Амплитудно-фазовый анализатор гармоник

 

Изобретение относится к электроизм,ерительной технике. Предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового входного сигнала, Тое. для получения его спектрального состава о Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство содержит перестраиваем 1й генератор - 1 синусно-косинусного напряжения, компаратор 4, интегратор 2, источник 3 опорного напряжения. Для достижения поставленной цели в устройство введены блок 7 выделения доминирующей гармоники, блок 6 управления, регистрирующее устройство 5, причем блок 1 вьшолнен с возможностью ввода скорректированного входного сигнала. Для этогб он снабжен дополнительным входом и образованы новые функ1Д1ональные связи. Поставленная цель достигается путем режекции мешакмцей интенсивной гармонической составляющей исследуемого сигнала при помощи блока выделения доминирующей гармоники с последующим усилением интересующих гармонических составляющих. 7 ил. i (Л со о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Вх уст

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3772854/24-21 (22) 19.07.84 (46) 30 ° 04 ° 87. Smi. И - 16, (71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (72) В.А.Семенов, А.M.Смирнов и Е.П.Угрюмов (53) 621.317.757(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 815669, кл. G 01 R 23/16, 1980. (54) АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР

ГАРМОНИК (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике. Предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового входного сигнала, т.е. для получения его спектрального состава. Цель изобретения — повьппение точности измерений. Устройство

„.з „„лзо7о7 а1 (51)4 С 01 К 23/16 содержит перестраиваемый генератор

1 синусно-косинусного напряжения, компаратор 4, интегратор 2, источник

3 опорного напряжения. Для достижения поставленной цели в устройство введены блок 7 выделения доминирующей гармоники, блок 6 управления, регистрирующее устройство 5, причем блок 1 выполнен с возможностью ввода скорректированного входного сигнала.

Для этогб он снабжен дополнительным входом и образованы новые функциональные связи. Поставленная цель достигается путем режекции мешающей интенсивной гармонической составляющей исследуемого сигнала при помощи блока выделения доминирующей гармоники с последующим усилением интересующих гармонических составляющих.

7 ил.

1307371

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть

- использовано для нахождения линейчатых .амплитудного и фазового спектров периодического аналогового входного сигнала, т.е. для получения его спект. рального состава.

Цель изобретения — повышение точ ности измерений.

Поставленная цель достигается путем режекции мешающей интенсивной гармонической составляющей исследуемого сигнала при помощи блока выделения доминирующей гармоники с последующего усиления. интересующих гармонических составляющих.

На фиг. 1 изображена структурная схема амплитудно-фазового анализатора гармоник; на фиг. 2 — схема блока выделения доминирующей гармоники; на фиг. 3 и фиг. 4 — вариант построения регистрирующего устройства; на фиг. 5 и 6 — временные диаграммы его работы, на фиг. 7 — схема перестраиваемого генератора синусно-косинусного напряжения.

Амплитудно-фазовый анализатор гармоник содержит перестраиваемый генератор i синусно-косинусного напряжения, интегратор 2, источник 3 опорного напряжения, компаратор 4, регистрирующее устройство 5, блок 6 управления и блок 7 выделения доми нирующей гармоники.

Блок 7 выделения доминирующей гармоники содержит последовательно соединенные аналоговый ключ 8, сумматор 9, второй аналоговый ключ 10, интегратор 11, третий аналоговый ключ 40

12 и второй интегратор 13, вход которого через четвертый аналоговый ключ 14 подключен к входу первого аналогового ключа и является входом блока 7. В цепи обратной связи интег- 45 раторов 11 и 13 включены соответственно ключи 15 и 16 сброса, управляющие входы ключей связаны с входом управления блока 7, а его выход подключен к выходу сумматора 9. 50

Регистрирующее устройство 5 содержит последовательно соединенные элемент И 17 и одновибратор 18, выход которого подключен к двум запоминающим устройства 19 и 20, вторые входы которых являются первым и вторым входами регистрирующего устройства

5, третий и четвертый входы которого связаны со входами элемента И 17.

Блок 6 управления содержит последовательно соединенные компаратор

21, счетчик 22 подциклов и счетчик

23 тактов ° Выходы счетчиков 22 и 23 связаны соответственно с входами постоянных запоминающих устройств 24 и

25, на выходах которых формируются сигналы управления ключами и коэффициентов передачи интеграторов.

Перестраиваемый генератор 1 синусно-косинусного напряжения содержит последовательно соединенные блок 26 цифровой управляемой проводимости, интегратор 27 с ключом 28 в цепи обратной связи и ключ 29, второй блок 29 цифровой управляемой проводимости, второй интегратор 30 с ключом 31 в обратной связи и сумматор

32, выход которого через ключ 33 подключен к входу блока 26, а вход сумматора 32 через ключ 34 соединен с вторым входом генератора. При этом вход интегратора 27 через ключ 35 соединен с первым входом генератора, который является дополнительным для ввода скорректированного входного сигнала с блока 7 выделения доминирующей гармоники, В амплитудно-фазовом анализаторе гармоник входной сигнал поступает на первый вход блока 7 выделения доминирующей гармоники, второй вход перестраиваемого генератора 1 синусно-косинусного напряжения и на вход блока 6 управления, выходы которых связаны с управляющими входами упомя.нутых блоков 1 и 7, а также с управляющими входами интегратора 2 и регистрирующего устройства 5. Выход блока 7 подключен к дополнительному первому входу блока 1, один выход которого подключен через компаратор, а второй непосредственно.к четвертому и второму входам регистрирующего устройства 5, первый вход которого через интегратор 2 соединен с выходом источника 3 опорного напряжения.

Амплитудно-фазовый анализатор гар- моник работает следующим образом.

Весь линрйчатый амплитудно-фазовый спектр вычисляется за время цикла. Цикл состоит из К выполняемых последовательно во времени подциклов, в каждом из которых вычисляется амплитуда и фаза очередной гармоники.

Каждый подцикл состоит из пяти тактов разной длительности. Длительность второго и третьего тактов рав130737 на периоду исследуемого сигнала.

Исключение составляет лишь подцикл вычисления собственно доминирующей гармоники, где второй такт является необязательным, а в третьем несколько изменяется алгоритм функционирования. Этот подцикл будет рассмотрен после описания основного подцикла.

В амплитудно-фазовом анализаторе гармоник использован многотактный - 1p. (алгоритмический) режим работы, при котором структура устройства перестраивается с помощью аналоговых ключей блоков 1, 2 и 7 в соответствии с выполняемой в данном такте операцией. 15

Управление состоянием аналоговых ключей осуществляется в результате подачи на их управляющие входы логических сигналов, формируемых в блоке 6 управления. Кроме того, этот блок 20 формирует коды управления цифроуправляемыми проводимостями в перестраиваемом генераторе 1 синусно-косинусного напряжения для обеспечения его настройки на анализ данной гармоники. 25

Анализ каждой гармоники выполняется за четыре такта, каждый из которых равен периоду входного сигнала.

Вычислительное содержание этих тактов: 30 нулевая начальная установка всех интеграторов анализатора отыскание коэффициентов для доминирующей гармоники (осуществляется блоком 7 выделения доминирующей гармоники); вычисление коэффициентов k-й гармоники для сигнала, равного усиленной разности входного сигнала и доминирующей гармоники (работают блок 7 4р выделения доминирующей гармоники и генератор 1 синусно-косинусного напряжения); преобразование координат (в работе не участвует блок 7 выделения доминирующей гармоники) .

Разрядность и вид кода управления проводимостями интеграторов блоков

1 и 2 определяется применяемыми цифроуправляемыми проводимостями и при использовании интегральных цифроаналоговых преобразователей КР572ПА1 оказывается десятиразрядным, двоичным.

Наиболее простым является устройство управления, реализующее синхронный (с частотой исследуемого сигнала) режим работы вычислителя с обеспечением длительности такта, равной

1 4 периоду входного сигнала. Вариант такого блока управления изображен на фиг. 4.

На выходе компаратора 21 имеем импульсный сигнал с длительностью в период входного сигнала. Этот сигнал подается на вход счетчика 22. Число, соответствующее номеру текущего такта, возбуждает адресные входы постоян ного запоминающего устройства 24 (ПЗУ) сигналов управления ключами.

Входы управления аналоговых ключей присоединены к выходам данного ПЗУ (один выход на каждый сигнал управления).

Следует также отметить, что объединением первого и пятого тактов (т.е. совмещением во времени записи. информации, полученной в предыдущем подцикле, с подготовкой (нулевой начальной установкой интеграторов неперестраиваемого генератора), можно перейти к четырехтактному режиму, при этом сигналы управления некоторых ключей совпадают. Всего необходимо иметь одиннадцать сигналов управления ключами, На третий выход блока 6 управлейия передается сигнал-признак четвертого такта. Этот сигнал используется в регистрирующем устройстве 5 для разрешения записи информации в момент решения внутри этого такта.

Импульс с выхода переполнения счетчика 22 поступает на вход счетчика 23 и увеличивает его содержание на единицу. Число, равное номеру текущего подцикла, возбуждает адресные входы ПЗУ 25 кодов управления проводимостями. Выдача в блоки 1 и 2 соответствующего значения кода обеспечивает настройку перестраиваемого генератора 1 на вычисЛение гармоники, анализируемой в текущем подцикле.

Поскольку информация об амплитуде и фазе гармоники существует лишь в момент решения в четвертом такте, требуется регистрирующее устройство, принимающее и хранящее эту информацию, На фиг. 3 показан вариант построения такого устройства на основе двух- . канального аналогового запоминающего устройства (АЗУ). Один канал может быть .реализован на основе микросхемы устройства выборки-запоминания, например серии КР1100. Для формирования короткого импульса записи в мо1307371 мент решения используется одновибратор 18. Для блокировки ложной записи сигнал компаратора подается через вентиль 17 (логический элемент И), на второй вход которого из блока 6 управления поступает сигнал-признак четвертого такта. При этом запись информации в анализаторе возможна лишь в четвертом такте.

Рассмотрим временные диаграммы ра- 10 боты предлагаемоro анализатора заявляемого устройства — на фиг. 5 для блока 7 вьщеления доминирующей гармоники, а на фиг. 6 для перестраиваемого генератора 1 синусно-косинус- 15 нбго напряжения (ПГСКН).

Предполагается, что на вход анализатора подается сигнал треугольной формы размахом 8 В (фиг . 5a). Амплитуда первой гармоники (показана на 20 фиг. 5а пунктиром) составляет при этом 6,485 В. ПГСКН настроен на анализ третьей гармоники, имеющей амплитуду 0,721 В.

Напомним, что в первом такте про- 25 изводится нулевая начальная установка интеграторов блока 7 и одновременно (совмещение с пятым тактом) запись результатов вычислений предыдущего подцикла в регистрирующее уст- 30 ройство 5; во втором такте — вычисление коэффициентов Фурье для доминирующей (в данном случае, первой) гармоники в блоке 7 и подготовка (нуле- . вая начальная установка) интеграторов

ПГСКН; в третьем такте — синтез и вычитание доминирующей гармоники в бло- ке 7 и вычисление коэффициентов Фурье для анализируемой (в данном случае третьей) гармоники в ПГСКН; в четвер- 40 том такте — вычисление амплитуды и фазы анализируемой гармоники в ПГСКН.

К концу первого такта напряжения на интеграторах блока 7 (фиг.5в и 5б) равны нулю. К концу второго такта 45 напряжение на выходе первого интегратора 11 блока 7 равно амплитуде синусной составляющей доминирующей гармоники — в данном случае амплитуде самой гармоники — 6,485 В. Нап- 50 ряжение на выходе второго интегратора 13 в этот же момент равно нулю.

В третьем такте блок 7 переходит в режим свободных колебаний и на выходе его второго интегратора 13 формируется напряжение, соответствующее противофазной доминирующей гармоники (фиг. 5в). На выходе сумматора 9 в этом такте имеем напряжение, в котором доминирующая гармоника вычтена из входного сигнала (при повороте фазы остальных гармоник на 180 ). Как видно из.фиг. 5 г, размах обработанного сигнала (т.е. без первой гармоники) существенно меньше 1,5 В вместо 8 В для исходного сигнала.

На фиг. 6а это же напряжение показано в увеличенном масштабе. К концу третьего такта напряжения на выходах интеграторов ПГСКН (фиг,бб и 6в) будут равны амплитудам косинусной и синусной составляющих анализируемой гармоники, умноженной на коэффициент передачи по используемому входу генератора. В нашем случае напряжение на выходе первого интегратора к концу такта равно нулю, а второго — 5,764 В, т.е. восьмикратной амплитуде третьей .гармоники. В четвертом также выполняется преобразование координат — вычисляются амплитуда и фаза анализируемой гармоники, аналогично тому, как это делается в прототипе.

Использование предлагаемого анализатора (по сравнению с известными) существенно увеличивает точность измерения. Например, при гармоническом анализе в сетях переменного тока промышленной частоты, когда амплитуда высших гармоник не превышает (35)X от основной (первой) гармоники частоты 50 Гц, у предлагаемого анализатора точность (уменьшение относительной ошибки) повышается в 2030 раз.

Формула изобретения

Амплитудно"фазовый анализатор гармоник, содержащий перестраиваемый генератор синусно-косинусного напряжения, имеющий вход, соединенный с источником входного сигнала, два входа управления и два выхода, один из которых подключен к компаратору,второй вход которого соединен с общей шиной, а также последовательно соединенные источник опорного напряжения и интегратор с двумя входами управления, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений, в него введены блок вьщеления доминирующей гармоники, блок управления и регистрирующее устройство, причем перестраиваемый генератор синусно-косинусного напряжения выполнен с возможностью ввода скорректированного входного сигнала, для чего снабжен дополнительным входом, входы регистрирующего устройства подключены соответственно к выходу интегратора, второму выходу генератора синусно-косинусного напряжения, к выходу блока управления и выходу компаратора, выход блока выделения доминирующей гармоники подключен к дополнительному входу генератора си- 10 нусно-косинусного напряжения, второй вход которого соединен одновременно с входом блока выделения доминирующей гармоники и входом управления, первый выход которого связан с входом15 управления блока выделения доминирующей гармоники и с первыми входами генератора синусно-косинусного напряжения и интегратора, а второй выход связан с вторыми входами управления интегратора и генератора синуснокосинусного напряжения, при этом блок выделения доминирующей гармоники содержит последовательно соединенные аналоговый ключ, сумматор, второй аналоговый ключ, интегратор с ключом сброса в цепи обратной связи, вход которого через четвертый аналоговый ключ соединен с входом первого аналогового ключа и является входом блока выделения доминирующей гармоники, при этом выход интегратора соединен с вторым входом сумматора, а входы управления ключей являются входом управления блока, выходом которого является выход сумматора.

1307371

&Q

g/ô3

Редактор А.Ревин

Заказ 1627/44

Производственно- полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 йФ

Д/ф дю0

Составитель А. Орлов

Техред А.Кравчук Корректор А.Обручар

Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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