Цифровой измеритель гармонических искажений

Цифровой измеритель гармонических искажений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и позволяет оценивать наличие и степень гармонических искажений в усилительных трактах.

В качестве прототипа выбрано классическое устройство для измерения гармонических искажений, содержащее генератор синусоидального сигнала, режекторный фильтр, два блока измерения среднеквадратических значений и блок измерения отношений, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора синусоидального сигнала, а тестовым входом служит вход режекторного фильтра, выход которого соединен с входом первого блока измерения среднеквадратических значений, выход которого соединен с первым входом блока измерения отношений, второй вход которого соединен с выходом второго блока измерения среднеквадратических значений, вход которого объединен с входом режекторного фильтра [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.384, рис.14.146].

Измеритель-прототип служит для приближенного вычисления коэффициента гармоник К_г, выражаемого в данном случае как отношение среднеквадратического значения высших гармоник к среднеквадратическому значению всего сигнала

где U₁, U₂,... U_l - амплитуды гармоник.

Известно, что вычисление среднеквадратических значений сигналов несинусоидальной формы в относительно широком динамическом диапазоне приводит к построению достаточно сложных преобразователей, независимо от того, в аналоговом или цифровом базисе реализуется измеритель. Безусловно, эта особенность прототипа является его существенным недостатком, так как аппаратурное усложнение снижает надежность и повышает стоимость измерителей. Причем последний фактор ограничивает их широкое применение. Другим недостатком прототипа является необходимость удаления основной гармоники. От эффективности выполнения этой операции, как несложно убедиться из вышеприведенной формулы, зависит точность вычислений коэффициента гармоник К_г. Важно, чтобы применяемый для этих целей режекторный фильтр не ослаблял соседние гармоники, как правило значительно меньшие по амплитуде, чем основная гармоника.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит, главным образом, в упрощении измерителя.

Технический результат достигается тем, что цифровой измеритель гармонических искажений, содержащий генератор синусоидального сигнала, выход которого является тестовым выходом измерителя, согласно изобретению дополнительно содержит компаратор, два блока измерения временных интервалов и инвертор, вход которого соединен с выходом компаратора, сигнальный вход которого является тестовым входом измерителя, вход опорного напряжения компаратора соединен с общей шиной, информационные входы первого и второго блоков измерения временных интервалов подключены соответственно к выходу компаратора и к выходу инвертора, разрешающие входы блоков измерения временных интервалов объединены и составляют стробирующий вход измерителя, выходы блоков измерения временных интервалов являются информационными выходами измерителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показаны графики, иллюстрирующие принцип оценки гармонических искажений, а на фиг.2 - функциональная схема цифрового измерителя гармонических искажений.

Графики по фиг.1 содержат переменную составляющую u_вх(t) входного синусоидального сигнала, выполняющего функции тестового, а также переменную составляющую u_вых(t) сигнала с выхода нелинейного тракта. Временные параметры Δ t₁ и Δ t₂ являются длительностями соответственно положительной и отрицательной полуволн сигнала u_вых(t).

Функциональная схема (фиг.2) цифрового измерителя гармонических искажений состоит из генератора 1 синусоидального сигнала, компаратора 2, блоков 3 и 4 измерения временных интервалов, инвертора 5 и тестируемого усилителя 6 с нагрузкой R_L. Выход генератора 1 является тестовым выходом измерителя, тестовым входом которого является сигнальный вход компаратора 2, выход которого соединен с входом инвертора 5, вход опорного напряжения компаратора соединен с общей шиной, информационные входы блоков 3 и 4 соединены соответственно с выходом компаратора 2 и выходом инвертора 5, разрешающие входы блоков 3 и 4 объединены и составляют стробирующий вход Е измерителя, а тактовые входы блоков 3 и 4 образуют тактовый вход CLK измерителя, выходы блоков 3 и 4 являются информационными выходами измерителя.

В свою очередь, блок 3 (4) измерения временных интервалов состоит из элемента И 3-1 (4-1) и счетчика 3-2 (4-2), счетный вход “+1” которого соединен с выходом элемента И 3-1 (4-1).

В основе функционирования измерителя лежит метод, суть которого состоит в следующем.

При воздействии синусоидального сигнала на нелинейный четырехполюсник различные участки сигнала u_вх(t) усиливаются по-разному в зависимости от того, как меняется крутизна передаточной характеристики четырехполюсника. В частности, положительная и отрицательная полуволны входного воздействия u_вх(t) будут усиливаться по-разному, если передаточная характеристика имеет вид монотонной нелинейной функции. После выделения переменной составляющей реакция u_вых(t) четырехполюсника будет представлять собой периодический сигнал, положительная и отрицательная полуволны которого имеют различные длительности, зависящие от характера нелинейности четырехполюсника. На фиг.1 показан пример прохождения синусоидального сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой 0,15 В устройства, передаточная характеристика u=f(u_вх) которого может быть представлена разложением в ряд Тейлора относительно рабочей точки u₀ и ограниченного первыми тремя членами

u(t)=0,4+4(u_вх(t)-u₀)+11,55(u_вх(t)-u₀)²

По результату u_вх(t), графический вид которого представлен на фиг, 1, несложно понять, что длительности положительной Δ t₁ и отрицательной Δ t₂ составляющих реакций четырехполюсника действительно отличаются. Причем моделирование различных характеристик нелинейностей путем изменения коэффициента перед квадратичным членом вышеприведенного полинома показало наличие строгой взаимосвязи между степенью нелинейности передаточной характеристики и разностью |Δ t₁-Δ t₂|, которая становится тем больше, чем ярче выражена нелинейность передаточной характеристики.

Из вышеизложенного следует вывод, что числовым показателем гармонических искажений может быть величина, показывающая, как отличаются друг от друга длительности положительной Δ t₁ и отрицательной Δ t₂ полуволн сигнала после нелинейного преобразования при условии, что исходным является гармонический процесс с постоянной амплитудой, частотой и фазой. Значит, в качестве практически применимого параметра может быть как модуль разности δ _s=| Δ t₁-Δ t₂|(1), так и отношение

,

либо относительное отклонение

Таким образом, измеритель гармонических искажений должен измерять величины Δ t₁ и Δ t₂ как определяющие переменные для последующих несложных вычислений (1)-(3).

Из функциональной схемы (фиг.2) измерителя гармонических искажений видно, что тестовый синусоидальный сигнал с выхода генератора 1, пройдя тестируемый усилитель 6, поступает на сигнальный вход компаратора 2, предназначенного для формирования прямоугольных импульсов с амплитудой, соответствующей логическому уровню “1”. Длительности полученных импульсов будут равны длительностям Δ t₁ положительных составляющих выходного процесса, а паузы между ними - длительностям Δ t₂ отрицательных составляющих. Для выделения пауз служит инвертор 5. В результате на информационный вход блока 3 поступают импульсы длительностью Δ t₁, а на аналогичный вход блока 4 - длительностью Δ t₂. Начало и продолжительность процесса измерений задаются по стробирующему входу Е. Длительность τ строб-импульса на входе Е должна быть кратной периоду T тестового сигнала u_вх(t), то есть выбираться из условия

τ =nT, n=1, 2,... , N.

В этом случае будет зафиксировано равное количество положительных и отрицательных полуволн.

Для снижения погрешности измерений оценку параметров Δ t₁ и Δ t₂ на практике следует проводить не за один период Т, а за время, равное многим периодам. Полученные при этом на выходах счетчиков 3-2 и 4-2 (выходов блоков 3 и 4) соответствующие им суммы

могут быть использованы как для вычисления средних значений

так и для непосредственного вычисления параметров δ _s, δ _D или δ . В первом случае в формулы (1)-(3) подставляют значения (вместо Δ t₁ и Δ t₂), а во втором - непосредственно суммы S₁, S₂.

Введение в формулы (1)-(3) суммарных длительностей позволяет понизить относительную погрешность измерений, вызванную дискретизацией, за счет удлинения измеряемого временного интервала. Однако, несложно понять, что в этом случае применение формул (1)-(3) позволит вычислять уже не разность длительностей разнополярных составляющих, их отношение или относительное отклонение, а разность суммарных длительностей, отношение суммарных длительностей и соответственно относительное отклонение суммарных длительностей. При этом для сопоставимости результатов полученных на различных устройствах реализующих вышеописанный принцип потребуется ввести единый исходный параметр: суммарную длительность полуволн одного знака, полученную за строго фиксированное количество периодов тестового сигнала, частота которого не меняется и также принимается за единую.

Возвращаясь к функциональной схеме измерителя (фиг.2), отметим, что связь тестируемого усилителя 6 с сигнальным входом компаратора 2 должна быть только по переменному току. Поэтому, если в схеме тестируемого устройства, подключаемого к измерителю, не предусмотрено подключение нагрузки через разделительный конденсатор, то его необходимо включить в цепь между выходом тестируемого устройства (например, усилителя 6) и сигнальным входом компаратора 2.

Представленное устройство (фиг.2) имеет следующие преимущества перед прототипом:

- измеритель функционально прост и при построении не требует больших аппаратурных затрат;

- операции над выходным сигналом, содержащие информативные составляющие (высшие гармоники), совершаются только во временной области, что позволяет использовать сугубо цифровую обработку;

- повышение точности измерений достигается общеизвестными и достаточно простыми способами, предусматривающими повышение частоты дискретизации (если позволяет элементная база) и уменьшение относительной погрешности.

Цифровой измеритель гармонических искажений, содержащий генератор синусоидального сигнала, выход которого является тестовым выходом измерителя, отличающийся тем, что в него введены компаратор, два блока измерения временных интервалов и инвертор, вход которого соединен с выходом компаратора, сигнальный вход которого является тестовым входом измерителя, вход опорного напряжения компаратора соединен с общей шиной, информационные входы первого и второго блоков измерения временных интервалов подключены соответственно к выходу компаратора и к выходу инвертора, разрешающие входы блоков измерения временных интервалов объединены и составляют стробирующий вход измерителя, выходы блоков измерения временных интервалов являются информационными выходами измерителя.