы поступают в соответствующий регистрирующий прибор 7i-7п. Совокупность соответствующего элемента И и соответствуюЩ,его регистрирующего прибора образует частотный канал. Эти каналы управляются разрядами сдвигового регистpa 17, в котором циркулирует единичный сигнал. Этот сигнал переписывается из разряда в разряд в соответствии с поступлением на вход сдвигового регистра 17 переключающих импульсов со второго выхода генератора импульсов 11. Синхронно с движением этого импульса происходит переключение частотных каналов. Период переключающих импульсов равен нескольким периодам тактовых импульсов. Варьируя это соотношение, можно проводить октавный, 1/3 октавный и т.д. частотный анализ сигнала x(t).

Основное свойство предлагаемого анализатора заключается в следующем. По мере поступления в счетчик 14 тактовых импульсов с первого выхода генератора импульсов 11 код числа на выходе счетчика 14 увеличивается каждый раз на единицу. Когда формируется кодовая комбинация, на единицу меньшая той, что соответствует гармонике линейчатого спектра, то следующий тактовый импульс увеличивает код счетчика-14 не на единицу, а на две единицы, так как в этом случае код попадает на гармонику. При этом скачок напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 15 равен . Первый такой скачок (см. фиг. 3) происходит в момент времени t i, последующие скачки - в моменты 12, ts и т.д.

При этом первый скачок исключает основ ную гармонику .л. линейчатого спектра, последующие скачки исключают вьющие гармоники: 2д„ 3л и т.д. Таким образом, кодовые комбинации, соответствующие этим гармоникам, являются для счетчика 14 запрещенными. Запрещенная комбинация для основной гармоники задается оператором на выходе матрицы 13 переключателем по управляющему входу. При этом переключатель осуществляет ступенчатый выбор основной частоты с точностью до кванта AW, а плавный выбор в пределах AW осуществляется по управляющему входу управляемого источника напряжения 16. Кодовые комбинации на выходе счетчика 14, соответствующие высшим гармоникам 2.U, З.й-и т.д., исключаются автоматически. Это становится очевидным при рассмотрении-функциональной схемы счетчика 14 (см. фиг. 2).

Счетчик 14 включает в себя счетчик периода 25 с парафазными выходами разрядов, при этом, если число разрядов равно п, то число шин выхода равно 2п. Эти шины подключены к первым входам элементов ИЛИ 21 1-21„, при этом, например к элементам 21 и 212 подключаются щины выхода первого разряда. Ко вторым входам элементов ИЛИ 21 1-21п подключены выходы матрицы 13 линейчатого спектра, на которых существует заданный оператором код. Этот код представлен также парафазно: нулевые шины разрядов матрицы 13 подключены ко вторым входам трех элементов ИЛИ 21 -21 к первым входам которых подключены единичные шины соответствующих разрядов счетчика периода 25, остальнь1е элементы из числа элементов ИЛИ 21 i-21/ объединяют попарно единичные щины разрядов матрицы 13 и нулевые шины соответствующих разрядов счетчика периода 25. Такое включение позволяет контролировать совпадение кодов каждый раз, когда код на выходе счетчика 25 сравнивается с кодом матрицы 13. На выходе элемента И 18 появляется сигнал

«единица. Этот сигнал отпирает элемент И 20, пропуская через него текущий тактовый импульс, и запирает элемент И 19 по инвертирующему входу. После этого сигнал «единица с выхода элемента И 18 проходит элемент ИЛИ 24 и сбрасывает в нуль счетчик периода 25. В результате этого на выходе элемента И 18 появляется сигнал «нуль, отпирающий элемент И 19 и запирающий элемент И 20.

Основные разряды счетчика 14 представлены триггерами 22 i-22/, из которых триггер 22, - первый разряд (2°), триггер 222 - второй разряд (2), триггер 22з-третий разряд (2) и т.д.

Тактовые импульсы от генератора импульсов 11 поступают на счет через элементы И 19 и 20 (одновременно через один из них). Если на выходе элемента И 18 существует сигнал«нуль, то таковые импульсы проходят через элемент И 19 на вход триггера 22 |.

При этом выходной код счетчика 14 с каждым импульсом увеличивается на единицу. Когда на выходе элемента И 18 появляется сигнал «единица, то элемент И .19 запирается, и тактовый импульс от генератора импульсов 11 проходит через элемент И 20

и далее через элемент ИЛИ 23 - на вход триггера 222 (второй разряд счетчика 14-); выходной код счетчика 14 с приходом этого импульса увеличивается сразу на два.

Счетчик периода 25 и основные его разряды (триггеры 22 I-22г) работают параллельно. При этом каждый разряд на частоте очередной гармоники линейчатого спектра счетчика периода 25 сбрасывается в нуль, начиная счет сначала, а выходной код счетчика 14, увеличившись на два, и таким образом, миновав запрещенную комбинацию, продолжает монотонно нарастать.

В режиме циркуляции гетеродина 12, т.е., когда выходной код счетчика 14, а значит, и напряжение цифроаналогового преобразователя 15 и частота гетеродина 12, достигают максимума и следует сброс в «нуль счетчика 14 и переход к повторному циклу развертки частоты, на одном из входов счетчика 14 в моменты таких переходов вырабатывается импульс, который проходит элемент ИЛИ 24 и подтверждает исходное состояние счетчика периода 25, основных разрядов (триггеров 22,-22п) счетчика 14 и сдвигового регистра 17. К моменту окончания процесса измерения в регистрирующих приборах 7,-7п накапливаются результаты анализа непрерывного спектра в частотных полосах, ширина которых определена соотношением переключающих и тактовых импульсов с выходов генератора импульсов П. При анализе линейчатого спектра код с выхода матрицы 13 записывается (на чертеже не показано) в основные разряды (триггеры 22)-22jj) счетчика 14; при этом счетчик-периода 25 и сдвиговый регистр 17 переводятся в «нулевое состояние и удерживаются в нем. Входной сигнал x(t) ослабляется с помощью входного усилителя 1. Отсчетный блок 9 показывает уровень основной гармоники линейчатого спектра. Для измерения уровней высших гармоник 2л, Зд. и т.д. необходимо увеличивать коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя 15 в соответствии с номером интересующей гармоники: для второй гармоники - в два раза, для третьей - в три раза и т. д., что выполняется переключателем по управляющему входу цифроаналогового преобразователя 15. При этом код матрицы 13 остается равным основной гармонике. Формула изобретения Анализатор спектра мощности случайных сигналов, содержац1ий последовательно соединенные входной усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты с фильтром. квадратор, прсобразонатель напряжения в число импульсов, подключенные к выходу последнего элементы И, связанные с входами регистрирующих приборов, усилитель низкой частоты, подключенный входом к выходу квадратора, а выходами - к входам отсчетного блока и осциллографического индикатора, генератор импульсов и гетеродин, подключенный к второму входV смесителя, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия, в него дополнительно введены последовательно соединенные матрица линейчатого спектра, счетчик с исключенной кодовой комбинацией и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к входу гетеродина и осциллографического индикатора, а также управляемый источник напряжения, подключенный ко второму входу цифроаналогового преобразователя и сдвиговый регистр, один вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, вторым своим выходом соединенного со вторым входом преобразователя напряжения в число импульсов и со вторым входом счетчика с исключенной кодовой комбинацией, третий вход которого подключен ко второму входу сдвигового регистра, своими выходами подключенного ко вторым входам элементов И. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Грибанов Ю. И., Мальков В. Л. Спектральный анализ случайных процессов, «Энергия, М., 1974, с. 186-187. 2.Авторское свидетельство СССР № 442435, кл. G 01 R 23/16, 1976.

фиг.1.