Анализатор частотного спектра Советский патент 1982 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для выделения гармонических составлякицих периодических сигналов сложной формы, измерения их амплитуд, а также фазовых сдвигов. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является анализатор частотного спектра, который сос тоит из группы анализирующих фильтров, детекторов, интеграторов, дву коммутаторов, индикатора, переключа теля, входного устройства, формирователя интервала времени, ключа, делителя частоты, генератора импуль сов, двух счетчиков, схемы совпадения, триггера, прерывателя и источн ка опорного напряжения U . Недостатком данного устройства является невозможность измерения значений фазовых сдвигов полученных г;)рмонических составляющих иссл дуемого сложного сигнала и невозмоям ность представления гясгогреаовл фазового спектра в реальном времени. Кроме того, на форму сигнала влияют и величины начальных фаз сос4 тавлякщих спектра. Следовательно, только амгоштудно-фазочастотньй аная13 может дать полное представление о спектре сигнала. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в анализатор частотного спектра, содержащий групгал последовательно соединенных аналидафукицих фильтров, детекторов, интеграторов, выходы которых через один иа двух- коммутаторов подключены к входу ичдикаторй ., последовательно соединенные триггер, прерыватель, переключатель и входной блок, последовательно соединен гые формирователь импульсов и первый ключ, последовательно соединенные генератор импульсов и делитель частоты, два счетчика, выходы которых под-i ключены ко входам элемента совпадения, входы детекторов связаны со входами второго коммутатора, и источник опорного напряжения, а входы второго счетчика подключены к выходам генератора импульсов и элемента совпадения, дополнительно вводится усилитель-ограничитель, последовательно соединенные со входами детекторов, автоматический переключатель, амплитудный детектор, аналого-цифровой, преобразователь, цифроаналоговый преобразователь и второй ключ, выход которого подключен к первому входу прерывателя, измеритель периода, сумматор, последовательно соединенные блок упраления и измеритель периода, третий ключ, включенный между источником опорного напряжения и третьим входо прерывателя, первый отсчетный блок, последовательно соединенные с генератором импульсов цифровой фазометр с памятью и второй отсчетный блок, элемент задержки и переключатель каналов, включенный между входным блоком и избирательными фильтрами, выход автоматического переключателя соединен со вторым входом цифрового фазометра и со вторым входом измерителя периода, третий вход которого связан с выходом делителя частоты, а выход - со входом первого счетчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым отсчетным блоком, вход триггера через элемент задержки соединен с выходом элемента совпадения и со входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого ключа, а выход - к третьему входу второго счетчика, вход формирователя импульсов соединен с выходом усилитля-ограничителя, вход которого связан с выходом второго коммутатора, второй выход прерывателя соединен со вторым входом цифрового фазометр а выходы блока управления соединен с упрявляющими входами трех ключей, элемента зедержки и сумматора.

- На чертеже приведена структурная схема устройства.

Анализатор содержит переключател 1, входной блок 2, группу избирательных фильтров 3, группу детекторов 4, группу интеграторов 5, перBbrii коммутатор 6, индикатор 7, второй коммутатор 8, формирователь 9

импульсов, первый ключ 10, делитель 11 частоты, генератор 12 импульсов, счетчики 13 и 14 импульсов, элемент совпадения 15, триггер 16, прерыватель 17, источник 18 опорного напряжения, усилитель-ограничитель 19, автоматический переключатель 20j амплитудный детектор 21, аналогоцифровой преобразователь 22, первый отсчетный блок 23, цифро-аналоговый преобразователь 24, второй ключ 25, измеритель 26 периода, сумматор 27, блок 28 управления, третий ключ 29, цифровой фазометр 30 с памятью, второй отсчетный блок

31, элемент задержки 32, переключатель 33 каналов.

Устройство работает в трех режимах .

При этом возможно измерение амплитуд гармонических составляющих и в последовательном, и в параллельном анализе. Дпя последовательного анализа предусмотрена калибровка

по пробному сигналу, что повьппает точность измерений. Режим калибровки используется и при измерении начальных фаз гармонических составляющих.

В режиме измерения амплитуд гармонических составляющих без калибровки работа схемы осуществляется следующим образом.

Переключатель 1 фиксируется в положении, при котором соединяется входное гнездо с входным блоком 2, ключ 25 фиксируется в разомкнутом состоянии. При такой фиксации переключателя 1 и ключа 25 входной сигнал поступает на входной блок 2 и далее через переключатель каналов 33 на выбранный фильтр 3, где выделяется одна из гармонических составляющих сигнала, на которую настроен фильтр, после чего напряжение отфильтрованной гармоники поступает на детектор 4, интегратор 5, а затем напряжение сигнала подключается через первый коммутатор 6

к индикатору 7 для индикации.

Повышение точности измерения достигается за счет использования калибровки по пробному сигналу. В 5 этом режиме схема работает следующим образом. Переключатель 1 фиксируется во втором положении, соединяя прерыватель 17 со входным блоком 2. Второй коммутатор 8 позволяет подключаться к любому каналу анализатора. Третий ключ 29 подключает источник 18 опорного напряжения к прерывателю 17, а второй ключ 25 остается в разомкнутом состоянии. При этом переменная составляющая сигнала выбранного канала поступа-. ет на усилитель-ограничитель 19, гд происходит ограничение его амплитуды, затем сигнал поступает на формирователь 9 импульсов и после первого ключа 10 сформированные импуль сы с периодом повторения, периоду сигнала выбранного канала, поступают на сумматор 27 и далее управляют работой второго счетчика 14 импульсов, заполняющег }ся в этот момент импульсами с генератора 12 импульсов. Следовательно, количество импульсов, записанное в регистр счетчика 14 будет пропорциоиально периоду сигнала выбранной гармоники Это количество импульсов поступает на один из входов многоразрядного элемента совпадения 15. На другой вход его поступает непрерывное коли чество импульсов с выхода многоразрядного регистра сдвига первого сче чика 13. Счетчик 14 заполняется непрерывными импульса| ш, поступающими с генератора 12 импульсов через делитель 11 частоты. Измеритель 26 периода заблокирован блоком 28 управления так, что импульсы с делите ля 11 частота подаются непосредственно на вход счетчика 13 импульсов и сигнал с автоматического пере ключателя 20 на счетчик 13 не воздействует. На выходе элемента совпа дения 15 появляется сигнал каждь й раз, как только количество импульсов, пОступакнцих с регистров сдвига счетчика 13 сравняется с количеством импульсов, записанным в регистры сдвига счетчика 14. С выхода элемента совпадения 15 импульсы проходят через элемент задержки 32 на вход триггера 16, при этом схема элемента задержки 32 заблокирована и не воздействует на поступающие импульсы. Выходные импульсы триггера 16 воздействуют на прерыватель 17, который в свою очередь модулирует выходно напряжение источника 18 опорного напряжения. Полученная серия прямоугольных импульсов (ксированной амплитуды и с длительностью, соответствующей периоду измеряемого сигнала гармоники выбранного кангпа, является калибровочным сигналом, который подается на переключатель 1 и используется в-дапьнейшен при калибровке анализатора. В режиме измерения начапышх фаз гармонических составляющих, функциональные узлы схеьйа находятся в следующем состоянии. Третий ключ 29 разомкнут, второй ключ 25 замкнут, автоматический переключатель 20 включает канал, фазу гармонической составлякяцей которого необходимо измерять. При этом с выхода автоматического переключателя 20 переменная составляющая гармоник поступает на амплитудный детектор 21, где детектируется и далее на аналого-цифровой преобразователь 22 поступает постоянная составлякщая, величина которой пропорциональна амплитуде входного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 22 преобразует этот сигнал в цифровой код, поступакядий на первый отсчетный блок 23 для индикации гистограммы параллельного анализа. Одновременно сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь 24, далее - на ключ 25 и прерыватель 17. Управление прерывателем осуществляется импульсами триггера -16. Импульсы запуска триггера 16 фор a pyютcя следукхщ м образом. Сигнал измеряемой гармоники посл9 автоматического переключателя 20 поступает также на один из входов ци||ч; ового фазометра 30 и на измеритель 26 периода. Последний обеспечивает поступление с делителя 11 частоты количество импульсов, проnopt tcmanbHOe периоду исследуемой гармоники. Это количество импульсов фиксируется в многоразрядном сдвиговом регистре счетчика 13 и подается на один из входов элемента совпадения 15. На другой вход элемента совпадения 15 поступают импульы со сдвиговых регистров счетчика 14 импульсов, который в непрерьшном режиме работы фиксирует импульсы генератора 12 импульсов. При совпадении количества импульсов, поступающих с генератора 12 импульсов с количеством импульсов, записанным в регистрах сдвига счетчика 13 импульсов, на выходе элемента совпадения 15 появится импульс, который обну.чит счетчик 14 и перебросит тригер 16 в другое состояние.

Импульсы, образующиеся после тригера 16 являются управляющими для прерывателя 17. Прерыватель обеспечивает модуляцию выходного напряже {ия цифроаналогового преобразователя 24. Образующиеся при этом прямоугольные импульсы поступают на переключатель 1 для калибровки тракта фильтрации и на второй вход цифрового фазометра 30, что позволяет контролировать работу цифровой части тракта фop в poвaтeля. При отсутствии погрешности в тракте формирователя на втором отсчетном блок 3J индицируется нулевой фазовый сдвиг,

Для измерения фазового сдвига выбранной гармоники по отношению к первой, производится привязка сформированного сигнала к начальной фазе первой гармоники следующим образом. Коммутатор 8 подключает сигнал первого канала к усилителю-ограничителю 19. При этом отметим, что схема второго коммутатора 8 допускает подключение любого канала анализатора, что обеспечивает измерение фазы выбранной гармоники по отношению к любой гармонике сложного сигнала. После усилителя-ограничителя 19 сигнал поступает на формирователь импульсов 9 и через ключ 10 - на сумматор 27. Поступивший импульс обнуляет счетчик 14 и возобновляется заполнение его регистров импульсами с генератора 12 импульсов. После этого начинается опи

санный ранее процесс сравнения и вьщеления импульсов с периодом следования, соответствующим периоду измеряемого сигнала,

В это время элемент задержки 32 открывается, а поступаювдяе с выхода элемента совпадения 15 импульсы управляют триггером 16 и на цифрово фазометр 30 подается сигнал, начальная фаза которого синхронизирована с начальной фазой сигнала первой гармоники. Таким образом, на один

из входоь цяфриного ф.11о:и-мр,1 поступгшт синусоидальный n-jмеряемоГ фазы, а на другой (годаюгсм прямоугольные импульсы, ранные; по 5 амплитуде синусоиде с начальной фазой, совпадающей с фапой перчой гармоники, т.,е. фазовый сдвиг между этими сигналами соответствует фазовому сдвигу между исследуемым сигналом и сигналом первой гармо1и1ки.

Изобретение позволяет значительно расишрить выполняем1 1е известным анализатором функции за счет новых возможностей измерения значе шй фазовых сдвигои гармонических составляющих исследуемого сложного сигнала. Следует также отметить, что устройство анализатора фаз с формирователем,у которого амплитуда опорного (калибровочного) сигнала равна амплитуде исследуемой гармоники, отличается от известных анализаторов фаз и фазометров тем, что в данном устройстве исключается амплитудно5 фазовая погрешность, которая имеет место в существующих анализаторах и фазометрах.

Кроме того,данное устройство обеспечивает возможность точного измерения начальных фаз отдельных гармоник относительно начальной фазы не только первой, но и любой гармонической составляющей сложного сигнала.

Формула изобретения

Анализатор частотного спектра, содержащий группы последовательно соединенных анализирующих фильтров детекторов5интеграторов, выходы которых через один из двух коммутаторов подключены к входу индикатора, последовательно соединенные гер, прерыватель, переключатель и входной блок, последовательно соединенные формирователь импульсов и первый ключ, последовательно соединенные генератор импульсов и делитель частоты, два счетчика, выходы которых подключе.ны ко входам элемента соападения, входы детектор. связаны со входами второго коммутатора, и источник опорного напряжения, а входы второго счетчика подключены к выходам генератора импульсов и элемента совиа,цения, о т ли ч а ю щ и и с я тем, что, с

целью расширения функциональных возмозкностей устройства, в чего вве даны усилитель-ограничитель, последовательно соединенные со входами детекторов автоматический переключатель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь и второй ключ, выход которого подключен к первому входу прерывателя, измеритель периода, сумматор, последовательно соединенные блок управления и измеритель периода, третий ключ, включенный меяду источником опорного напряжения и третьим входом прерывателя, первый отсчетный блок, последовательно соединенные с генератором импульсов цифровой фазометр с памятью и второй отсчетный блок, элемент задержки и переключатель каналов, включенный между входным блоком и избирательными фильтрами, выход автоматического переключателя соединен со вторым входом цифрового фазометра и со вторым входом измерителя периода.

0020910

третий вход которого связан q выходом делителя 1астоты, а выход со входом первого счетчика, выход анапого-цифрово1 о преобразователя 5 соединен с первым отсчетным блоком, вход триггера через элемент задержки соединен с выходом элемента совпадения и со входом сумматора, второй вход которого под10 ключей к выходу первого ключа, а выход - к третьему входу второго счетчика, вход формирователя импульсов соединен с выходом усилителя-ограничителя, вход которого

15 связан с выходом второго коммутатора, второй выход прерывателя соединен со вторым входом цифрового фазометра, а выходы блока управления соединеш с управляющими входами трех ключей, элемента задержки и сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. Авторское свидетельство СССР

25 по заявке № 2539072/18-21, кл. G 01 R 23/16, 1977.