Анализатор гармоник

Анализатор гармоник

Реферат

Предлагаемое устройство относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения спектрального состава периодического сигнала.

Известен анализатор гармоник [Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа: Пер. с англ. С.М. Смольского/ Под редакцией Ю.А. Гребенко. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2006, стр.22]. В его состав входят перестраиваемый полосовой фильтр, усилитель, детектор, дисплей, а также генератор пилообразного сигнала. Вход полосового фильтра является входом преобразователя, фильтр соединен с усилителем, который имеет связь с детектором, связанным с дисплеем, а генератор пилообразного сигнала соединен с перестраиваемым фильтром и дисплеем.

Однако указанный анализатор гармоник обладает низкой точностью измерения гармоник входного сигнала, так как результат измерения отображается на аналоговом дисплеи.

Кроме того, известен анализатор гармоник [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, с.243], являющийся прототипом предлагаемого устройства. Он содержит фильтр низких частот (ФНЧ), аналого-цифровой преобразователь, а также микропроцессор (МП). Вход фильтра низких частот является входом преобразователя, а его выход соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователем, цифровой выход которого связан с микропроцессором, выход управления последнего соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя. Кроме того, микропроцессор имеет цифровой выход данных.

Однако данный анализатор гармоник имеет большой объем памяти, а также требует высокую вычислительную мощность, так как он реализует принцип цифрового преобразования Фурье, где требуется осуществлять умножение кодов с выхода АЦП на соответствующие коды синусоиды и косинусоиды, а также содержать в памяти коды синусоидального (косинусоидального) сигналов и промежуточные результаты произведения кодов и их сумм.

Задачей предлагаемой полезной модели является сокращение вычислительной мощности и объемов памяти.

Поставленная задача достигается тем, что в известный анализатор гармоник, содержащий микропроцессор с цифровым выходом данных, введены инвертор, первый и второй переключатели, первый и второй интегрирующие преобразователи, первый и второй выходы управления микропроцессора соединены со входами управления первого и второго переключателей, соответственно, первые входы которых соединены с инвертором, а вторые входы соединены со входом устройства, кроме того вход инвертора соединен со входом устройства, а выходы первого и второго переключателей соединены со входами первого и второго интегрирующих преобразователей, информационные выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами микропроцессора, третий и четвертый выходы управления которого соединены со входами управления первого и второго интегрирующих преобразователей, соответственно.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого анализатора гармоник.

Он содержит:

1 - микропроцессор (МП);

2 - первый переключатель (П);

3 - первый интегрирующий преобразователь (ИП);

4 - второй переключатель (П);

5 - второй интегрирующий преобразователь (ИП);

6 - инвертирующее устройство;

7 - цифровой выход данных.

Вход устройства соединяется с первыми входами переключателей 2 и 4 через инвертирующее устройство 6, кроме того вторые входы переключателей 2 и 4 также являются входом устройства. Входы управления переключателей 2 и 4 соединены с первым и вторым выходами управления микропроцессора 1, а выходы переключателей 2 и 4 соединены со входами интегрирующих преобразователей 3 и 5, соответственно. Информационные выходы интегрирующих преобразователей 3 и 5 соединены с первым и вторым информационными входами микропроцессора 1, соответственно, а входы управления 3 и 5 связаны с третьим и четвертым выходами управления микропроцессора 1. Кроме того, микропроцессор 1 имеет цифровой выход данных 7.

В качестве микропроцессора может быть использована микросхема серии STM32F103. Переключатели могут быть реализованы на основе микросхемы BU4S81G2, интегрирующий преобразователь - на микросхеме ТС500, а инвертирующие устройство - на микросхеме LM324.

Анализатор гармоник работает следующим образом. МП 1 вырабатывает на первом и втором выходах широтно-импульсных сигналов пропорциональные синусоидальной и косинусоидальной функции, соответственно. Эти сигналы поступают на входы управления переключателей 2 и 4, соответственно, где происходит их умножение на входной сигнал. Выходные сигналы переключателей 2 и 4 преобразуются в код с помощью интегрирующих преобразователей 3 и 5, соответственно. Управление работой интегрирующих преобразователей 3 и 5 осуществляет микропроцессор 1 через управляющие выходы 3 и 4, соответственно. Выходной код с интегрирующих преобразователей 3 и 5, пропорциональный синусоидальной и косинусоидальной составляющей, соответственно, входного сигнала определяемой гармоники (частоту гармоники задает микропроцессор 1) поступает на микропроцессор 1 через информационные выходы интегрирующих преобразователей 3 и 5 на информационные 1 и 2 входы микропроцессора 1, соответственно. Эти коды используются микропроцессором 1 для вычисления амплитуды и фазы гармоники сигнала и данная информация появляется на информационном выходе 7.

В прототипе в ходе определения гармонических составляющих вычисляется произведение кода функции на значение кода синусоидальной/косинусоидальной составляющей для каждой гармоники. Это требует применения большой вычислительной мощности и большого объема памяти в связи с необходимостью хранения как кода программы самого алгоритма умножения, так и промежуточных результатов, которые получаются в ходе таких вычислений. В предлагаемом устройстве фактически исключаются операции умножения кода на код с запоминанием результата умножения, вместо этого производится аналоговое умножение входного сигнала на широтно-импульсный сигнал соответствующей гармоники, с последующим преобразованием результата умножения в код с помощью интегрирующего преобразователя. Таким образом, в представленном устройстве за счет упрощения алгоритма вычисления гармоник, сокращаются требуемые вычислительная мощность и объем памяти.

Анализатор гармоник, содержащий микропроцессор с цифровым выходом данных, отличающийся тем, что в него введены инвертор, первый и второй переключатели, первый и второй интегрирующие преобразователи, при этом первый и второй выходы управления микропроцессора соединены со входами управления первого и второго переключателей, соответственно, первые входы которых соединены с инвертором, а вторые входы соединены со входом устройства, кроме того, вход инвертора соединен со входом устройства, а выходы первого и второго переключателей соединены со входами первого и второго интегрирующих преобразователей, информационные выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами микропроцессора, третий и четвертый выходы управления которого соединены со входами управления первого и второго интегрирующих преобразователей, соответственно.