Устройство для определения интегральных характеристик периодического сигнала

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первьзй вход которого соединен с входной шиной и первым входом формирователя, а выход - с первым входом элемента 2И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход - с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом дешифратора , вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход формирователя соединен с входом итогового счетчика, выход которого соединен с первым входом второго счетчика, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ, а второй вход - с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства , fe него введены второй делитель частоты, реверсивный счетчик, счетчик с переменным коэффициентом деления , первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя , второй вход - с первьам выходом реверсивного счетчика, а выход - с вторым входом элемента 2И-ИЛИ , (Л . третий и четвертый входы которого объединены и соединены с вторыми входами первого элемента ИЛИ, второ го элемента И и вторым выходомревер-i. сивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ и третьим входом второго счетчика, второй вход - е выходом дешифратора, при этом вход второго х делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с входом первого делителя частоты, вторыми входами аналого-цифрового преобразователя и формирователя соел ответственно.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

I (19) И1) А

3(58 Н 03 К 13/02.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3460304/18-21 (22) 25.06.82 (46) 23. 01. 84, Вюл. 9 3 (72) И.М.Вишенчук и А.В.Гупало (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола (53) 681. 325 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 600721, кл. H 03 К 13/02,. 1976.

2. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессон. М., Энергия, 1972,. с. 56, рис. 3-7.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 947957, кл. Н 03 К 13/02, 1979 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА > содержащее аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого соединен с входной шиной и первым входом формирователя, а выход — с первым входом элемента 2И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход — с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с ныходом дешифратора, вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход формирователя соединен с входом итогового счетчика, выход которого соединен с первым входом второго счетчика, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ, а второй вход — с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, отличающее с ятем,что, с целью повышения точности устройства, н него введены второй делитель частоты, реверсинный счетчик, счетчик с переменным коэффициентом деления, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход — с первым выходом реверсивного счетчика, а выход — с вторым входом элемента 2И-ИЛИ,,третий и четвертый входы которого объединены и соединены с вторыми входами первого элемента ИЛИ, второго элемента И и вторым выходомренер». синного счетчика, первый вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ и третьим входом второго счетчика, второй вход — е выходом дешифратора, при этом вход второго делителя частоты соединен с выходом генвратора импульсов, а выход — с входом первого делителя частоты, вторыми входами аналого-цифрового преобразователя и формиронатвля соотн етстненно.

1069151

Изобретение относится к измерительной технике и используется В специализированной аппаратуре для определения интеграл|:ных характеристик периодического сигнала, при измерении которых предварительно необходимо производить функциональное преобразование сигнала с последующим выделением постоянной составляющей, при этом важной задачей является уменьшение погрешности изме10 рения постоянной составляющей преобразованного сигнала, гармоники которого представляют собой помеху.

Известно устройство для измерения действующего значен-I%I сигнала, содер-1 жащее входной у силитель, два компаратора, источник калиброванного напряжения, аналоговый сумматор, генератор тактовых импульсоя,, генератор псевдослучайных чисел, цифроаналого-. 20 вый преобразователь, две группы Вентилей, логический инвертор, решающий блок и регистрирующее устройство (Ц .

Известно устройство для измерения cpezнего значения, содержащее аналого-цифровой преобразователь, электронно-счетный измеритель отношения и генератор импульсов Опроса, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя и первым входом измерителя отношения, а второй вход аналогоцифрового преобразователя соединен с общим входом устройства (21.

Недостатком этих устрой-.тв является низкая точность определения оценки среднего значения периодического сигнала.

Ниболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения интегральных характеристик периодического сигнала, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого соед инен с входной шиной и первым входом формирователя, а .Выход — c 45 первым входом элемента 2И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И„выход которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход — с выходом гер- 5О вого элемента ИЛИ, первый Вход которого соединен с Выходом дешифрато-ра, вход. которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход формирователя соединен с входом итогово- 5 го с четчика, выход которого соедине н с первым входом второго счетчика, выход которого соединен с входом второго элемента ИЛИ, а второй вход — с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов (3) .

Недостатком известного устройства является также низкая точность опоеделения интегральных характеристик . периодического сигнала, Целью и зобрете ния является повышение точности устройства, Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения интегральных характеристик периодического сигнала, содержащее аналоrо-цифровой. преобразователь, первый вход которого соединен с входной шиной и первым входом формирователя, а выход — с первым входом элемента 2И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход .которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход — с выходом первого элемента ИЛИ первый е

Ф в ход которого соеди не н с выходом дешифратора, вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход формирователя соедине í с входом итогового счетчика, выход которого соединен с первым входом второго счетчика, выходы которого соединены с входами Второго элемента ИЛИ, а второй вход — с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с Выходом генератора импульсов, введены второй делитель частоты, реверсивный счетчик, счетчик с переменным коэффициентом деления, первый

Вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразсвателя, Вт opoA ВхОд — с пер, Зыби выхОдОм ре

Версивного счетчика, а выход — с вторым входом элемента 2И-ИЛИ третий и четвертый входы которого объедине ны и соединены с вторыми входами первого элемента ИЛИ, второго элемента И и вторым выходом реверсивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом второгo элемента ИЛИ и третьим входом второго счетчика,, второй вход — с выходом дешифратора, при этом вход второго делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов, а выход — с входом первого делителя частоты, вторыми входами аналого-цифрового преобразователя и формирователя соответственно„

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2,-a — весовая функция, реализуемая предлагаемым устройством; яа фиг. 2Х; б „вЂ” спектры компонентов спектральной характеристики реали зуемой Весовой функции. устройство для определения интегральных характеристик сигнала (фиг. 1) содержит аналого-цифровой

rrpeo бра з о ватель (АЦП ) 1, управляемый делитель 2 частоты, электронно-счетный измеритель. 3 отношения, измеритель 4 периода сигнала, генератор 5 части периода сигнала, генератор б импульсов, счетчик 7 с перемен1069151 ным .коэффициентом деления, элемент 2И-HJIH 8, элемент И 9, . счетчик 10, формирователь 11, итоговый счетчик 12, элемент И 13, счетчик 14, элемент ИЛИ 15, реверсивный счетчик 16, делитель 17 частоты, дешифра-. тор 18, элемент ИЛИ 19, делитель 20 частоты импульсов, входную шину 21.

Кроме того, на фиг. 1 обозначены: выход 22 аналого-цифрового преобразователя 1, выход 23 элемента 2И-ИЛИ 8,1О выход 24 элемента ИЛИ 19, выход 25 итогового счетчика 12, выход 26 элемента ИЛИ 15, первый 27 и второй 28 выходы реверсивного счетчика 16, выход 29 делителя 20 частоты импульсов,!5 выход 30 генератора б импульсов. упраВляемый делитель частоты 2 содержит счетчик 7 с переменным коэф- фициентом деления, и элемент 2Н-ИлИ 8, причем первый вход счетчика 7 соединен с первым входом первого элемента И элемента 2И-ИЛИ 8 и выходом 22

ЪЦП 1. Первый вход второго элемента И элемента 2И-ИЛИ 8 соединен с выходом счетчика 7, второй вход которо- 25 го соединен с первым выходом 27 реверсивного счетчика 16, Второй (инверсный) вход первого элемента И элемента 2И-ИЛИ 8 и второй вход второго И этого же элемента соединены с вторым выходом- 28 реверсивного счетчика 16.

Электронно-счетный измеритель 3 отношения содержит элемент И 9, счетчик 10, делитель 17 частоты, дешифратор 18, элемент ИЛИ 19. Выход 23 . элемента 2И-ИЛИ 8 соединен с первым входом элемента И 9, выход которого соединен со счетчиком 10. Второй вход элемента И 9 соединен с выходом 24 элемента ИЛИ 19. Выход дели- 4О теля 17 частоты соединен с входом дешифратора 18, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 19, второй вход которого соединен с вторым выходом 28 реверсив- 45 нрго счетчика 16 .

Измеритель 4 периода сигнала содержит последовательно соединен- . °ные формирователь ll и итоговый счет. чик 12. Первый вход формирователя соединен с входной шиной 21 устройства и первым входом АЦП 1, а второй вход формирователя 11 соединен с вторым входом АЦП 1, входом делителя 17 частоты электронно-счетного измерителя отношения и выходом делителя 20 частоты импульсов.

Генератор 5 части периода сигнала ссцержиг элемент И 13, счетчик 14 и элемент ИЛИ 15, причем выход эле- Я) мента И 13 соединен с первым входом счетчика 14, второй вход которого соединен с выходом 25 итогового счетчика 12 измерителя периода сигнала. Выходы счетчика 14 соединены

c f - в=."одами элемента ИЛИ 15, выход которого соединен с третьим входом счетчика 14 и первьм входом реверсив" ного счетчика 16. Первый вход элемента И 13 соединен с выходом 30 генератора б импульсов и входом делителя 20 частоты импульсов, Второй вход элемента И 13 соединен с вторым выходом 28 реверсивного счетчика. 16. Второй вход реверсивного счетчика 16 соединен с выходом дешифратора 18 электронно-счетного измерителя 3 отношения. управляемый делитель 2 предназначен для деления и передачи на выход выходных импульсов АЦП 1 в соответствии с состоянием выходного кода на первом выходе 27 и управляющего сигнала на втором выходе 28 реверсивного счетчика 16.

Электронно-счетный измеритель 3 отношения предназначен для измерения отношения средней частоты выходных импульсов АЦП 1 к частоте импульсов на выходе 29 делителя 20. Для реализации весовой функции введен элемент ИЛИ 19, удлиняющий время измерения на длительность управляющего сигнала на втором выходе 28 реверсивного счетчика 16.

Измеритель 4 периода сигнала служит для преобразования переменной составляющей входного сигнала в сигналы логического нуля и единицы с последующим формированием интервала длительностью в один период входного сигнала, на протяжении которого ведется подсчет импульсов с выхода 29 делителя 20 частоты импульса.

Генератор 5 части периода сигнала предназначен для выработки импульсов длительностью Тх/2 где Тх — период входного сигнала;

2 — разрядность делителя 20. и

Реверсинный счетчик 16 служит для формирования управляющих сигналов на втором выходе 28 длитель нЬстью Р (2 -1) и выходяых кодов на первом выходе 27 для управляемого делителя 2.частоты.

Генератор 6 импульсов и делитель 20 служат для формирования тактовых импульсов и импульсов onроса для АЦП 1, измерителя 4 периода сигнала, генератора 5 части периода и электронно-счетного измерителя 3 отношения. устройство работает следующим образом.

Перед началом измерительного цикла осуществляется измерение периода сигнала Тх при помощи измерителя 4 периода сигнала. Код периода сигнала хранится в итоговом счетчИке 12. В начале измерительного цикла с жтчики 14 и 16 обнуляются, 1069151

/ sdn В Та/2 je тх/4) (iТх/8) (м Тх/2 "11с / -рь To/ÿ

I — сос с «s ...COS Д (1.

Г -y Ty!"t К -/WE/8 У Т" l2

/COSVIETx/2 CO5VIETx/Ф"и сформирован ныв при этом импульсы с выхода 26 элемента ИЛИ 15 разрешают передачу обратного кода с выхода 25 итогового счетчика 12 в счетчик 14, а управляющий сигнал с второго выхода 28 реверсивного счетчика открывает элемент И 13 и пропус кает на счетный вход счетчика 14 импульсы генератора 6 до момента обнуления счетчика 14, после чего на выходе 26 элемента ИЛИ 15 снова вырабатывается импульс записи в обратном коде информации со счетчика 12 в счетчик 14, при этом в реверсивный счетчик 16 записывается единица, Элв. мент И 13 остается открытым, на счет-15 ный вход счетчика 14 продолжают поступать импульсы генератора 6 и цикл повторится снова, учитывая„ что частота импульсов генератора 6 в 2" раз выше частоты 20 на выходе делителя 20 (rt- разрядность делителя 20), на выходе элемента ИЛИ 15 вырабатываются импульсы с периодом Тх/2, которые поступают на счетный вход счетчика 16. Информа 25 ция а состоянии счетчика 16 передается с первого выхода 27 на второй вход счетчика 7 с переменным коэффициентом деления, Выходные импульсы

АЦП 1 делятся на счетчике 7 и через 3() открытый второй элемент И элемента 2И-ИЛИ 8 поступают на выход 23 управляемого делителя 2 частоты.

Разрядность счетчика 16 — 2, поэтому на интервале времени 0 p . 2 (2 1)35 на выходе 2 3 будут импульсы АЦП 1, средняя частота которых изменяется

Та ° 1 са ссЦ.с= сачссс3-с "с.с (/ e " dt./

Тх/

В последнем выражении экспоненциальные множители от мнимых аргументов выражают толька фазовые сдвиги, поэтому модуль спектра равен. ° саз // Х Тх /2 " / или с учетом выражения

/с05 / Tx/2. с05ТХТх/0..... сО5 fit 4/2 / =

s N I7 7l g T tt

2 . 5(и(йХТх/2 / с па ступенчато-возрастающему закону.

В момент времени (Тх/2 ) (2 -1) Уrrранляющий . сигнал с второго выхода счетчика 16 открывает первый злемент И элемента 2И- ИЛИ 8 и выходные импульсы АЦП 1 с весом 1 на интервале времени (Tx/2л) (2"-1) — Та поступают на выход 23 и через открытый элемент И 9 — на счетный вход счетчика 10. В момент Та счетчик 14 обнуляется, триггера реверсивного счетчика 16 устанавливаются в единичное состояние, с ныхода двшифратора 18 Hà нход реверса счетчика 16 постуцает сигнал, устанавливающий счетчик н режим вычитания, сигнал с выхода 28 открывает второй элемент И элемента 2И-ИЛИ 8, элемент И 13, и через элемент ИЛИ )9 удлиняет время счета до.,момента времени TB+ л(@ 1) . Т х

Яа интервале Та — Та+,—,л(2 -1) работа устройств аналогична работе на интервале 0 — {Тх/2 ) (2 — 1), но при этом на. вход счетчика 7 с первого выхода 27 реверсивного счетчика 16 поступает выходной кад, абусланливающий ступенчато-убывающее изменение средней частоты выходных, импульсов АЦП 1 на выходе 23, Таким образом, реализуется функция P (), представляющая собой сумму 2 прямоугольников высотой (2 . Та), сдвинутых относительно друг друга на интервалы времени

Тх/2, спектр С (/%I) котоРой представлен на фиг, ? с)и равен

+Тх/2 — 1 Та Тх/Z (2 -1), с с dt+"+f e с dt):

2 Тх/Z (2 -1) В спектральной характеристике второй сомножитель (фиг. 2 б) превращается в нуль на всех гармониках нходнога сигнала

Тх с, где =1, 2, 3, ...,с кроме частот, удовлетворяющих равенство

Х = (Тх 2 ) p, (4) где =- 1, 2, 3, ...,а > для которых выражение (2) пренращается н 1, т.е., происходит раннавесное суммирование с погрешностью, описываемой первым сомножителем выражения (3).

Выбор П {разрядность делителя частоты 20 и реверсивного счетчика 16 ) ограничивается числам, для которого первая частота, проходящая с единичным несом, подавляется прямоугаль1069151 ной весовой функцией (первый сомножитель выражение (3) ) до величины, меньше допустимой. Учитывая выражение (4) получим д = (/ 7а Тх "2 )

Отсюда

e t 6 Ъ 2 Тра,) тх ) + 1 j, 1

Для.данного h получим подавление всех четных и нечетных гармоник, погрешность от которых большв допустимой Р, !

О

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря наличию счетчика 16 и счетчика 7 с переменным коэффициентом деления частоты реализуется весовая функция, способная адаптироваться .к частоте четных и нечетных гармонических составляющих функционально-преобразованного сигнала: при измерении периода сигнала автоматически.изменяются нули второ- 20 го компонента спектральной характеристики (3) (фиг, 25) ° Адаптация к амплитуде заключается в том, что при уменьшении амплитуды рано или поздно формирователь 11 5 перестает работать иэ-за того, что амплитуды сигнала недостаточно.

В этом случае показание йтогового счетчика 12 равно нулю, интервал (Тх/2 ). (2 -1) превращается в нуль 30 и весовая функция становится прямоугольной. Однако порог срабатыва-ния формирователя всегда намного ниже предела измерения, .и прямоугольная весовая функция будет вполне удовлетворительной, так как помеху слабого уровня подавлять можно хуже.

Для предлагаемого устройства погрешность определения интегральных характеристик сигнала, содержащего четные и нечетные гармоники (уровень отклонения от нуля спектральной характеристики) на интервале анализа

Та определяется из выражения (3).

Первый сомножитель в худшем случае равен (Ях Ta) . Второй сомножи 45 тель при измерении Тх с погрешностью . Тх составит

sit7 7/Хх (Тх ATx)

-1, / Ю т» Дт ) 50

2пэ п /l 1Х ЬТХ

2 (э к //Z + ///Я Л Ь» .Ех) я f» Л )х (6)

B выражении (6) при изменении о в пределах от 2 до с >знаменатель изменяется в пределах от 2 до 7i и учитывая, что синус малых углов равен аргументу выражения, выражение (6) примет вид

s n hfx а )х 7Ffx йТх

2 " (s ï7)/2

- /

Умножив выражение (7.) на (7 1» Та) получим

/0(Х j/ = д„ = Л Тх/2Та. (8)

Таким образом, последнее выражение описывает погрешность определения интегральных характеристнк периодического сигнала, содержащего, кроме нечетных, четные гармоники.

Для и звест ного у стройства погрешность определения интегральных характеристик сигнала, содержащего четные и нечетные гармоники, на интервале анали за Та определяется выраже" нием

-1

d2=/(/ФТ ) / .(9) где — номер четной гармоники в преобразованном сигнале.

Сравнивая погрешности предлагаемого и известного устройств

Р /d = 2Тх/Г ; hТ--, (10) видйо, что при измерении Тх с погреш1Ъ д2/4: — 100 = k„°. (11)

Из последнего вйражения следует, что при измерении Тх с погрешностью менее 13 . подавление второй гармоники приблизительно в 30 раэ больше, чем у известного устройства.

Технико-экономический эффект иэобретения состоит в том, что использование устройства в вольтметрах для определения интегральных характеристик сигналов (среднеквадратического, средневыпрямпенного, среднего детектированного) приводит к значительным улучшениям основных технических характеристик, а именно к уменьшению погрешности и времени преобразования как при измерении синусоидальных, так и искаженных сигналов. оаэи

4)и8.1

1069151

Составитель A. Кузнецов

Реда кт ор А. Шандор Техред Т . Маточ к а Корректор А.Дэятко

Закаэ 11492/55 Тираж 868 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4