Устройство для измерения многомерных передаточных функций нелинейныых систем

 

Изобретен может быть использовано для измерения многомерных пе ,редаточных функций нелинейных систем. Цепь изобретения - повышение точноети и снижение трудоемкости измерений - достигается путем формирования когерентных компонент в испытательном сигнале и применения следящего голо- -OL oro фьльтра 3 для отслеживания уходов частоты опорного генератора, что устраняет флуктуации фдзы,обус- ЛОР I иные дестабилизирующими Факторами , и исключает калибровку опорного канала. Для этого в устройство введены генератор 1 опорной частоты и многоканальный синтезатор 2 когерентных частот, выходной сигнал которого через сумматор 4 поступает на вход измеряемого объекта и безынерционного нелинейного элемента 5, сигнал с выхода которого, проходя через следящий полосе вой фильтр 3 и переключатель 7, перемножается в умножителе 6 с выходным сигналом объекта 10 измерения . Выходной сигнал умножителя 6 интегрируется в интеграторе 3 и измеряется вольтметром 9. 6 ил, S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЯ4АЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 G 01 R 27/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВЯДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУЛАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫ7ИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4637065/21 (22) 12,01.89 (46) 07. 02. 91. Бю:1. Н- 5 71) Новосибирский электротехнический институт (72) Б.И.Ивлев, С.Н.Матвеев, В,P.Ñíóðíèöèí и С.Б.Трушин (53) 621.317.75 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1012157, кл. G 01 R 27/28, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ И311ЕРЕНИЯ МНОГО-.

МЕРНЫХ ИЕРЕД ТОЧНЫХ ФУНКЦ1й1 НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ (57) Иэобретени= может быть использовано для измерения многомерных r;е, редаточных функций нелинейных систем.

Цель изобретения — повьппение точности и снижение трудоемкости измерений — достигается путем формирования когерентных компонент в испытательном

„„Я0„„1 261 9 А1 сигнале и примеHLíèÿ следящего голо.0Lo. .î ф льтра 3 для отслеживани i уходов частоты опорного генератора, что устраняет флуктуации фазы,обуслов п.нные дестабилизирующими факторами, и исключает калибровку опорного канала. Для этого в устройство вве,пены генератор 1 опорной ча тоты и многоканальный синтезатор 2 когерентных частот, выходной сигнал которого через сумматор 4 поступает на вход измеряемого объекта и безынерционного нелинейного элемента 5, сигнал с выхода которого, проходя через следящий полосовой фильтр 3 и переключатель 7, перемножается в умножителе

6 с выходным сигнпом ооъекта 10 измерения. Выходной сигнал умножителя б интегрируется в интеграторе 8 и измеряется вольтметром 9. 6 ил.

1626!99

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения многомерных передаточных функций нелинейных систем, в частности многополюсников и цепей высокой и сверхвысокой частоты (ВЧ и

СВЧ).

Целью изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости измерений путем формирования когерентных компонент в испытательном сигнале и применения следящего полосового фильтра для отслеживания уходов частоты опорного генератора, что устраняет флуктуации фазы,обусловленные дестабилизирующими факторами: нестабильностью температуры, питающих напряжений и так далее, и исключает калибровку опорного канала.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — структурная схема многоканального синтезатора когерентных частот; на фиг.3 — структурная схема умножителя частоты одного из каналов синтезатора; на фиг.4 — структурная схема следящего полосового фильтра; на фиг. 5 и 6 — графики, поясняющие выбор промежуточной частоты, при которой обеспечивается наилучшее подавление (максимальная расстройка) спектральных составляющих паразитных каналов °

Устройство (фиг. 1) содержит генератор 1 опорной частоты, выход которого подключен к опорным входам многоканального синтезатора 2 когерент- 40 ных частот (HCКЧ) и следящего полосового фильтра 3, сумматор 4 гармонических колебаний, N входов которого подключены к 11 выходам синтезатора

2, а выход подключен к входу безыинер-15 ционного нелинейного элемента 5, умножитель 6, опорный вход которого соединен с выходом переключателя 7, первый вход которого подключен к синфазному a BTopoH ВХОД к квадратурному выходам следящего полосового фильтра 3, вход которого подключен к выходу элемента 5. Выход умножителя 6 через интегратор 8 подключен к вольтметру 9 постоянного напряжения, вход исследуемой нелинейной системы

10 подключается к выходу сумматора

4, а выход — к сигнальному входу умножителя.

11СКЧ 2 состоит из 11п»11ги11111У кан алов, входы которых с< сдн11»1111 с опорным входом синтезатора 2. Каждый из к аFIалов состоит из поспело ва T»ëbnо соединенных управляемых ум11»жителя

11 частоты и аттенюатора 12, Ila управляюшие шины которых подаются циФровые коды, определяюп1и» коэ1Мициент умножения n,, и затухание Л,, задающие частоту E, и амплитуду. 11 выходного колебания i-ro канала синтезатора 2 (i = 1,2,...,11). Умножители

11,...,11 .частоты с регулируемым коэффициентом умножения, изменяющимся в широких пределах, могут быть реализованы на известном дискретном кольце фазовой автоподстройки частоты (фиг.3), содержащем фазовый детектор

13, фильтр 14 низкой частоты,генератор 15, управляемый напряжением, и делитель 16 с переменным коэффициентом деления. Следящий полосовой фильтр 3 состоит из входного преобразователя 17, сигнальный pxoll; которого является входом фильтра 3, а выход подключен к входу фильтра 18 промежуточной частоты, выход которого через фазовращатель 19 подключен к входу фазового расшепителя 20,реализованного на трехдецибельном направленном ответвителе на связанных линиях с балластной нагрузкой, выходные сигналы которого сдвинуты на 90 один относительно другого в широкой полосе частот. Выходы фазорасщепителя 20 подключены к сигнальным входам выходных преобразователей 211 и

22 частоты, выходы которых являются синфазным и квадратурным выходами следящего фильтра 3. Опорные входы всех преобразователей фильтра 3 подключены к выходу синтезатора 22 комбинационных частот, первый сигнальный вход которого является опорным входом следящего фильтра 3, а второй вход подключен к выходу высокостабильного генератора 23 промежуточной частоты, а на ци<11ровую шину управления синтезатора 22 подается код комбинационной частоты m. Следящий полосовой фильтр 3 охвачен системой автоматической подстройки фазы, состоящей из фазового дискр11минатора

24, входы которого подклю1»111,1 к входу и квадратурному выходу гл»дящегo фильтра 3, а выход ч»рея фильтр 25 нижних частот подключен к vIIpnâëÿþщему входу фазоврашат» IH 1" .. (I c) л()п ) a(m ) с

Р-е1

5=0

PPЛИЧИ! I Il °

П

6М

"1

6 к,=(кк,-) (А )(к) к ; =5

) E N

25

ЗО

5 l6?Q) I

Ус гройство работает следующим образом.

На цифровые управляющие шины синтезатора 2 подаются коды значений частот компонент испытательного сиг5 нала и

f = Е011, где Е = (f, f< Е„), т (nI р n2 .. рп ) и код их амплитуд А, а на управляющую шину фильтра 3 — код комбинационной составляющей, кГ)д номера гармоники N xc частоты o Q которой является исследуемая составляющая, вычисленный по формуле

Нкс =, (m ш; )и, °

lE)

В результате на каждый из N входов сумматора 4 подается гармоническое напряжение частоты f .. и на выхоIl I q u де сумматора 4 формируется многочастотный испытательный сигнал

X(t) = . Ь,сов(2((f;t + Я ), (Е1 где U,, с;, (— амплитуда, частота и начальная Фаза

1-й частотной составляющей испытательного сигнала, измеренные на входе А устройства. 35

Отклик нелинейной системы y(t) на такой сигнал представляет сумму комбинационных составляющих, частоты

f < которых связаны с частотами испытательного сигнала соотношением

40 кс с(@) = X f(m; — m), Q E

Б = 1,2...,,И (>)

45 где m = (m-N, °,m-l,m<, °...ш ) индексный вектор, характеризующий комбинационную составляющую причем о о

Чей (ш ° = 0) m = О); ш, m, — целые неотрицательные числа, 50

i ен ;

1 Г 3 » кс (е))»

y(t) = а()e +

+ а(шо).

+ — -J< кс (n)o) где суммирование производится по всем индексным векторам, КО)(ПЛ(1 К(.-!I Q) ;)h)IIIIИ Г Л I сост авляу)ше((с част(Г(! комплексно-сопрнмеи;)а(+ 2S; m) х Н )+2>(m)exp (m

;=М вЂ” m,)(Е) = а (т )exp(! (I (m,)), где число слагаемых в сум(е па векторам m определяется количеством композиций целого числа S из N целых неотрицательных чисел и равно C u в+М-I числу сочетаний иэ Б+Н-1 по S, 1 о о (m +ш,) — пое)ядок комбинацион-

iEN ной составляющей, 2 щ) (1 2S)

I !

° . ° m, m I ° °, m„ мультиноминальный козФ(Ъициент;!

H < (m) = H (QI,. Е,, QI QS QIQB Ф

Ill () ° ° р е р (21 ° ° ° Я р э ° ° > р ° ° ° >

m-) ГГ(р))-г

Ен и Р ) (( е))» -н комплексное сечение ИП();

m-1 — целая часть выражения в

2 скобках;

К вЂ” порядок Функционального полинома, описываюшего оператор передачи исследуемой нелинейной системы: (р (ш )= (m — ш;)Ср — фаза комбиiE N национной составлял еи, обусловленная начальными фазами частотных компонентов входного сигнала И, ЮЯ.

\ Q

Отклик на выходе безынерционногî) нелинейного элемента 5 определяется теми же формулами, в которы.; все сечения многомерных передаточных функций являются действительными коэффициентами, поэтому фазы комплексных составляющих на выходе элемента 5 определяются только начальными фазами компонент испытательного сигнала на его входе и равны (. (шо).

Многочастотный спектр с выхода безынерционного нелинейного элемента 5 поступает на вход фильтра 3, на .

1626199

U - Ки,R,(а (inn)j

ВЫХ 0 если опорное колебание умножителя 6 поступает с синфазного канала следящего фильтра 3, и

U < n= KU

22 вырабатывается гетеродинное колебание частоты f1 = f „ (ш ) — Еп, переносящее составляющую частоты

f „ (0), действующую на входе фильтf» где Е частота на выходе генератора 23. Ввиду того, что гетеродинное колебание, как и испытательный сигнал, образовано в результате когерентного синтеза из колебания опорного генератора частоты

F„, входные колебания преобразователей фильтра 3 когерентны одно другому (нестабильностью частоты генерато 20 ра 23 пренебрегаем), а так как частоты в первом преобразователе 17 фильтра 3 вычитаются одна из другой, нестабильности когерентных колебаний также вычитаются, и нестабильность 25 выходного колебания этого преобразо— вателя не зависит от нестабильности частот испытательного су гнала, а определяется только нестабильностью частоты генератора Е nt).

Таким образом, полностью устраняются ошибки фазы опорного колебания измерительной установки, обусловленные нестабильностями частот испытательного сигнала и гетеродина следя. 35 щего фильтра 3. Одновременно существенно снижаются требования к стабильностям частот генераторов измерительной установки.

В данном случае фильтр 18 проме- 40 жуточной частоты работает с нулевой расстройкой для частоты полезного колебания f<, так как фазовая расстройка коэффициентов передачи фильтра 3, обусловленная запаздыванием сигнала в его элементах, а также нестабильности фаз выходных коле1 баний фильтра 3 практически полностью устраняется кольцом автоматической подстройки фазы (АЛФ). Это

50 позволяет полностью исключить операцию калибровки полосового перестраиваемого фильтра, а также значительно повысить точность измерения функций нелинейной системы за счет устранения влияния различных дестабилиэирую- 5

55 щих факторов (температуры, питающих напряжений и т.д.) на фазы выходных колебаний фильтра 3 °

Для определения и)хода следяшего, фильтра 3 к которому следует подключить один из входов фа30Bol.о детектора кольца А)1Ф, нужно знать характеристику фазового детектора, Если фазовый детектор 24 им(ет характеристику Е(ф = -Ecos(hg), где ДЦ)

=I) -(,,(, g — фазы входных колебаний фазового детектора 24 то стационарной точкой устойчивого равновесия системы АПФ является точка A(P =

II поэтому входы такого фазового детектора 24 следует подключить к входу и квадратурному выходу следящего фильтра (фиг.4).

На выходах следяшего Фильтра 3 выделяются сдвинутые одно относительно другого колебания частоты исследуемой комплексной составляюшей

Е <<(inp), на синфазном выходе следящего фильтра 3 и на квадратурном

Ц cos j27II f < с (mî ) +

+Я (ш ) + —((1 к О 2 ) где uo, li> — амплитуды выходных колебаний следяшего фильтра 3; (1 кс(то) = (m, — ш ) 1)1 — фаз а

icN комбинационной составляющей частоты на выходе нелинейного элемента 5, зависящая только от начальных фаз компонент испытательного сигнала.

В зависимости or положения переключателя 7 (фиг,1) колебание с синЬазного или квадратурного выхода подается на опорный вход умножителя 6, на сигнальный вход которого подается многочастотный сигнал с выхода нелинейной системы. В результаr(на выходе фильтра нижних частот выделяется постоянное напряжение

1() 2б 199 если с кв адратурно го ка11ал а <)ледяшого фи 11., гp 1 "> (K — коз<1)<1»1циеHT чи последовател)ного соединения умножитель б — <1)иг1ьтр ниж <их частот) .

14змерив величины К, Irc US . окно

5 определить комплексную амплитуду составляющей частотой Е...(1110) на выходе системы 10 а (r„), фаза которой не зависит от начальных фаз компонент

10 испытательного сигнала, 8 определяеT ся только инерционностью исследуемой нелинейной системы 10. Ро резульгатам проведения М измерений комплексной амплитуды составляющих составля- 15 ется система линейных уравнений, иэ решения которой определяются все сечеьия многомерных передаточных функций.

Когерентный синтез испь;тательногс

20 сигнала из колеб ания опорного генератора 1 позволяет эффектив 1о бороть— ся и с паразитными каналами, присущими фильтрации, узкополосным филь" ром с двойным преобразованием часто- 25 ты: сквозным, зеркальным и соседними каналами.

На фиг.5 представлен спектр отклика. безынерционного нелинейного элемента 5 на многочастотное воздейст- 30 вие, сформированное при когерентном синтезе испыгательного сигнала, и отмечены частоты паразитных каналов.

Этот спектр образован только гармониками частоты F, поэтому частоты всех комплексных составляющих отклика заранее известны, что может быть использовано для эффективной борьбы с такими составляющими.

Для борьбы с составляющими зер-кального и сквозного каналов на входе

40 первого преобразователя 1 7 следящего фильтра 3 может быть установлен фильтр высоких частот с частотой среза, равной нижней границе полосы частот исследуемого комбинацион45 ного спектра. Для расширения полосы рабочих частот измерительной установки этот фильтр, выполняющий роль преселектора, должен быть перестраиваемым по диапазону частот. Для лучшей фильтрации составляющих сквозного канала может быть использован до11ОЛ1НИТЕЛЬНЫ11 «<1.11 à — II I)< ный ча частоту Г и у

„г

Дополнительные воз «)+.I.. I I i.ðr < I! с паразигными кап 13l þ)< !1, ..

СИГНаЛОВ ЧЕРЕЗ фИЛ1..тр С, в< образованием частоты осло». I! I; —.ол), что все спектральнь;е со таял)1) "II на выходе нелинейного элем<я<та при когерентном синтезе испыта г< .II,!!

ro сигнала ягляются гармониками тоты 1 . Foëè промежуточная 1ае «;1 фильтра выбрана из услови - Г и г (1+ +0 5)F/2, где 1 = 1,",3..., ro составляющие зеркального канала,)тСтОЯт От ЧаСтОтЫ f u ÍË PaCCTO r!!II!

+F /2, сквозного канала — на р;)<в с гоянии F /4 и + 3/4 F и соседи)<х каналов — Hc расстоянп 1 + F o (<)п1.. б)

Все этн составляющие отстрое)п I

oT частоты f p) поэтому могут б1,1 гh подавлены фильтром проме <уточнг)й частоты без введения дополнит с <1ь1111х фильтров на входе с fедяl!<его полосс— вого <1)ильтра 3. фо р му l а и з о б р е т е н и 1

Устройство для измерения л111ог<1л<ерных передаточнь)х функций нели .ей1гых систем, содержашее сул)л<атс)р, выход которого подключен к первому входу устройства и входу нелинейного элемента, последовательно соединевные умножитель, интегратор и волh Iметр, а также переключатель, выходом подключенный к опорному входу умножи1 еля

) входы переключателя соединены с синфазным и квадратурным выходами .",олосового фильтра, вход которого соегинен с выходом нелинейного элемента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и уменьшения времени измерений, в него введены многоканальный синтезатор и опорный генератор, а полосовой фильтр выполнен следящим за частотой фильтруемого хс1лебания, причем выход опорг. гo генератора подключен к опорным входам фильтра и синтезатора, выходы которого подключены к входам сумматора,причем сигнальный вход умножителя является вторым входом устройства, 1626199 и Х

4Риг. 2

fn o h 1й п 4а î fn þ fn î

Фиг. о

Составитель Н.Михалев

Техред М,Дидьис .

Редактор И.Горная

Корректор М.Демчик

Закаэ 276 Тираж 410 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэооретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101