Автоматический цифровой измеритель коэффициента гармоник Советский патент 1982 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения малых значений коэффициента гармоник синусоидальных сигналов при измерении электрических параметров интег-ральных микросхем и усилительных устройств.

Известен цифровой измеритель коэффициента гармоник, содержащий формирователь, умножитель частоты, ключ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два задатчика ортЬго- напьных функций, два множительных цифровых устройства, два счетчика, три блока переноса, квадратор, сумматор, устройство извлечения квадратного корня, измеритель отношения кодов и блок управления Ц.

Недостатком устройства является невысокая точность измерения коэффициента гармоник при малых его значениях, обусловленная ограничением разрядности современных АЦП.

Наиболее близким к предлагаемому является измеритель коэффициента гармоник, содержащий блок управления, формирователь, умножитель частоты, ключ, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, сумматор, первый

блок переноса, блок извлечения квадратного корня и измеритель отношения кодов, задатчик начальной фазы, два Зсщатчика ортогональной функции, два множительных блока, два счетчика, два блока переноса, два преобразователя код - напряжение, блок вычитания напряжений и блок забора шкалы 2.

10

Недостатком этого измерителя являются большие габариты устройства из-за требований получения высокой точности измерений,.путем увеличе15ния разрядности АЦП. Кроме того, динамический диапазон измерителя ограничен малыми значениями амплитуд и частот измеряемого сигнала.

20

Погрешность измерения коэффициента гармоник зависит от уровня подавления в измеряемом сигнале первой гармоники, осуществляемого за счет вычитания из измеряемого сигнала

25 сформированного ортогонального сигнала.

Относительная погрешность измерения 5 , обусловленная погрешностью 30 задания начальной фазы ортогонального сигнала,может быть найдена и математического выражения: б 2 sin - . 100%, где «р - угол фазового paccoiviacoBaния первой гармоники и сформирован ного ортогонального сигнала. При частоте квантования fuft , равной , где fx - частота первой гармо ники измеряемого сигнала, п - число отсчетов, взятьрс из сигнала за перио его первой гармоники, погрешность измерения превышает 6,3%, если . Для получения S40,l% необходимо выбирать , что соотве ствует ,5. угловым мин. Реализация названной точности требует большого объема оперативной и постоянной цифровой памяти. Напри мер, если число уровней дискретизации по амплитуде измеряемого и орто гональных сигналов равно 1000{десят двоичных разрядов) и п б 200, то на построение задатчиков ортогональ ных функций счетчиков и сумматоров требуется порядка 2,5 млн бит памят Для получения в течение одного периода первой гармоники начальной фазы ортогонального сигнала с точностью до одного отсчета задатчик начальной фазы должен содержать по крайней мере п/4 дешифраторов кодов углов фазового рассогласования, т.е. в памяти названного задатчика необходимо при п 6200 хранить порядка 1500 кодов,с которыми необходимо сравнивать вычисленный код угла фазового рассогласования. При числе уровня дискретизации по ампли туде, равном 1000, точность формиро вания амплитуды опорного сигнала со ставляет 0,1%, а при числе уровней дискретизаций,, равном 100, эта точность не превышает 1%. Цель изобретения - раоаирение функциональных возможностей измерителя в широких динамических диапазо нах амплитуд и частотном диапазонах измеряемого сигнала. Цель достигается тем, что в изме ритель, содержащий блок управления, два преобразователя, код-напряжение формирователь импульсов, посл довательно соединенные блок вычитания напряжения, блок выбора шкалы, аналого-цифровой преобразователь, квадратор/ сумматор, первый блок переноса и блок извлечения квадратного корня, последовательно соединенные первый задатчик ортогональной функции, первый множительный элемент, первый счетчик и второй бл переноса, выход которого соединен с вторым входом квадратора и с первым входом задатчика начальной фазы, второй вход которого подключен к входу первого задатчика ортогональной функции, а выход задатчика начал ной фазы соединен с входом второго задатчика ортогональной функции, выход которого через первый преобразователь код-напряжение подключен к одному из входов блока вычитания напряжения и через последовательно соединенные второй множительный элемент, второй счетчик, третий блок переноса подключен к третьему входу квадратора, первый вход которого соединен с вторыми входами первого и второго множительных элементов, введены высокочастотный генератор, делитель частоты с перемен ным коэффициентом деления, блок точной установки начальной фазы, делитель частоты с постоянным коэффициентом деления, импульсный фазовый детектор, блок изменения коэффициента передачи, элемент сравнения, три распределителя импульсов и три регистра набора кодов, при этом вход блока изменения коэффициента передачи соединен с входной клеммой измерителя , а его выход подключен к второму входу блока вычитания напряжения и к входу формирователя импульсов , выход которого соединен с одним из входов импульсного фазового детектора и с входами трех распределителей импульсов, выход первого из которых через первый регистр набора кода подключен к одному из входов делителя частоты с переменным коэффициентом деления, а выход второго распределителя импульсов соединен с первым входом второго регистра набора кода, второй вход которогоподключен к выходу первого счетчика, а выход второго регистра набора кода через блок точной установки начальной фазыXподключен к второму входу делителя частоты с переменным коэффициентом деления, третий вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, а выход делителя частоты с переменным коэффициентом деления соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя и с входом задатчика начальной фазы непосредственно и через делитель частоты с постоянным коэффициентом деления - с вторьм входом импульсного фазового детектора, выход которого подключен к второму входу первого регистра набора кода, а выход третьего распределителя импульсов подключен к первому входу третьего регистра набора кода, второй вход которого через элемент сравнения соединен с сумматора, а выход третьего регистра набора кода через второй преобразователь код-напряжение соединен с управлянмдим. входом блока изменения коэффициента передачи. На чертеже приведена структурная схема измерителя коэффициента гармоник.

Измеритель содержит первый распределитель 1 импульсов, первый регистр 2 набора кода, делитель 3 частоты с переменным коэффициентом деления, делитель 4 частотьц с постоянным коэффициентом деления,импульсный, фазовый детектор 5, высокочастотный генератор б, второй, распределитель 7 импульсов, второй регистр 8 набора кода, блок 9 точной установки начальной фазы,третий распределитель 10 импульсов, третий регистр 11 набора кода, второй преобразователь 12 код-напряжение, блок 13 изменения, коэффициента передачи, формирователь 14 импульсов, блок 15 вычитания напряжений, блок 16 выбора шкалы, аналого-цифровой преобразователь 17, квадратор 18, сумматор 19, первый блок 20 переноса, блок 21 извлечения квадратного корня, первый задатчик 22 ортогональной функции, первый множительный блок 23, первый счетчик 24, второй блок 25 переноса, задатчик 26.начальной фазы, второй задатчик 27 ортогональной функции, второй множительный блок 28, второй счетчик 29, третий блок 30 переноса, первый преобразователь ЗГ кодгнапряжение, элемент 32 сравнения, блок 33 управления (цепи передачи сигналов управления не показаны) и входную клемму 34 измерителя..

Устройство работает следующим образом.

В исходном режиме счетчики 24 и 29, сумматор 19 и делитель 4 находятся в нулевом состоянии, в регистры 2,8 и 11 записан код 100...О, к второму входу блока 15 вычитания напряжений подключено напряжение UK,OB, на задатчике 26 начальной фазы заданб §-0, в триггеры делителя 3 записан код с соответствующих триг- , геров регистра 8. Измеряемый сигнал Ux через блок 13 поступает на формирователь 14 и на блок 15. При переходе напряжения Ux через нуль блок 33 управления дает разрешение на начало деления частоты генератора 6 последовательно соединенными делителями 3 и 4. Коэффициент деления .делителя 4 равен постоянному числу п, определяющему число отсчетов, которое производится в течение периода первой гармоники из измеряемого сигнала, а коэффициент деления делителя 3 определяется регис.тром 2. В исходном режиме коэффициент деления делителя 3 был вьщан равным 50% от максимально возможного коэффициента. По окончанию периода первой гармоники измеряемого сигнала при переходе напряжения вновь через нуль, в следующий за старшим разрядом регистра 2 записывается единица, а триггер старшего разряда регистра 2 переписывает на свой выход потенциал с выхода детектора 5. При этом он сохраняет

верхний уровень, равный единице, если частота на выходе делителя выше требуемой и имеет уровень, равный нулю, если частота на выходе делителя 4 ниже требуемой. Одновременно триггеры делителя 4 сбрасываются в нуль, а в триггеры делителя 3 вновь записывается качающий Код с регистра 8 через блок 9. Таким образом, в следующий период измеряемого сигнала коэффициент деления делителя 3

0 будет отличаться от предьвд5лцего на 50%. По окончанию очередного периода в третий триггер регистра 2 записывается единица, а предшествующий ему триггер переписывает на свой

5 выход результат с детектора 5. При этом триггер останется в единице, если частота на выходе делителя 4 выше требуемой и сбрасывается в нуль, если частота на выходе делителя 4

0 . ниже требуемой. Через К-циклов, где К - число триггеров в делителе 3, с выхода делителя 3 будет снят сигнал, частота которого с точностью до одного дескрета равна требуемой

5 частоте квантования n-fy.. Для получения точности установки частоты квантования равной 0,19 необходимо иметь в делителе 3 не меньше 10 триггеров, позволяющих получить коэффициент деления от 1 до 2- -1

0 1023. Число циклов установки частоты при этом равно 10, Коэффициент деления делителя 3 и в дальнейшем не изменяется.

5

После ввода измерителя в синхронизм с частотой первой гармоники измеряемого сигнеша блок 33 управле- ния вырабатывает команду на начало введения измерителя в синхронизм по амплитуде. При переходе сигйала

0 3 через нуль начинается вычисление амплитуды первой гармоники измеряемого сигнала. Преобразователь 17 осуществляет квантование измеряемого сигнала с частотой f«.& , определя5емых делителем 3. Коды мгновенных значений напряжения Ux измеряемого сигнала с преобразователя 17 поступают на множительные блоки 23 и 28, на вторые входы которых синхронно

0 поступсшзт в цифровой форме значения ортогональных функций с задатчиком

22и 27. Коды произведений с блоков

23и 28 с учетом знаков складываются в счетчиках 24 и 29. За иссле5дуемого сигнала в счетчиках 24 и .29 фиксируются значения пропорциональные мнимой и действительной составляющим axt и Ь,, коэффициентов Фурье для первой гармоники измеряемого сигнала, а именно

0

п- Uy( Ug sinf и n -Uii Ue cos ,

где n - число отсчетов;

U4- амплитуда первой гармоники j измеряемого сигнала; UQ- амплитуда ортогональных сиг налов; (f - угол фазового рассогласования измеряемого и ортогонал ных сигналов. Произведение n-Uo имеет фиксированное значение и априорно известно При выборе п 2 , и, 2 это произведение равно 2 Деление числа, представленного в дв ичном коде, на число 2°- сводится к переносу запятой в коде делимого на (c+d) разрядов в сторону старшего разряда. Эта операция осуществля ся с помощью блоков 25 и 30 перенос при поочередной подаче коэффициенто а,, Ь, на выход квадратора 18. Так как разрядность чисел а, и Ь после их деления на п -Uo не превышает исхолной разрядности, то конструктивно построение квадратора не вызывае трудности. На выходе сумматора 19 формируется код сигнала 3, После ввода измерителя в синхронизм по ам плитуде и получения ее нормированного значения на входе блока 15 вычитаний напряжений устанавливается Напряжение, пропорциональное величи не U; . Так как элемент 32 срав нения подключен к выходу сумматора 19, то текущее значение кода U,( сра нивается с кодом 2. В спучае, если код числа Ц;, содержащегося в сумматоре 19, больше кода опорного уро ня 2 , то код числа uf должен содержать единицу в разряде, старшем либо единицу в разряде 2 и еще хо тя бы в одном разряде, старшем Действительно ()2 H-2-23. р - любое натуральное число, от личное от нуля. Таким образом, элемент сравнения выполняет функции де шифратора, анализирующего наличие единицы в разрядах сумматора 19, стариих 2 , либо в разряде 2 и еще хотя бы в одном разряде, старшем разряда. Результат сравнения кодов в виде потенциального уровня поступает на управляющий вход третьего регистра 11 набора кода. Регистр 11 через второй преобразователь код-напряжение управляет коэффициентом передачи блока 13 изменения коэффициента передачи. Алгоритм работы регистра 11 аналогичен рассмотренному выше алгоритму работы регистра 2. Через чис ло периодов измеряемого сигнала,рав ное числу разрядов регистра 11, код амплитуды 1тервой гармоники на входе преобразователя 17 имеет величину, равную величине f, к значит измеритель введен в синхронизм по амплитуде с первой гармоникой измеряемого сигнала. Одновременно на выходе второго блока переноса появляется сигнсш и/1 . sin (. Так как величина Цл фиксирована, то код числа U. sin однозначно задает код угла фазового рассогласования р первой гармоники и ортогональной функции. За,цатчик 26 в соответствии с этим кодом ставит начальный адрес генерируемых ортогональных функций. . Число дешифраторов кодов угла фазового рассогласования при введении системы в синхронизм по фазе в течение одного периода измеряемого сигнала необходимо иметь п/4 элементов сравнения (дешифраторов). Это число существенно сокращается при постепенном вводе измерителя в синхронизм. Например, если допустить, что вхождение в синхронизм может осуществляться в течение 4 периодов, то,настроив четыре элемента сравнения на коды углов фазового рассогласования 0...1,1....2, 2...8 и 8...14, за время первого периода можно осуществить установку начальной фазы в пре целах +(0....2) дискретов. За время второго периода можно осуществить вхонедение в синхронизм в диапазоне ±{3... 19) дискретов, за время 3-го и 4-го периодов соответственно в диапазонах ±(20...36) и ±(37...53) дискретов, что соответствует числу отсчетов п 453 212. В случае, если необходимо иметь больше 212 или необходимо сократить число циклов вхождения в синхронизм задатчика 26, измеритель должен иметь большее количество элементов сравнения. При этом каждый раз после установки новой начальной фа.зы осуществляется вычисление величины U/ -sinf . Знак кода и, sln показывает направление (плюс или минус) сдвига начальной фазы ортогональной функции. Задатчики 22 и 27 жестко связаны между собой и разность фаз между генерируемыми или функциональными сигналами всегда равна 90 . После установки задатчиком 26 грубого значения начальной фазы блок .33 управления выдает команду на блок точной установки фазы. При этом сигналом управления для второго регистра 8 является знаковый разряд, поступающий с второго блока переноса. Регистр 8 задает блоку 9 точной установки фазы код, который должен быть зарегастрнровен в момент сброса делителя 3 при переходе UJ через нуль. В течение числа периодов измеряемого сигнала, равного числу разрядов делителя 3,начальная фаза изменяется в пределах одного периода частоты квантования. Работа регистра 8 аналогична работе регистра 2. По окончании циклов точной установки начальной фазы погрешность ее установки определяется выражением 100%/п.К, где К -.коэффициент деленияделител 3. При К 1000 независимо от числа п точность установки начальной фазы будет вьше 0,1%. Для точной установ ки начальной фазы не требуется усгтанавливать высокое значение числа Частота квантования .6 п мо жет быть выбрана в соответствии с теоремой Котельникова, исходя из то го, что ПЕЙ измерении можно, начина с i-Toro номера гармоники, пренебречь влиянием старших гармоник. Например, для высшей гармоники, имеющей порядковый номер 32 или 64, чис ло п необходимо выбирать соответств но 64 и 128 или в двоичном коде 2 и 2 . После введения измерителя в синхронизм по частоте, амплитуде и фазе с измеряемым сигналом, блок управле ния 33 выдает команду на непосредственное измерение коэффициента гар моник. В блоке 15 вычитания измеряемого сигнала вычитается опорное 1значение, соответствьтащее первой га монике. При возведении в квадрат и последующем сложении мгновенных значений результатов преобраз,ованных в код сигналов, преобразователем 17 формируется величина, равная мощности старших гармоник, увеличенная в п раз, т.е. формируется код, равный п(и + Uj + и + ...) . Этот код через первый блок 20 переноса, в котором осуществляется деление на п (переносе запятой на m раз рядов в сторону старшего разряда) и на йеличину uf 2 (перенос запятой еще на 2 разрядов) , поступает на блок -11 извлечения квадратного корня, на выходе которого получается код коэффициента гармоник. ВЬлоках вместо двоичного кода может использоваться двоично-десятич ный код. В этом случае необходимо задавать величины п.,Ifeи Щ , кратными 10. Формула изобретения Автоматический цифровой измеЕМтель коэффициента гармоник, содержащий блок управления, два преобразова теля код - напряжение, формирователь импульсов, последовательно соединенные блок вычитания напряжения, .блок выбора шкслы, аналохчэ-цифровой преобразователь, квадратор, сумматор первый блок переноса и блок извлечения квадратного корня, последователь но соединенные первый задатчик ортогональной функции, первый множитель вый элемент, первый счетчик и второй блок.переноса, выход которого соединен с Ьторым входом квадратора и с первым входом задатчика начальной фазы, второй вход которого подключен к входу первого задатчика ортогональной функции, а выход задатчика начальной фазы соединен с входом второго задатчика ортогональной функции,выход которого через первый преобразователь код - напряжение подключен к одному из входов блока вычитания напряжения и через последовательно соединенные второй множительный элемент, второй счетчик,третий блок переноса подключен к третьему входу квадратора, перйый вход которого соединен с вторыми входами первого и второго множительных элементов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей измерителя в широких динамических и частотном диапазонах, в него введены высокочастотный генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, блок точной установки начальной фазы, делитель частоты с постоянным коэффициентом деления, импульсный фазовый детектор, блок изменения коэффициента передачи, элемент сравнения, три распределителя импульсов и три регистра набора кодов, jipH этом вход блока изменения коэффициента передачи соединен с входной клеммой измерителя, а .его выход подключен к второму входу блока вычитания напряжения и к входу формирователя импульсов,выход которого соединен с одним из входов импульсного фазового детектора и с входами трех распределителей импульсов, выход первого из которых первый регистр набора кода подключен к одному из входов делителя частоты с переменным коэффициентом деления, а выход второго распределителя импульсов соединен -с первым входом второго регистра набора кода, второй вход которого подключен к выходу первого счетчика, а выход второго регистра набора кода через блок точной установки начальной фазы подключен к второму входу делителя частоты с переменным коэффициентом деления, третий вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, а.выход делителя частоты с переменным коэффициентом деления соединен с вторым входом айалого-цифрового преобразователя и с входом задатчика начальной фазы непосредственно и через делитель частоты с постоянным коэффициентом деления - с вторым входом импульсного фазового детектора, выход которого подключен к второму входу первого регистра набора кода, а выход третьего распределителя импульсов подключен к первому входу третьего регистра набора кода, втои

ройвход KOTOJxaro через элемент сравнения соединен с выходом сумматора, а выход третьего регистра набора кода через второй преобразователь код -напряжение соединен с управляющим входом блока изменения коэффициента передачи.

911363

12

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 379882, кл. G 01 R 23/20, 1971.

2.Авторское свидетельство СССР 564606, кл. G 01 R 23/20, 1975 (прототип).