Анализатор спектра

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Может быть использовано для спектрального анализа периодических сигналов с малыми уровнями высших гармоник. Цель изобретения - повышение точности анализатора и расширение его функциональных возможностей. Для достижения поставленной цели в устройство введены вычитающее устройство 4,.генератор 5 компенсирующего сигнала, измеритель 14 действующих значений и пороговые элементы 9 и 10, а уси

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Ai (51)4 С 01 R 23 16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ!

М% (21) 3840454/24-21 (22) 09.01.85 (46) 30.01.87. Бюл. ¹ 4 (71) Институт электродинамики

АН УССР (72) В.В.Брайко, В.Е.Ефремов, 0;Л.Карасинский, М.В.Козлов и С.Г.Таранов (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 883772, кл. G 01 R 23/16, 1979 °

Алиев и др. Автокомпенсационные измерительные устройства переменного тока; М.: .Энергия, 1977, с. 223. (54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике. Может быть использовано для спектрального анализа периодических сигналов с малыми уровнями высших гармоник. Цель изобретения — повышение точности анализатора и расширение его функциональнык возможностей. Для достижения поставленной цели в устройство введены вычитающее устройство 4, .генератор 5 компенсирующего сигнала, измеритель 14 действующих значений и пороговые элементы 9 и 10, а усиОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, 128 литель 3 выполнен регулируемым.Устройство также содержит вычитающее устройство 1, генератор ? компенсирующего сигнала первой гармоники, I блок,,6 выделения ортогональных составляющих гармоник, пороговые элементы 7 и 8, арифметическое устройство 11, блок 12 синхронизации, блок

13 индикации. В материалах изобретения приведены схемы ряда блоков устройства, которые содержат цифроаналоговые преобразователи 15, 16, :17, 18, 20, 22, 44, ключи 23, 24, 25, 26, 31,32, 33, 34, интеграторы 27 — 30, запоминающее устрой7033 ъ ство 38, преобразователь кода 36, задатчик 35, операционный усилитель

19, сумматоры 37 и 45, резистор 21, блок 39 формирования констант, регистр 40 с индикатором 41, фгзовращатель 43, переключатель 42, фильтр

46 нижних частот, умножитель 47, рас>тределитель 48 импульсов. Устройство позволяет измерять уровни высших гармоник по отношению к амплитуде первой гармоники, а также коэффициент гармоник и сдвиг фаз высших гармоник относительно нуль-перехода первой гармоники. 4 з . и .ф-лы, 3 ил.

Изобретение Отн н ится к электраизмерительпой технике и может быть использовано цля спектра>гьпого анализа периодических с»гналав с малыми уровнями высших гармоник, в частности, для измерения высших гармоник напряжений электрической сети.

Цель изобретения ; повышение точности анализатора и расширение ега функциональных возможностей, связанных с обеспечением измерения уровней высших гармоник па отношению к амплитуде первой гармоники, коэфф lциента гармоник и сдв»>.а фаз высших гармОник Относительно нуль †перехо первой гармоншки.

На фиг. 1 приведена структурная схема анализатора спектра; на фиг. ? и 3 — времеггные диаграммы его работы.

Анализатор спектра содер>кит последовательно соединенные вычитающсе устройство 1, ко второму входу которого подключен генератор ? компенси рующего сигнала первой гармоники, регулируемый усилитель 3, вычитающее устройство 4, к второму входу которого подключен генератор 5 компенсирующего сигнала высшей гармоники,блок

6 выделения ортоганальных составляющих первой и высшей гармоник с пороговыми элементами 7 — 10 на выходах и арифметическое устройство 11.

Выходы арифметического устройства

11 подключены к генераторам 2 и 5, регулируемому усилителю 3, блоку

6 выделения ортогональных составляющих, блоку 12 синхронизации и блоку 13 индикации. Вход блока синхрог низации соединен с входом анализатора спектра. Блок 12 синхронизации управляет работой генераторов 2 и

5, регулируемого усилителя 3, блока

6 выделения ортогональных составляющих, арифметического устройства

11 и блока 13 индикации. К выходу усилителя 3 также подключен измеритель 14 действующего значения напряf5 жения.Генераторы 2 и 5 имеют идентич— ную структуру и образованы каскадным соединением двух цифроаналоговых преобразователей 15, 16 и 17, 18 соответственно.Цифроаналоговые преобразователи 15 и 17 используются в качестве

POГУ>ГИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ IIOCTOHHHbIX напряжений.

Преобразователи 16 и 18, выполненные на базе цифроаналоговых преобразователей множитепьпого типа, используются.в качестве перемножителей.

Последнее также относится к функциям и реализации всех цифроаналоговых »реобразователей,входящих в анализатор, Все цифроаналоговые преобразователи, используемые в анализаторе спектра, имеют встроенные ре,гистры, предназначенные для приема и хранения кодовой информации, поступающей в преобразователи по цифровым входам. Генераторы кампенсиру3 12870 ющих сигналов формируют сигналы, амплитуда которых определяется кодами преобразователей 15 и 17, а форма сигналов задается посредством кодовых последовательностей на цйфровых входах преобразователей 16 и 18.Ре гулируемый усилитель образован операционным усилителем 19, в цели обратной связи которого включен цифроаналоговый преобразователь 20. На 10 входе операционного усилителя расположен резистор 21. Коэффициент передачи регулируемого усилителя 3 обратно пропорционален величине кода цифроаналогового преобраэовате- 15 ля 20. Измеритель действующего значения напряжения представляет собой детектор среднеквадратического значения напряжения и является типовым элементом измерительной техни- 20 ки. Блок 6 выделения ортогональных составляющих реализован на базе цифроаналогового преобразователя 22, к выходу которого посредством ключей соответственно 23 — 26 подклю- 25 чены интеграторы 27 — 30. Интеграторы формируют напряжения синусных и косинусных ортогональных составляющих первой и высшей гармоник.Цифроаналоговый преобразователь 22 ис- 30 пользуется в режиме разделения времени, что достигается поочередной коммутацией входов интеграторов с одновременной сменой вида опорных сиг(синусный или косинусный) на цифровом входе преобразователя.Благодаря этому интеграторы избирательно накапливают выборки входного сигнала с весами, изменяющимися по законам синуса и косинуса первой и выс- 40 шей гармоник. Режим разделения времени дает экономию количества перемножителей в блоке 6 выделения ортогональных составляющих. Информацией, управляющей работой арифметического 45 устройства 11, являются знаки напряжений ортогональных составляющих, формируемые на выходах пороговых элементов 7 — 10 и поступающие в арифметическое устройство соответственно через ключи 31 34, а также код номера измеряемой высшей гармоники, формируемый задатчиком 35 номера гармоники. С выходов ключей

31-34 и задатчика 35 номера гармоники управляющая информация через преобразователь 36 кода поступает на вход сумматора 37, выход и второй вход которого соединены с входом и зз 4 выходом оперативного запоминающего устройства 38. управляющая информа- ция поступает в арифметическое устройство последовательно в режиме разделения времени. Преобразователь кода 36 выполняет три функции: при поступлении управляющего сигнала из блока 12 синхронизации преобразователь 36 формирует на своем выходе код, равный единице; при поступлении кода номера гармоники с задатчика

35 преобразователь 36 кода пропускает сигналы задатчика без изменения, а при поступлении информации о знаках ортогональных составляющих преобразователь кода формирует в зависимости от знака код, равный +1 илн

-1, что соответствует формированию единицы в прямом или дополнительном коде. В ячейках оперативного запоминающего устройства 38 хранятся текущие значения регулируемых параметров и вспомогательная информация, необходимая для функционирования анализатора. Запоминающее устройство не только воспроизводит второе слагаемое сумматора 37, но и осуществляет фиксацию результатов суммирования. Блок 39 формирования констант представляет собой постоянное запоминающее устройство, в котором зафиксирована таблица синусов и коо синусов от нуля до 360 . Аргумент этой таблицы задается кодом оперативного запоминающего устройства 38.

Вход блока 39 формирования констант подключен к выходу запоминающего устройства 38, а выход — к цифроаналоговым преобразователям 16, 18 и 22. При последовательном опросе адресов блока 39 констант на его выходе формируются последовательности цифровых сигналов, изменяющиеся по законам синуса и косинуса. Блок

13 индикации содержит каскадно сое- . диненные регистр 40 с индикатором

41. Переключатель 42 осуществляет выбор информации, записываемой в регистр 40 для отображения на индикаторе 41. Блок 12 синхронизации содержит последовательно соединенные

90-градусный фаэовращатель 43 первой гармоники, цифроаналоговый преобразователь 44, сумматор 45, второй вход которого соединен с входом фазовращателя 43, фильтр 46 нижних частот, умножитель 47 частоты и распределитель 48 импульсов. Фильтр

46 имеет частоту среза, которая поз"

5 12 воляет выделить первую гармонику входного сигнала. Умножитель частоты запускается нуль-переходами первой Гармоники и делит ее период на

N равных частей. Коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя 44 изменяется в диапазоне nr -1 до + 1. Выход запоминающего устройства помимо блока 39 подключен к вхо.— дам цифроаналоговых преобразователей 15, 17,20,. 44 и регистра 40.Вы— ходы распределителя 48 импульсов подключены к входам записи цифроаналогoBblx преобразователей 15, 16, 17, 18, 20, 22, 44, управления ключами

23, 24, 25, 26, 3 1. 32, 33, 34, сбро са интеграторов 27 — 30, управления эадатчиком 35, преобразователем 36 кода, блоком 39 формирования констант, запоминающим устройством 38 и к входам переключателя 42. Задатчпк

35 номера гармоники в простейшем случае представляет собой обычный переключатель. В более сложных вариантах исполнения он может содержать переключатель с дешифратором на выходе и управляющее переключателем программное устройство с тайме-. ром. Цифроаналоговые преобразователи 16, 18, 22, 44 могут быть выполнены на основе перемножающих цифроаналоговых преобразователей микросхем 572 серии. В качестве постоянного запоминающего устройства блока

39 формирования констант могут быть использованы микросхемь1 556 серии.

Распределитегп. 48 импульсов полностью описывается временными диаграммами Выходных импульсов, приведенными на фиг. 2. В течение периода

Т входного сигнала импульсы П формируются И раз через интервалы времени равные Т/Y. Импульсы Б,„ осуществляют запись кодовой информации в цифроаналоговый преобразователь

22. В течение длительности импульсов

Ьi Ъ Ъ Ub

Ug происходит соответственно от крйвание ключей ?3-25, 31-34. В течение импульса U . осуществляется сброс интеграторов 28 — 30. Импульс

Ug переводит блок 39 формирования констант,из режима воспроизведения косинусов в режим воспроизведеш1я синусов. В течение импульсов U и

U происходит соответственно пере-. вод преобразователя 36 кода в режим воспроизведения кода равного единице и считывание информации задатчи87033 6 ка 35 номера высшей гармоники. Импульсы U осуществляют запись выходных кодов сумматора 37 в оперативное запоминающее устройство 38. Импульсы U,, Vb,, П Ъ., определяют адреса рабочих ячеек запоминающего устройства 38. Импульсы V,, U

Uq„, Uqz осуществляют запись

U кодовой информации соответственно

10 в цифроаналоговые преобразователи

15 — 18, 44. Импульс Ц, осуществляет запись кода сдвига фазы высшей гармоники в регистр 40 блока

13 индикации.

15 Устройство работает следующим образом.

При поступлении на вход анализатора спектра сигнала с периодом Т блок 6 выделяет ортогональные составляющие сигналов некомпенсации первой и высшей гармоник. Сигналы некомпенсации являются разностными сигналами измеряемых гармоник (первой и

25 высшей) входного сигнала и выходных сигналов генераторов 2 и 5 компенсации. Равенство нулю выходных сигналов блока выделения ортогональных составляющих свидетельствует о пол30 ной компенсации соответствующих гармоник. Анализатор спектра использует полярно-координатный метод компенсации, когда генератор компенсирующего сигнала перестраивается по фазе и амплитуде. Пороговые элементы выделяют состояние неравенства нулю и знак неравенства ортогональных составляюших. Неравенство нулю синусных составляющих свидетельст40 вует о наличии фазового сдвига между гармоникой и сигналом компенсации, а неравенство нулю косинусных составляющих при отсутствии фазовых сдвигов — о неравенстве ампли45 туд этих сигналов. Алгоритм компенсации заключается в определении знаков ортогональных составляющих сигналов некомпенсации, осуществляемом в течение периода входного сигнала, 5р и в формировании управляющих воздействий на параметры генераторов с последующим изменением значений фаз и амплитуд генераторов компенсации, производимым в конце периода.

55 Процесс компенсации являетсл итерационным, т.е. описанная последовательность операций повторяется во времени, обеспечивая следящий режим за параметрами входного сигна1287033 8 фазы генератора 2 в указанных предела. Формирование управляющих воздействий осуществляется с помощью сумматора 37, который суммирует единичные приращения параметров ге- нераторов компенсации с текущими значениями этих параметров, хранящимися в запоминающем устройстве

38; Знаки приращений определяются знаками ортогональных составляющих.

Нуль-переход первой гармоники на входе анализатора спектра в общем случае не совпадает с нуль-переходом входного сигнала. Это связано с наличием высших гармоник в вход— ном сигнале. Этот фазовый сдвиг в самом неблагоприятном случае даже при коэффициенте гармоник, достигающем величины 40Х, не превышает величины 30 градусов. Последнее обусловливает необходимость регулировки

5 !

О

20 синусной ортогональной составляющей высшей гармоники и реализуется посредством суммирования кода приращения фазы с текущей фазой высшей гармоники. При этом опрос таблицы синусных кодов блока 39 формирования констант начинается по иному адресу, Смещенному на величину кода приращения.

Перестройка генератора 5 компенсации высшей гармоники по амплитуде производится путем регулировки выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 17.посредством косинусной ортогональной составляющей высшей гармоники блока 6.

Формирование текущих фаз синусоидальных компенсирующих и опорных сигналов высшей и первой гармоник производится сумматором 37 в виде

2я пК арифметических выражений где лах. Управпение фазой генератора 2 компенсирующего сигнала первой гармоники производится путем временного сдвига управляющих импульсов распределителя 48. Этот сдвиг достигается совместным использованием 90градусного фазовращателя 43,цифроаналогового преобразователя 44, сумматора 45 и фильтра 46, образующих регулируемый фазовращатель первой гармоники. Иллюстрация принципа работы этого фазовращателя приведена на фиг. З,где U „ — вход— ной сигнал анализатора, U „„, U,„, U „„ — выходные сигналы цифроаналогового преобразователя 44, сумматора 45 и фильтра 46 соответственно.

Благодаря такому построению блока

12 синхронизации достигается знакопеременный фазовый сдвиг, величина которого определяется коэффициентом передачи цифроаналогового преобразователя 44. На фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов, соответствующие максимальному (пунктирная линия) и минимальному значению коэффициента передачи преобразователя 44. Знак синусной составляющей блока выделения ортогональных составляющих первой гармоники управляет коэффициентом передачи преобразователя 44. Знак косинусной составляющей первой гармоники, изменяя выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 15, управляет амплитудой генератора 2 компенсации первой гармоники. Перестройка фазы высшей гармоники осуществляется посредством

+ (p„è

2Тп

N/4 — коли 1/4 чество квантов на период входного сигнала, при воспроизведении синусоид генераторов компенсации, определяемое умножителем частоты, К вЂ” номер измеряемой высшей гармоники, формируемый задатчиком 35, n — номер импульса умножителя частоты,отсчитываемый от начала периода, сдвиг фазы высшей гармоники. Умножитель частоты запускается нуль-переходами выходного сигнала регулируемого фазовращателя (блоки 43 — 46).

Результатом управления фазовращателем является совпадение нуль-перехода сигнала на его выходе с нульпереходом первой гармоники на входе анализатора спектра. Это обстоятельство дает возможность измерения сдвига фаз высших гармоник относительно первой путем считывания в регистр 40 текущей фазы высшей гармоники в начале (конце) периода в момент прохождения первой гармоникой через нуль. Возможность измерения нелинейных искажений реализуется измерителем 14 действующего значения, на вход которого поступает пронормированный входной сигнал с подавленной первой гармоникой.По этой же причине возможно измерение относительных уровней любой из высших гармоник. Высокая точность нормирования достигается использованием цифроаналогового преобразователя 20, в который поступает код амплитудь| первой гармоники.

1гВ ОЗЗ

Формула из об р е т е н и я

1.Анализатор спектра, содержащий каскадно соединенные вычитающее устройство, первыи вход которого является входом устройства, а к второму входу которого подключен генератор компенсирующего сигнала, регулируемый усилитель, блок вьделения ортогональных составляющих, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами двух пороговых элементов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым информационными входами ариф метического устройства, выход, кото рого соединен с входами блока индикации, генератора компенсирующего сигнала, а также связанный с входом устройства блок синхронизации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в анализатор дополнительно введены второе вычитающее устройство, второй генератор компенсируI ющего сигнала, измеритель действующих значений и два пороговых элемента,а усилитель выполнен регулируемым, причем выход регулируемого усилителя соединен с входом измерителя действующих значений и второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго генератора компенсирующего сигнала, вьжод вычитающего устройства соединен с первым входом блока выделения ортогональных составляющих, к третьему и четвертому выходу которого подключены соответственно два дополнительных пороговых элемента, выходы которых подключены к третьему и четвертому информационным входам арифметического устройства,, первый выход которого соединен с управляющими входами второго генератора компенсирующего сигнала, регулируемого усилителя, блока синхронизации,второй выход арифметического устройства соединен с вторыми управляющими входами блока вьделения ортогональных составляющих, первого и второго генераторов компенсирующего сигнала, выход блока синхронизации соединен с первыми и вторыми входами синхронизации первого и второго генераторов компенсирующего сигнала, регулируемого усилителя, блока вьделения ортогональных составляющих, арифме— тического устройства и блока индикации.

2. Анализатор по п. 1, о т л и5 ч а ю шийся тем, что блок выделения ортогональных составляющих содержит цифроаналоговый преобразователь, четыре ключа и четыре интегратора, причем входы ключей объединены и соединены с выходом цифроаналогового преобразователя, выход каждого ключа соединен с входом соответствующего интегратора, выходы интеграторов являются выходом блока выделения ортогональных составляющих, входы синхронизации цифроаналогового преобразователя каждого ключа, каждого интегратора соединены с выходом блока синхронизации, первый вход цифроаналогового преобразователя является первым входом блока, второй вход цифроаналогового преобразователя является вторым входом блока выделения ортогональных составляющих.

3. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что генератор компенсирующего сигнапа содержит два последовательно соединенных цифроаналоговых преобразователя, первый вход первого цифроаналогового преобразователя является первым управляющим входом генератора, второй управпяющий вход второго цифроанаЗ5 логового преобразователя является вторым управляющим входом генератора, входы синхронизации каждого цифроаналогового преобразователя являются входами синхронизации генератора.

4. Анализатор по п. 1, о т л ич а ro шийся тем, что арифметическое устройство содержит четыре

4 ключа, блок формирования констант, сумматор, оперативное запоминающее устройство, преобразователь кода, задатчик номера гармоники, при этом входы ключей являются информационными входами арифметического устройства, выходы ключей объединены между собой и соединены с входами задатчика номера гармоник и преобразователя кодов, выход которого соединен с

55 вторым входом сумматора., первый вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства, выход сумматора соединен с информационным входом оперативного запоминающего

1 ? 870. 33 2

Vg

<с

IJg устройства, выход которого соединен с входом блока формирования констант, выход которого является вторым выходом арифметического устройства,выход оперативного запоминающего устройства является первым выходом арифметического устройства, выход блока синхронизации соединен с входами синхронизации ключей, задатчика номера гармоники, преобразователя кодов, 10 блока формирования констант и с четырьмя входами синхронизации оперативного запоминающего устройства.

5. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что блок синхронизации содержит последовательно соединенные фазовращатель, цифроаналоговый преобразователь, сумматор, фильтр нижних частот, умножитель частоты, распределитель импульсов, 20 выход которого соединен с вторым входом цифроаналогового преобразова— теля, третий вход которого являет— ся вторым управляющим входом блока, второй вход сумматора объединен с входом фазовращателя и соединен с входом блока синхронизации, причем выходы распределителя импульсов являются выходами блока синхронизации.

6. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что регулируемый усилитель содержит операционный

1 усилитель, вход которого через резистор соединен с входом регулируемого усилителя, в цепи обратной связи . которого включен цифроаналоговый преобразователь, управляющий вход которого является управляющим входом регулируемого усилителя,а вход синхронизации является входом синхронизации регулируемого усилителя, а выход операционного усилителя является выходом регулируемого усилителя.

1287033

Составитель М.Каменский

Редактор Т.Парфенова Техред N,Кодаиич Корректор Г.Решетник

Закаэ 7711/46 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4