Анализатор спектра Советский патент 1980 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к иэмевительной технике и может быть использовано для определения как отдельных гармоник исследуемого сигнала, так и всего спектра периодического сигнала, либо в качестве избирательного фильтра, выходное напряжение которого пропорционально какой-либо одной гармонике. Известен анализатор спектра электрических сигналов, содержащий устройство выборки мгновенных значений, многоканальный коммутатор, взвешиваю щие резисторы, интегросуммирующие усилители. Принцип действия устройства основан на параллельной работе n каналов, на которые одновременно подается выборка мгновенного значения входного сигнала, суммируемая в каждом сумматоре со своим весовым коэффициентом 1. Недостатком этого устройства явля ется сложность, которая растет вместе с ростом числа исследуемых гармо ник. Известно также устройство аналогового определения ортогональных составляющих спектра финитных сигна лов, состоящее из схемы периодической выборки мгновенных значений сигнала, сумматора в виде многовходового интегросуммирующего усилителя, генератора импульсов и согласующего каскада {2, Недостаток устройства обусловлен узким частотным диапазоном. Цель изобретения - расширение частотного диапазона устройства. Указанная цель достигается тем, что в анализатор спектра, содержащий распределительное устройство, интегросуммирующий усилитель,выход которого подключен ко входу регистрирующего прибора, а вход через взвешивающие резисторы и коммутирующие ключи - ко входу устройства, при этом управляющие входы ключей соединены с выходами распределительного устройства, введены последовательно соединенные счетчик периодов, переключатель и преобразователь кода в число импульсов, умножитель частоты, своим входом подключенный ко входу устройства, а выходом - ко второму входу преобразователя кода в число импульсов, формирователь, вход которого сое.динен со входом устройства, а выход - со входом счетчика периодов входного сигнала и с регистрирующим прибором, а также два эле мента И, первые входы которых соеди нены со вторыми выходами счетчика периодов, вторые входы - со входом последнего, а выходы элементов И с установленными входами распределительного устройства, при этом выход преобразователя кода в число |импульсов подключен ко второму входу ра1спределительного устройства. На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства. Анализатор спектра содержит распределительное устройство 1, коммутирующие ключи 2, взвешивающие резисторы 3, интегрирующий операционный усилитель 4, формирователь 5, умножитель частоты 6, задатчик 7 номера гармоники, счетчик И периодо входного сигналов, преобразователь кода в число импульсов, генератор 1 импульсов, схема И 11, вычитающий счетчик 12, триггер 13, переключатель 14, схемы И 15, 16, регистрирующее устройство 17, аналоговое запоминающее устройство 1Й и аналог цифровой,преобразователь 19, Анализатор спектра может работат в двух режимах: автоматически после довательно во времени определять ор тогональные составляющие всех гармо ник, начиная с первой, или определять только одну гармонику, номер которой задается задатчиком 7, выполненным в виде тумблерного регист ра. В первом режиме выходы счетчика через переключатель 14 подключаются к установочным входам счетчика 12, Входной сигнал интегрируется операционным усилителем 4, при этом коэф фициент усиления интегрирующего уси лителя в каждый момент времени зависит от того, какой взвешивающий резистор 3 подключен с помощью коммути рующего ключа 2 к шине и или -U. Ортогональные составляющие гармоник напряжения, представляемого в виде ряда Фурье, равны Vv|,41V(1, ) с -|-|и(-ьк)з,(ж); ,г где п- число выборок за пе,, vlT значение входного сигна ла в момент п-ой выборк 7 - номер исследуемой гармо ники. ЕСЛИ выбрать сопротивления резисторов 3 л акилш, чтобы при вычислеНИИ В и С,у они были обратно пропорцирн ал ьнымит; е, («)„ ), т cos() -г si«(rv) то выходное напряжение усилителя 4 после окончания цикла интегрирования равно соответственно для косинусной v и синусной составляющей -Ч09 ишь/-) f -- i... п Si«(T1) вых С - J -Т-Б- uaidt, (6) где С„ - величина емкости конденсатора 5; ut - время, за которое открываются ключи 2, Полагая значения U(t) неизменными за время дЬ, из (5) и (6) получают вы..),-) ,(bHfrk) W Сравнивая (7) и (8) соответственно с (1) и 12), видим, что выходное напряжение на операционном усилителе 4 в конце периода пропорционально ортогональным составляющим .гармоники входного сигнала. Распределительное устройство 1, выходы которого подключены к управля ющим входам коммутирующих ключей, выполняют, например, на базе двоичного счетчика и дешифратора или регистра со сдвигом. Оно имеет 2 устойчивых состояний, причем каждому устойчивому состоянию S соответствует подключение определенного взвешивающего резистора. Естественной смене состояний распределительного устройства 1 соответствует последовательное во времени подключение взвешивающих резисторов 3, необходимое для вычисления коэффициента С, т,е, состоянию S распределительного устройства 1 соответствует подключение резистора, сопротивление которого равно Rp/sin (JL 5), к шине и,,если , или к шине -U если , Очевидно, что при подсчете коэффициентов В и С-у, выборка DX должна подключаться при состоянии расгфеделительного устройства 1 S.mod2()() для косинусной составляющей или дая синусной составляющей.

Формирователь 5 в начале каждого периода входного сигнала формирует импульс, который поступает на счетный вход счетчика Ь и входы схем И 15 и 16. Счетчик И подсчитывает- число периодов измеряемого сигнала. На первом периоде вычисляется В, на втором С, на третьем В, на четвертом Cj и т.д., всего 2 периодов.

Умножитель частоты 6 выдает на выходе импульсы, частота которых в п раз больше частоты входного сигнала UK. Каждый такой импульс устанавливает триггер 13 в нулевое состояние и поступает на вход синхронизации ввода кода в вычитающий счетчик 12. При этом код счётчика 12 принимает значение кода счетчика 8 без младшего разряда, так как состояние младшего разряда определяет, какой коэффициент подсчитывается - В л-или Су..Т

Работа преобразователя 9 кода в число импульсов, который содержит генератор импульсов 10, схему И 11, вычитающий счетчик 12 и триггер 13, осуществляется следующим образом.

Когда триггер 13 находится в состоянии О, открывается схема И 11, и импульсы с генератора 10 через схему И 1 1 поступают на счетный вход счетчика 12 и вход распределительного устройства 1. Когда счетчик 12 досчитает до нуля, на его выходе появляется импульс, устанавливающий триггер 13 в состояние Т, при этом схема И 11 закрывается, т.е. на распределительное устройство 1 поступает число импульсов равное коду, принятому счетчиком 12 О: счетчика В, а именно J. Если подсчитывается В, то распределительное устройство 1 через cxejuiy И 1Ь, второ вход которой подключен к нулевому выходу младшего разряда счетчика 8, первоначально устанавливается в состояние S , равное Так как после каждой выборки состояние S распр делительного устройства 1 увеличивается на f единиц и при этом возможны переполнения, то в общем случае его состояние после k-ой выборки определяется по формуле (9) . Если подсчитывается С-г, то распределительное устройство 1 через схему И 16, второй вход которой подключен к единичному выходу младшего разряда счетчика 8, первоначально устанавливается в состояние S, равное нулю. При этом состояние распределительного устройства после k-ой выборки определяется по формуле (1С5) .

Таким образом обеспечивается подключение резисторов, сопротивление которых определяется формулами (3) и (4) ..

В конце периода входного сигнала UYI, когда заканчивается интегрирование,выходное напряжение операционного усилителя 4 поступает на регистрирующее устройство 17, которое выполняют, например, в виде последовательно соединенных аналого-запоминающего устройства 18 и аналого-цифрового преобразователя 19, работа которых синхронизируется выходными импульсами формирователя 5.

Во втором режиме входы счетчика 12 подключаются через пере кто чатель 14 к задатчику номера гармоники 7,

to нaлизaтop спектра работает так же, как и в первом р9жим(. но на эхсл распределительного устройства 1 и счетный вход счетчика 12 после каждого выходного импульса умножителя

15 частоты 6 поступает одинаковое число импульсов, равное номеру гармоники, установленному в задатчике 7.

Таким образом, подключение входа распределительного устройства через

20 преобразовате.1Ь кода в число имп,-льсов и умножитель частоты ко входу устройства позволяет расширить частотный диапазон исследуемых сигналов. При этом расширенный частотный диапазон равен диапазону умножаемых

25 частот в умножителе частоты и при использовании широкополосного умножителя частоты составляет несколько декад. Кроме того, анализатор спектра позволяет определять все коэффици30енты ряда Фурье, в который разлагается входной сигнал, при этом используются одни и те же взвешивающие резисторы и интегросуммирующий усилитель. Этим исключается применение

35 параллельных каналов для определения Юртогональных составляющих гармоник периодического сигнала. Возможность работы анализатора в двух режимах облегчает йаладку устройства и, создает

40 удобства при его эксплуатации. Формула изобретения

Анализатор спектра, содержащий распределительное устройство, интегросуммирующий усилитель, выход которого подключен ко входу регистрирую45щего прибора, а вход через взвешивающие резисторы и коммутирующие .ключи - ко входу устройства, при этом управляющие входы кпючей соединены с выходами распределительного

50 устройства, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона устройства, в него введены последовательно соединенные счетчик периодов, переключатель к

55 преобразователь кода в число импульсов, умножитель .частоты, своим входом подключенный ко входу устройства, а выходом - ко второму входу преобразователя кода в число импуль60сов, формирователь, вход которого ::оединен со входом устройства, а выход - со входом счетчика периодов входного сигнала и с регистрирующим прибором, а также два элемента И,

65 первые входы которых соединены со

вторыми выходами счетчика периода, вторые входы - сЬ входом последнего, а выходы элементов И - с установочными входами распределительного устройства, при этом выход преобразователя кода в число импульсов подключен ко второму входу распределительного устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 456226, кл. G 01 R 23/00, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР 438939, кл. G 01 R 23/00, 1974.