Измеритель коэффициента нелинейных искажений

Измеритель коэффициента нелинейных искажений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОЫ Ет ИН И Я i1) 567147

063 Советснах

Соииалнстнчеснин республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13.02.?6 (21) 232461!/21 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет

Оп бликовано 30.07.77. Бюллетень № 28 (51) М. Кл.а С 01R 23/20

Государственный комитет

Совета Министров СССР ло делам изобретений и открытий (53) УДК 621.317.757 (088.8) Дата опубликования описания 15.08.77 (72) Авторы изобретения

В. В. Смеляков, Ю. Г. Ольховский, В. И. Бармин, М. В. Хохряков и А. И. Алисейко

Харьковский институт радиоэлектроники (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЪ КОЭФФИЦИЕНТА НЕЛИНЕЙНЫХ

ИСКАЖЕНИЙ

Изобретение относится к информационноизмерительной технике и может использоваться для измерения коэффициента нелинейных искажений (КНИ) сигналов инфранизкой частоты.

Известен измеритель коэффициента велинейных искажений (1). Это аналоговый измеритель компенсационного типа, содержащий вольтметры действующих значений первой и высших гармоник, устройство сравнения, устройство поиска и выделения минимума напряжения, блок управления, блок формирования компенсирующего напряжения основной частоты, состоящий из последовательно соединенных дискретного умножителя частоты, дискретного делителя напряжения, дискретного фазовращателя, преобразователь код — напряжение и логометр.

Однако быстродействие такого измерителя

КНИ низкое, оно определяется алгоритмом работы поиска и выделения минимума действующего значения разноспного напряжения на выходе устройства сравнения, который в свою очередь зависит от необходимой точности измерения КНИ и поэтому при достаточно высокой точности измерения может составлять величину порядка 20 — 40 периодов исследуемого сигнала, что на инфранизкой частоте порядка 10-4 Гц составляет 50 час и более. Кроме того, этот измеритель КНИ не:позволяет точно .измерять КНИ сигналов, содержащих постоянную составляющую.

Цель изобретения — повып|ение быстродействия и точности измерения коэффициента нелинейных искажений сигналов, содержащих постоянную составляющую.

Это доститается тем, что в измеритель коэффициента нелинейных искажений, содержащий блок управления, устройство сравнения, 10 устройство поиска и выделения минимума напряжения, логометр, дополнительно введены элементы И, устройство памяти, блок формирования дискретного компенсирующего сигнала, вычислитель действующих значений, ин15 дикатор и преобразователь аналог — код, первый вход которого через первый элемент И соединен с входной шиной измерителя, второй вход преобразователя аналог — код подключен к первому выходу блока управления, первый

20 вход которого соединен с входной шиной измерителя, а выход преобразователя аналог— код соединен с первыми входами устройства сравнения и устройства памяти, второй .и третий входы последнего подключены к второму

25 и четвертому выходам блока управления, причем выход устройства памяти соединен с вторым входом устройства сравнения, третий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, а четвертый вход уст30 ройства сравнения — к выходу блока форми567147 рования дискретного компенсирующего сигнала, входы которого соединены соответственно с вторым выходом блока управления .и первым выходом устройства поиска и выделения минимума, второй выход которого подключен и второму входу блока управления, а входы устройства поиска и выделения минимума соединены с пятым выходом блока управления и первым выходом вычислителя действующих значений, входы которого подключены к выходу устройства сравнения и третьему выходу блока управления соответственно, а второй выход вычислителя действующих значений через второй элемент И подключен к последовательно соединенным логометру и индикатору, причем вторые входы элементов И подключены соответственно к шестому и четвертому выходам блока управления.

- r U = =Uo+ Ux+ U (1)

j=2

При цифровом методе измерения действующего значения того же напряжения и(а) весь

1 период его измерения Т = — разбивается на

Р равных частей. В точках деления периода аь а,...,а;,..., ар преобразователем аналог— код производится измерение мгновенных значений исследуемого сигнала и(а ), и(а ), ..., и(а;), ..., и(ар). Эти значения возводятся цифровым устройством в квадрат и суммируются.

В результате определяется приближенное действующее значение того же сигнала и(а) в цифровой форме

1 и = — и (,).

1=1 (2) Если спектр исследуемого периодического сигнала и(а) не содержит гармоник, порядок которых выше К, то при P)2K+1 равенство (2) является точным (теорема Котельникова).

Но необходимо измерить КНИ периодического несинусоидального сигнала и(а) инфранизких частот от десятков до 10 — — 10 Гц, который является отношением действующего

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого измерителя КНИ.

Измеритель содержит блок 1 управления, элемент И 2, преобразователь 3 аналог — код, устройство 4 памяти, блок 5 формирования дискретного компенсирующего сигнала, элемент И б, индикатор 7, устройство 8 поиска и выделения минимума напряжения, устройство

9 сравнения, вычислитель 10 действующих значений и логометр 11.

Известно, что квадрат действующего значения непрерывного периодического сигнала и(а) определяется выражением

2п

U = — j u*(z)dd = Uo+ Ur+ о

Зо

65 зна -:eHHH Высших Гармоник сигнала и (й) к действующему значению первой гармоники

)/ с, К /- 2 и — ц

Это отношение вычисляет цифровой логометр.

Точность и быстродействие измерения КНИ зависят от того, как организовано измерение интегральных величин U, и U>. Выше показано, что известный высокоточный метод компенсации при аналоговой форме сигнала на инфранизких частотах требует большого времени измерения. Это объсяняется тем, что компенсирующий синусоидальный сигнал должен иметь ту же частоту, что .и исследуемый сигнал, а для каждого шага в процессе компенсации требуется один период. Для полной компенсации первой гармоники сигнала и(а) по амплитуде и фазе может понадобиться десяток и более шагов, каждый из которых занимает период исследуемого сигнала.

Предлагаемый измеритель отличается тем, что неизвестная по амплитуде и фазе первая гармоника исследуемого сигнала и(а) компенсируется в дискретных точках а; дискретными же значениями компенсирующего сигнала в соответствующих точках. Иначе говоря, компенсирующий сигнал представляет собой решетчатую синусоидальную функцию фиксированной частоты а, )а, начальную фазу ф ком и амплитуду Ug m ком которои можно изменять шаг за шагом в процессе компенсации.

Влияние постоянной составляющей сигнала и(а) устраняется до начала процесса компенсации. Для этого в первый период и(а) дискретные значения и(а ), и(а ),...и(а ) одновременно подаются на устройство памяти и устройство сравнения. В устройстве 9 фиксируется среднее значение и(а) за период, которое сохраняется и в соответствующие моменты времени вычитается из значений и (а) в процессе компенсации. Схемное решение устройства сравнения можно реализовать в виде цифрового устройства, состоящего из реверсивного счетчика, в который записываются в течение первого периода дискретные значения и(а;) исследуемого сигнала и путем алгебраического сложения находится среднее значение и(а) за период (постоянная составляющая), причем оно сохраняется в течение всего времени преобразования; регистра, в котором производятся следующие операции: записываются поочередно дискретные значения исследуемого сигнала и(а;) из устройства памяти и результат вычитания и(а;) и среднего значения U<, записанного в реверсивном счетчике, т. е. таким образом учитывается действие постоянной составляющей, и затем из результата вычитания каждого значения и(а,) — С4 соответственно вычитаются значения и„.,(а;). Результат подается на вычислитель 10. Таким образом, постоянная составОО(1Ч(ляющая сигнала в дальнейших преобразованиях уже не участвует.

Если на первой стадии процесса компенсации шаг за шагом изменять только начально ю фазу компенсирующей оешетчатой синусоилы $1 ом при неизменной ее амплитуде

Убого ком, fO уСтройство антоМатИЧЕСКИ Опр ЕДЕ чит минимальное значение функции ф»"" (™ (() U „o,» „S11I (о ком (+

1 (=1

-{- vI,„,„)I = MRH F @ком), (4) где и(а() — мгновенные значения исследуемого сигнала в точках а;, измеренные и зафиксированные в ячейках памяти в предшествующем периоде. На языке аналогового метода измерения выоажение (4) означает, что скомпенсиоована первая гармоника сигнала и(п) по фазе.

После достижения минимума функции (4) пои компенсации по фазе устоойства автоматического поиска минимума функции (4) осуществляет поиск минимума пои изменении только амплитуды компенсирующего сигнала

UIï> ком при неизменном значении начальной фазы, соответствующей минимуму функции (4).

В результате получают минимальное значение фчнкции (4) при компенсации первой гармоники исследуемого сигнала и(а) как по фазе, так и по амплитуде. Этот минимум равен квадоату действующего значения всех высших гармоник.

Р о ком - ком р (=1

X (о (— Ф,.. )! = Ulm ";1 oui Х

+ (%ком Uèëêî») = ((в.г (5)

Устройство поиска минимума функции (4) основано на численном сравнении последовательных значений этой фчнкции Р(ком), получаемых в вычислителе 10 за каждый период

2м

-1„,„= .компенсирующегонапряжения при оъком дискретном изменении ф к, от периода к периоду. Если íà S-м периоде компенсации величины gi м и (- (ф к») имеют значения ф з„,„Fs, а на периоде (S+1) значения ф „,„1 и при ф з„,„>я„,„имеет место неравенство

Fs+ (Fs, то для следующего шага (периода на частоте (оком) компенсации задается

v" S" + "iS 1 И т. д.

1 ком 1 ком

Процесс компенсации по фазе заканчивается на шаге Ж, если выполняются неравенства

Яи-4 FN + Гм+!... ф) 5

-65

После выполнения условия (6) аналогичным образом достигается момент компенсации Ilo амплитуде на шаге М:

Fx — i ) Fe Fx-:1 ()

2-.

Число шагов периодов Т„„=, необхо.

»ком димых для полных компенсаций по фазе и амплитуде У+М, может оказаться значитель. ным, как и при аналоговом методе компенсации, но длительность одного шага, равного пе2к риоду Т=, можно сделать в сотни и оком ть1сячи раз меньше длительности шага при аналоговом методе компенсации длитель2к 1 ность периода исследуемого сигнала Т = — 1.

Схемное решение устройства поиска и выделения минимума может быть реализовано, на- пример, в виде цифрового устройства из трех регистров и элементов И, которые дают возможность по команде блока управления произволить вычитание последующего числа из предыдущего, производить сброс предыдущего, переписать последующее в регистр предыдущего, а в регистр предыдущего записывается новое значение, которое поступает из вычислителя действующих значений. Знак указанных операций вычитания задает направление очередного шага по фазе или амплитуде.

2-..

Длительность периода 1„,„= дискрет вком ного компенсирующего синусоидального сигнала, в течение которого задается Р значений компенсирующей синусоиды в точках а ком, а2»о„, а(ком, ...,2Р»о„, не зависит от периода 1 сигнала T — ., а определяется только быстро f действием цифровых или счетных элементов блока формирования дискретного компенсирующего сигнала и цифровых вычислительных узлов, определяющих функции (4) и (5).

Пои этом сокращение времени измерения

КНИ предлагаемым устройством по сравнению с известным аналоговым устройством равняется отношению частот оком Уком

Уком 100 Pu = 10

10 — Гц

Современные специализированные цифровые вычислительные устройства позволяют вычислить отдельные значения функций (4) и (5) за время T«»((0,01 с.

Второе важное преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что блок формирования дискретного компенсирующего сигнала выдает дискретные значения синусоНдаЛЬНОГО СИГНаЛа Ui лЫком$1П (ИкоьА+ф1 ком) в точках: а1- .ы.,цифровой форме с высокой степень-о точности. определяемой только числом разрядов вычислительного устройства этого блока. Это обеспечивает повышение точности измерения КНИ на инфранизких частотах. Применение же известного аналогового метода компенсации для измерения КНИ на инфранизких частотах встречает значительные тоудности не то 1ько из-за бо. IbUJQI времени измеоения, но и из-за тоудности формиоования непрерывного компенсирующего сигнала с малым значением КНИ, Поинцип действия предлагаемого измерителя состоит в след .юшем.

В исходном состоянии стоойство 4 памяти очишено, на элементы И 2. 6 разрешающие потенциалы U(, U.. с блока 1 1правления не подаются. на индикаторе 7 зафиксиоовано нулевое показание. Пои наличии на входах элемента И 2 и блока 1 упоавления исследуемого сигна ча и (а) после нажатия кнопки

«П1(ск», находяшейся в блоке 1, в момент пеоехода сигнала и(а) через нулевое значение блока J. выоабатывает упоавляюшее напояжение U(. котооое, поступая на втооой вход элемента И 2, пооптскает исслед .еиый сигнал на пеовый вход поеобразователя 3. Поеобоазователь в точках n:, "-адаваемых блоком 1 (имп .льсы U() начинает вью абатывать дискретные значения сиги- I3 и(а;).

Количество дискоетных выоаботок и(а;), полученных на выходе поеобоазователя 3, за пеоиод исследуемого сигнала равно чист импульсов. сфоомиоованных блоком 1. Каждое дискретное значение исследуемого ситнаЛа и(а;) ЗаПИСЫВаЕтСЯ В СВОЮ ЯЧЕЙКУ 1 СтОойства 4 памяти. По окончании пеоиода Т исследуемого сигнала блок 1 снимает разрешаюший потенциал О(со втооого входа элемента

И 2. С этого момента сигнал и(а) на поеобоазователь 3 не поступает и подача имп "льсов

U; на поеобразователь 3 поекрашается. Процесс записи выборок исследуемого сигнала и(а;) в vcTDOHcTBO 4 памяти заканчивается.

После окончания первого периода исследуемого сигнала блок 1 начинает вырабатывать импульсы U.-.- с частотой о,--„>в, которые поСт наЮт На ВХОД 1 СтрОйСтВа 4 нанят. оаЗОЕшая ему синхоонно с ними выдавать в устройство 9 сравнения соответствуюшие дискретные значения и (а(), и (аг), -, и (а.), "" и(а() поочередно, где пооизводится операция вьгчитания из этих дискретных значений постоянной составляюшей U(, зафиксированной в стоойств 9. Одновоеменно импульсы Ui пост пают на вход устройства 5, чем создают моменты формирования дискретных компенсирующих сигналов и„,„(а,) = U, „,„Мп ((е„,„/(+ 6„,„), в,8(— а(, которые так же как и дискретные значения исследуемого ситнала, но с некоторой задержкой постжают в устройство 9 сравнения. Н результате операций, проведенных в этом уст юйстве, сигкау, пос у(ающий ноочередно ча.:ход вычп;лц,e. 0 ".àçHåíHÿ. имеет внд (! (2,) = «(,) — UÎ (.) = (.) — U. г,ых д:(".стоо!(ст:.. — «„. (2 ) — «мом (з);

u (м,) = u (() — U, — «„.,„(i;);

u ():-: u () — U — «мом г

10 где u (и;) — результат последовательного вычитания из дискретных значений сигнала и(а() постоянной составляюшей Up и дискретных значений компенсируюшего сигнала и,.„„(g;) .

Вычислитель 10 вычисляет действуюшее значение функции и (а;) за период

s — Р1 (()) .

l-1

20 (8) После окончания первого периода компенси25 руюшего снгна.".à блок 1 упрачления вырабатывает управляющий импульс U2, который разрешает устройство 8 поиска и выделения минимума.

Как только на устройство 8 поступит дей30 ствуюшее значение напряжения с вычислителя 10, начинается пооцесс минимизации функIIHH (4) по фазе. После нахождения минимума по фазе осушествляется поиск минимума функции (4) по амплитуде. Поиск минимума

З5 по фазе и амплитуде осуществляется устройством 8 по указанному выше алгоритму, путем изменения дискоетных значений фазы ф „и амплитуды U(компенсирующего напряжения до тех пор, пока не выполнится

4р условие полной компенсации в соответствии с выражениями (6) и (7) и U(,;,—— U(„, (((мои= Ц((По достижении полной компенсации устройство 8 через блок 1 импульсом Up передает показания вычислителя 10 через блок 1 импульсом Up передает показания вычислителя

l0 через элемент И 6 на первый вход лотометра 11. Этот же импульс запрещает устройству 4 памяти выдавать дискретные значения

50 u(a;) исследуемого сигнала, а реверсивному счетчику в устройстве 9 сравнения производить опера(ию ычитания. Таким образом, поступаюшие с выхода блока 5 дискоетные значения компенсиоуюшего сигнала без изменения проходят на вход вычислителя 10, на выходе которого получают за период компенсирующего напряжения действуюшее значение первой гармоники:

E=P которое через элемент И 6 и при наличии на втором в оде этого элемента импульса U>

á5 п1(оходит также на вход логометра 11.

567!47

Составитель П. Лягни

Техред М. Семенов

Редактор Е. Караулова

Корректор Е. Хмелева

Заказ 1843/18 Изд. № 606 Тираж 1109 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2..о",ã"..етр ;, прздзьо.= о-..ргцпн деления ..;.:. пня U,, и. . ь дает значение коэффицис;I га нелинейных искажений, которое фиксируется индикатором 7, /в.г

/ = /, Применение новых узлов обеспечивает повышение быстродействия измерения КНИ периодических ситналов, что существенно на инфранизких частотах, а также повышение точности измерения КНИ сигналов, содержащих постоянную составляющую.

Фор мул а изобретения

Измеритель коэффициента нелинейных искажений, содержащий блок управления, устройство сравнения, устройство поиска и выделения минимума напряжения, логометр, отл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения коэффициента нелинейных искажений сигналов, содержащих постоянную составляющую, в него дополнительно введены элементы И, устройство памяти, блок формирования дискретного компенсирующего сигнала, вычислитель действующих значений, индикатор и преобразователь аналог — код, первый вход которого через первый элемент и соединен с входной шиной измерителя, второй вход преобразователя аналог — код подключен к первому выходу блока управления, первый вход которого соединен с входной шиной измерителя, а выход преоб .зователч аналог — ко;. с..;ед;.H . первыми и входамн устройства равно»;г устройства памяти, второй и третий входы последнего подключены к второму и четвертому выходам блока управления, причем выход устоойства памяти соединен с вторым входом устройства сравнения, третий вход которого подключен к четвептому выходу блока упразлсчпя, а четвертый вход устройства сравнения — к выходу блока формирования дискретното компенсирующего сигнала, входы которого соединены соответственно с вторым выходом блока управления и первым выходом устройства поиска и выделения минимума, второй выход которого подключен к второму входу блока управления, а входы устройства поиска н выделения минимума соединены с пятым выходом блока управления и первым выходом вычислителя действующих значений, входы которого подключены к выходу устройства сравнения и третьему выходу блока управления соответственно, а второй выход вычислителя действующих значений через второй элемент И подключен к последова25 тетьно соединенным логометру и индикатору, причем вторые входы элементов И подключены соответственно к шестому и четвертому выходам блока управления.

30 I".ñòî÷íèêH информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 370540, кл. С 01R 23/16, 1973.