Амплитудно-фазовый анализатор гар-МОНиК Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к электроиз мерительной и аналого-цифровой вычислительной технике и предназначено для нахождения линейчатых амплитудного « фазового спектров периодического ана логового входного сигнала, т.е. для получения его спектрального состава Известен анализатор, содержащий перестраиваемый синусно-косинусный ге нератор, два множительных устройства два интегратора и преобразователь координат. Достоинствами этого устройства являются высокое быстродействие и возможность получения не только амплитудного, но и фазового спектра l . Однако схема устройства получаетс сложной и дорогой перестраиваемый.си нусно-косинусный генератор является высококачественным, с малыми нелиней ными искаженияли, множительные устройства, кроме высокой точности, обладают высоким быстродействием. В итоге получается устройство, содержащее около десяти достаточно сложных и точных блоков. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является амплитудно-фазовый анализатор гармо ник, содержащий генератор синуснокосинусного напряжения и первый и второй аналоговые ключи, вход первого аналогового ключа подключен к первому входу устройства, первый выход которого через второй аналоговый к.пюч соединен с первым выходом генератора синусно-косинусного напряжения. Кроме того, амплитудно-фазовый анализатор гармоник содержит преобразователь координат, состоящий из шести нелинейных вычислительных блоков Е2. Недостатком этого устройства является его сложность, обусловленная наличием преобразователя координат, состоящего из шести нелинейных вычислительных блоков, Из теории надежности известно, что чем устройство сложнее, тем оно менее надежно. Цель изобретения - повышение надежности устройства. указанная цель достигается тем, что -в амплитудно-фазовый анализатор гармоник, .содержащий генератор синусно-косинусного напряжения и первый и второй аналоговые ключи, вход первого аналогового ключа подключен к первому входу устройства, первый выход которого через второй аналоговый ключ соединен с первым выходом генератора синусно-косинусного напряжения, введ ны компаратор, конденсатор,.операционный усилитель, блок цифровой уп равляемой проводимости, блок цифро- вого управляемого сопротивления, третий, четвертый и пятый аналоговые ключи, выход первого аналогового клю ча через блок цифрового управляемого сопротивления подключен к первому входу, генератора синусно-косинусного напряжения, второй вход которого соединен со вторым входом устройства и с первым входом блока цифровой управ ляемой проводимости, второй вход которого через третий аналоговый ключ подключен к третьему входу устройства, выход блока цифровой управляемой проводимости соединен со входом операционного усилителя, выход которого через параллельно соединенные четвер тый аналоговый ключ и конденсатор подключен к выходу блока цифровой управляемой проводимости и - через пятый аналоговый ключ - ко второму выходу устройства, второй выход генератора синусно-косинусного напряжения соединен со входом компаратора. Устройство определяет амплитуду фазу -f,. для К-гармоник входного в соответствии с выраже сигнала ниями n arctg + «ок (, J(t)cosH( t)dt Л ™ J V{t)sin(K t)dt о при Vait О при Vcik. О Т - период входного сигнала, К - номер гармоники (К 1, 2, 3) m - масштабный коэффициент (В/рад). Устройством осуществляется переход от а, Ь|, к CK., k Кроме того, для получения на выходе устройства амплитуды к -ой гармоники, а не величины 31 с. , практическое использование которой затруднено, иссследуемый входной сигнал V(t) поступает не через постоянный резистор на первход генератора синусно-косинуснапряжения, а через малоразрядный блок цифрового управляемого сопротивления. . На фиг. 1 представлена функцио.нальная схема устройства; на фиг, 2 функциональная схема генератора синусно-косинусного напряжения; на фиг. 3 - функциональная схема преобразователя координат на основе развертывающих систем. Амплитудно-фазовый анализатор гармоник содержит генератор 1 синусно-косинусного напряжения,компаратор 2,опе рационный усилитель 3,блок 4 цифрового управляемого сопротивления, блок 5 цифровой управляемой проводимости, конденсатор 6, первый, второй, третий, четвертый и пятый аналоговые ключи 7-11. Амплитудно-фазовый анализатор гар МОНИК работает следующим образом. Весь линейчатый амплитудно-фазовый спектр вычисляется за время цикла. Цикл состоит из выполняемых последовательно во времени подциклов, в каждом из которых вычисляются амплитуда и фаза очередной гармоники. Все подциклы имеют один и тот же алгоритм функционирования, изменяются лишь коды, управляющие блоками цифровой управляемой проводимости и цифрового управляемого сопротивления. Рассмотрим работу генератора 1 синусно-косинусного напряжения при действии на него произвольного напряжения V(t) (фиг.2). в исходном состоянии на интеграторах генератора 1 синусно-косинусного напряжения установлены нулевые начальные условия. При t О замыкаются ключи 12, 13 и 14. Тогда работа схемы в операторной форме описывается выражением .,(И--.,.лХ.а,а,Х(М . Откуда V(P) (P) р./,,,. . Для выходного напряжения второго интегратора справедливо V-(P) (Р) . После перехода в t-область и преобразований получим tt У. (t)(t)tJV4t)COSO tdt+Sitl((t)5l«iaytdlt (5j V (t)(co5iutjvft)5intartdt-sinoytjl/(t)cosuyt(|tj Сб , ,,а,аз где оу а Если ключи 12, 13 и 14 замкнуты на время Т, а коэффициенты передачи определяются выражениями 27Г .1 а а J- а - 1 ; а -, то в момент размыкания ключей выходные напряжения интеграторов Л,(Т) I JV(t)cos(k Н t)dt Va, т.е. эти напряжения равны коэффицинтам разложения в ряд Фурье в форе Vc,, , Vfi . Это свойство генератора синуснокосинусного Напряжения и используется при работе амплитудно-фазового анализатора гармоник (фиг. 1). С целью обеспечения возможности управления коэффициентами а и а входные резисторы интеграторов генератора синусно-косинусного напряжения заменены на цифровые управляемые проводимости, при этом переход к анализу каждой очередной гармоники сопровождается увеличением управляющего кода N на величину NQ (код, обратно пропорциональный периоду входного сигнала). Для управления, коэффициентом передачи а используется цифровое .управляемое сопротивление. Анализу первой гармоники соответствует код, равный единице младшего разряда. Увеличение номера анализируемой гармоники соответствует увеличению на единицу кода Nj.

Таким образом, в первом такте каждого из подциклов, при замыкании на время ключей генератора, вычисляются величины Уд и УВК Во втором такте подцикла входной сигнал отключается от генератора, вхема переходит в режим преобразования координат (фиг.З) построенного на основе развертывающих систем. В отмечаемый компаратором kc момент времени, когда выходное напряжение второго интегратора равно нулю, напряжение с выхода первого интегратора равно амплитуде, а с выхода дополнительного интегратора пропорционально фазе исследуемой гармоники, т.е. реализуются уравнения 1-1, 1-2.

Блок цифровой управляемой проводимости во входной цепи дополнительного интегратора введен для того, чтобы отношение. оставалось постоянным.Таким образом, амплитудно-фазовый анализатор гармоник существенно проще и, следовательно, надежнее известного. Из его схемы целиком исклю чается сложный вычислительный блок преобразователь координат, введенный в схему блок цифрового управляемго сопротивления проще любого делительного устройства, которые необходимо вводить по входу V(t) в известном устройстве для того, чтобы получить с выхода величину Ск. , а не JCn..

Амплитудно-фазовый анализатор гармоник также имеет значительные преимущества перед устройствс1ми подобного типа, от которых он отличается простотой, так как в схемотехнике фильтрации просто реализуется лишь нахождение амплитудного спектра, а определители фазового спектра достаточно сложны, быстродействием, так как время переходных процессов в полосовом фильтре тем больше, чем полоса пропускания фильтра, более простой схемой при анализе низкочастотных сигналов, так как низко-: частотные фильтры громоздки, а гете.родинное преобразование частоты для ухода в полосу более высоких частот сложно. По сравнению с анализаторами с непосредственной реализацией уравнений 1 и 2 амплитудно-фазовый анализатор гармоник существенно прение,

так как в нем отсутствуют прецизионные быстродействующие множительные устройства и отдельный блок гфеобразования координат.

Амплитудно-фазовый анализатор гармоник может найти применение в составе различного рода информационноизмерительных комплексов и систем, в качестве автономного устройства для спектрального анализа различного вида механических и акустических колебаний, преобразованных предварительно в напряжение, при аппаратурном, определении нелинейных искажений передаточных характеристик систем автоматического управления и в большом количестве других использований.

Формула изобретения

Амплитудно-фазовый анализатор гар0моник, содержащий генератор синуснокосинусного напряжения и первый и второй аналоговые ключи, вход первого аналогового ключа подключен к первому входу устройства, первый выход кото5рого через второй аналоговый ключ соединен с первым выходом генератора синусно-косинусного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности амплитудно0фазового анализатора гармоник, в него введены компаратор, конденсатор, операционный усилитель, блок цифровой управляемой проводимости, блок цифрового управляемого сопротивления, третий, четвертый и пятый аналоговые ключи, выход первого аналогового ключа через блок цифрового управляемого сопротивления подключен к первому входу генератора синусно-косинусного напряжения, второй вход которого со0единен со вторым входом устройства и с первым входом блока цифровой управляемой проводимости, второй вход которого через третий аналоговый ключ подключен к третьему входу

5 устройства, выход блока цифровой управляемой проводимости соединен со входом операционного усилителя, выход которого через параллельно соединенные четвертый аналоговый

0 ключ и конденсатор подключен к выходу блока цифровой управляемой проводимости и - через пятый аналоговый ключ - ко второму выходу устройства, второй йыход генератора синусно-ко5синусного напряжения соединен со входом компаратора.

Источники информации, приня.тые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 174805, кл. G 01 R 23/16, 1965.

0

2.Корн.Г. А. Моделирование случайных процессов на аналоговых и аналого-цифровых машинах. М., Мир, 1968, с.233-235 (прототип).

12

{

I

iWzjW

I

)

u,-.

Фиг.З L jiu.{i,)