Измеритель нелинейных искажений

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании измерителей нелинейных искажений , работающих в широком частотном диапазоне. Цель изобретения - повышение точности измерения коэффициента нелинейных искажений - достигается введением управляемого инвертора 7, масштабирующих блоков 8, 10, счетчика 11 адреса, блока 5 памяти, вычитательного блока 6. Измеритель также содержит формирователь 1. умножитель 2 частоты, ключ 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок 9 входных устройств , блок 12 управления. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 6 01 R 23/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4498310/21 (22) 24.10,88 (46) 15.04,91. Бюл. М 14 (72) В.Е. Ефремов, А.К. Кравец, А.И. Покрас, С,И. Покрас, С.Г. Таранов и В.П. Товстюк (53) 621.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1157477, кл. G 01 R 23/20, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 516969, кл. G 01 R 23/20; 1976, (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к радиоизмери»Ы2 1642409 А1 тельной технике и может быть использовано при создании измерителей нелинейных искажений, работающих в широком частотном диапазоне, Цель изобретения — повышение точности измерения коэффициента нелинейных искажений — достигается введением управляемого инвертора 7, масштабирующих блоков 8, 10, счетчика 11 адреса, блока

5 памяти, вычитательного блока 6; Измеритель также содержит формирователь 1, умножитель 2 частоты, ключ 3, аналого — цифровой преобразователь 4, блок 9 входных устройств, блок 12 управления, 2 ил.

1642409

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании измерителей нелинейных искажений, работающих в широком частотном диапазоне.

Цель изобретения — повышение точности измерения коэффициента нелинейных искажений.

На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя нелинейных искажений; на фиг. 2 — временные диаграммы его работы в режиме записи информации.

Измеритель нелинейных искажений (фиг. 1) содержит последовательно соединенные формирователь 1, умножитель 2 частоты, ключ 3, аналого — цифровой преобразователь 4, блок 5 памяти и вычислительный блок 6, последовательно соединенные управляемый инвертор 7, первый масштабирующий блок 8, блок 9 входных устройств и второй масштабирующий блок 10, а также счетчик 11 адреса и блок 12 управления.

Соединенные входы формирователя 1 и управляемого инвертора 7 образуют вход устройства. Выход масштабирующего блока 10 подключен к информационному входу аналого — цифрового преобразователя 4. Вход блока 12 управления подключен к выходу формирователя 1, первый выход — к управляющему входу инвертора 7, второй выход— к управляющему входу ключа 3, третий выход— к соединенным между собой входам управления первого масштабирующего блока 8, второго масштабирующего блока 10 и вычислительного блока 6, а четвертый выход— к входу сброса счетчика 11 адреса, счетный вход которого соединен с выходом ключа 3, а выход — с адресным входом блока 5 памяти.

На фиг. 1 представлена также структур ная схема блока 12 управления, которы может быть выполнен в виде подключенны к его входу последовательно соединенны счетчика 13 и дешифратора 14, первый четвертый выходы которого образуют одно именные выходы блока 12 управления.

В основе работы измерителя лежат сле дующие положения. Пусть входной полигар монический сигнал Х, у которого требуетс определить коэффициент гармоник, выра жается следующим образом: (2) - 40, U гi= 1(а1X+ (а2 +,X"+ ). и к= х. (4)

x Из выражения (4) следует, что за счет — проведения указанных операций удалось

- 45 скорректировать аддитивную составляющую ао и все четные члены абак, вносящие нелинейные искажения в исследуемый сигнал Х в соответствии с формулой (2). Однако я нечетные члены а к+1 аппроксимирующе- 50 го полинома также оказывают влияние на точность измерения коэффициента гармоник, так как являются источником нелинейных искажений исследуемого сигнала. Это влияние уменьшается масштабированием.

55 Масштабирование (усиление или ослабление) сигнала в m раз вводится для прямого и инвертированного сигналов. В случае ослабления сигнала выражение (4) преобразуется в следующее:

Х = А sin (rent — p ), где Аг — амплитуда r-й гармоники; рг- фаза r-й гармоники;

r = 1,2,...,R — номер гармоники.

Нелинейные искажения, вносимые входными устройствами (например, фильтром, усилителем и пр,) до разложения спектра исследуемого сигнала на гармоники, 5 можно аппроксимировать степенным полиномом К вЂ” и степени; к к

0 = g акХ =а, +а1Х+ g ay,Х

К вЂ” о К =2 где U — сигнал, спектр которого разлагается на гармоники при определении коэффициента нелинейных искажений; ак — весовые коэффициенты полинома, аппроксимирующего нелинейные искажения входных устройств; ао — аддитивная составляющая погрешности входных устройств; а1 — мультипликативный член, представляющий собой сумму коэффициента масштабирования (усиления или ослабления) входных устройств и собственно мультипликативной составляющей погрешности.

Проинвертируем входной сигнал:

2К

О = ао -a> Х + д абак Х

К=1 к —, а к + 1 X = ао — Bi Х + к=1

+(— 1) g a>x, к=1 (3) Из выражений (2) и (3) найдем разность прямого и инвертированного сигналов:

1642409

Проведение масштабирования прямого и инвертированного сигналов и определение их разности К+1 раз приводит к системе нелинейных уравнений (5) га1X X 2к+1

U1 — U1 =2 +," агк+1 (— 1

К=1 (,1 аХ к X 2 +1

U2 — U2 2 (+gaKK+1(— ) )

) (6) аX X 2к+1

Up — Up=2 (+gaza+1(— ) ), 2К +1

UK+1 tJK+1 2 (+ X a2K+1 (, ) 1 т

= — f;U> cos в t dt =

T где р = 1, ..., К+1 — номер масштабного коэффициента m, Из этой системы можно определить 20 мультипликативную составляющую U полинома (2) как функцию f от разностей прямого и инвертированного значений сигнала и коэффициентов масштабирования вр, а1

sin 971 а1 А1

2 (10) 25 т

Ь1 = — / О sin в т dt =

Т

30 1"" j sl„(„t+...,1), п„,, =

Т а1 А1 —, сов у"1:

2 2 2 2

+b1 1 "1 (12)

2 2 где 01 — амплитуда первой гармоники, выделенная с помощью ортогональных составляющих а1 и b1 из входного сигнала а1Х, Тогда коэффициент гармоник из (9) и (12) 45

Кг =

А1 (13) Таким образом, значение коэффициента гармоник исследуемого сигнала Х от мультипликативной составляющей а1 не зависит, что позволяет решать ситему не0 — U =2 + а2к+1

0 a1X = f((01 — О1), (Ог - Ог), ..., (Uк + 1 ОК + 1), m1, m2, "° mк + 1) = 1(Ор, Ор, гпр). (7) Сигнал UM может использоваться непосредственно для определения коэффициента нелинейных искажений путем разложения спектра сигнала на гармоники, так как нелинейные составляющие в нем отсутствуют. При этом следует учесть, что коэффициент гармоник сигнала UM не зависит от величины а1 и равен коэффициенту гармоник исследуемого сигнала Х, Докажем это, используя выражение (1):

UM= a1 X = a1 g А, sin (raut +p ). — 1 (8) Определим квадрат действующего значения напряжения UM .

2 я

Одм = — 3 UM dt= А, 2 1 2 а1 2

Г р 2 (9) Квадрат действующего значения первой гармоники сигнала с использованием коэффициентов ряда Фурье определяют следующим образом:

f sin (в т + р1 ) cos (a t dt = а1 А1

1642409

Во время второго периода Т2 блок 12 управления вырабатывает сигнал записи

Uev12 на втором выходе и на вход тактировки преобразователя 4 через ключ 3 поступает N импульсов умножителя 2 частоты (см. диаграмму Окз " "), При этом прямой исследуемый сигнал Х поступает через управляемый инвертор 7, первый масштабирующий блок 8, блок 9 входных устройств и второй

10 масштабирующий блок 10 на аналого — цифровой преобразователь 4, с выхода которого

N синхронных отсчетов U11 записывается в блок 5 памяти (I — параметр дискретного времени). Адреса ячеек памяти формирует

15 счетчик 11 адреса по сигналу с выхода ключа

3, Если коэффициент передачи первого масштабирующего блока 8 равен 1/m1(т. е. он является аттенюатором), а второго масшта бирующего блока 10 — m1(т.е. блок является

20 усилителем), то в соответствии с (2) имеем гХ к

U1i =m1 ак (— ) m1) N туч =—

Тах (14) где N — коэффициент умножения частоты (количество отсчетов на период сигнала), За время первого периода Т1 исследуемого процесса происходит сброс счетчика 30

11 адреса сигналом Usv12 с четвертого вы4 хода блока 12 управления и установка коэффициента масштабирования m1 первого и второго масштабирующих блоков 8 и 10 сигналом 0ьу12 с третьего выхода блока 12 35 з управления. Коэффициент m1 записывается также в вычислительный блок 6. Первый и второй масштабирующие блоки 8 и 10 являются обратными преобразователями (если входной сигнал имеет низкий уровень, то 40 первый масштабирующий блок 8 является усилителем, а второй блок 10 — аттенюатором, а если уровень сигнала высокий, — наоборот). Эти блоки предназначены для масштабирования входного сигнала без по- 45 тери точности при аналого — цифровом преобразовании, Фактически именно эти блоки обеспечивают проведение необходимого числа измерений в разных точках аппроксимирующего полинома (5) и позволяют сфор- 50 мировать систему нелинейных уравнений вида (6). При этом следует учесть, что коэффициенты масштабирования mp имеют небольшую величину (в пределах 1 — 5), поэтому нелинейные искажения, вносимые 55 масштабирующими блоками 8 и 10, пренебрежимо малы по сравнению с искажениями блока 9 входных устройств, нелинейность которого корректируется. (15) линейных уравнений (6) линейными методами и легко сводить полиномы высоких степеней от Х вида (5) к уравнению первой степени от Х вида (7). Значение коэффициента гармоник сигнала Ut., определяемое по формуле (13), равно значению коэффициента гармоник исследуемого сигнала Х и принимается за окончательное, Измеритель работает следующим образом.

При поступлении на вход устройства периодического сигнала Х на выходе формирователя 1 формируются прямоугольные импульсы Оф1, период следования которых равен периоду Т х исследуемого процесса.

Эти импульсы, поступая на вход блока 12 управления, инициируют начало работы устройства, при этом на выходе умножителя 2 частоты синхронно с периодом исследуеМого сигнала формируются импульсы тактировки аналого — цифрового преобразователя

4 с частотой ак Х1 — BQ Q+ +1XI +

К =2m1,В третьем периоде Тз управляемый инвертор 7 переходит в режим инверсии по сигналу Ugy12 блока 12 управления, и в так4 те Т4 в блок 5 памяти записываются N выборок

О1 инвертированного входного процесса, С учетом коэффициентов масштабирования блоков 8 и 10 и выражения (3) имеем

Uli = ml (, 82t; (— )

К

=ао — а1Х +(— 1) ак Х1 к =2m1к 1. (16) Из выражений (15) и (16) следует, что благодаря взаимообратному характеру преобразователей 8 и 10 масштаб информативного мультипликативного члена U

1642409 (18) м sing) ) M COS P

- тройств. Ма практике достаточно ограничиться третьей или пятой степенью полинома, так как с увеличением степени усложняется вид уравнения (7).

Функционирование счетчика 13 и дешифратора 14 в составе блока 12 управления очевидно из фиг. 1 и 2: тактовый сигнал с выхода формирователя 1 поступает на вход счетчика 13, а управляющие сигналы блока 12 управления формируются на выходах дешифратора 14.

По окончании цикла записи отсчеты сигнала из блока 5 памяти поступают в вычислительный блок 6, где прежде всего происходит определение разностных сигналОв (Upl" Ор ), Из выражений (5), (15) и (16) следует, что

=2ë где p= — l, i=1.2....,N.

Коэффициенты гармоник сигналов Xl u

0 равны между собой, поэтому значение

К, определенное по формуле (18), принимают за окончательное.

Таким образом, предлагаемый измеритель позволяет устранить погрешность, связанную с нелинейностью аналого — цифрового преобразователя и входных устройств, и получать значение коэффициента гармоник Кг, искаженное только влиянием шумовых факторов и погрешностью производимых вычислений.

Формула изобретения

Измеритель нелинейных искажений, содержащий блок входных устройств, последовательно соединенные формирователь, умножитель частоты, ключ и аналого — цифровой преобразователь, а также блок управления, вход которого соединен с выходом формирователя, а второй выход — с управляющим входом ключа, а вход формирователя соединен с входом измерителя, о т л и азк + 1 1 а + Хгк+

0р = -Upi = 2 а1Х + Д mp"

2К+1

К=1 mp (17)

Затем, в соответствии с выражением (7) вычисляют отсчеты сигнала UMi = а1Хь в котором нелинейные искажения, связанные с влиянием блока 9 входных устройств, отсутствуют. После этого в вычислительном блоке 6 определяется значение коэффициента гармоник в соответствии со следующим выражением; ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены управляемый ин30 вертор, первый и второй масштабирующие блоки, счетчик адреса, блок памяти и вычислительный блок, выход которого соединен свыходом измерителя, а вход соединен с выходом блока памяти, первый вход которого

35 соединен с выходом аналого — цифрового преобразователя, а второй — с выходом счетчика адреса, вход которого соединен с выходом ключа, а управляющий вход соединен с четвертым выходом блока управления, третий выход которого соединен с управля40 ющими входами вычислительного блока, первого и второго масштабирующих блоков, а его первый выход — с управляющим входом управляемого инвертора, вход которого соединен с входом измерителя, а выход — с

45 входом первого масштабирующего блока, выход которого соединен с входом блока входных устройств, выход которого соединен с входом второго масштабирующего блока, а выход последнего соединен с вто50 рым входом аналого-цифрового преобразователя.

1642409

Составитель А.Дворников

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И,Муска

Редактор А.Огар

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1145 Тираж 436 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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