Устройство для измерения малых коэффициентов гармоник сигналов

 

Изобретение относится к радиоизмерениям и может использоваться совместно с анализатором спектра, анализаторами гармоник, селективными вольтметрами для измерения амплитуд гармоник сигналов с большим динамическим диапазоном. Цель изобретения - повышение точности измерений. Цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены умножители частоты на три и на пять, два ключа, аттенюатор, сумматор, блок контроля разности фаз, блок контроля отношения напряжений и фазовращатель. Устройство содержит также анализатор спектра. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 Й 23/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4882253/21 (22) 11.11.90 (46) 28.02.93. Бюл. М 8 (72) И.A.Òåøåâ (56) ГОСТ 12691-67. Генераторы измерительные. Методы и средства поверки, с, 9. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГАРМОНИК СИГHAJlOB (57) Изобретение относится к радиоизмерениям и может использоваться совместно с анаИзобретение относится к радиоизмерениям и может использоваться совместно с анализатором спектра, анализаторами гармоник, селективными вольтметрами для измерения амплитуд гармоник сигналов с большим динамическим диапазоном, Цель изобретения — повышение точности измерений, На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит ключ 1 и 2, сумматор 3, умножитель 4 частоты на пять, умножитель 5 частоты на три, фаэовращатель 6, аттенюатор 7, анализатор спектра 8, блок

9 контроля отношений напряжений, блок 10 контроля разности фаз, при этом входная клемма устройства подключена к входу фазовращателя 6, к первым входам блока контроля разности фаз 10, блока 9 контроля отношений напряжений и сумматора 3, выход которого подключен к входу анализатора спектра 8, выход фазовращателя 6 через параллельно соединенные две цепи, состоящие из последовательно соединенных умножителей 4. 5 частоты и ключей 1 и 2, ЫЛ 1798724 А1 лизатором спектра, анализаторами гармоник, селективными вольтметрами для измеоения амплитуд гармоник сигналов с большим динамическим диапазоном. Цель изобретения — повышение точности измерений. Цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены умножители частоты на три и на пять, два ключа, аттенюатор, сумматор, блок контроля разности фаз, блок контроля отношения напряжений и фазовращатель.

Устройство содержит также анализатор спектра. 1 ил. подключен к входу аттенюатора 7, выход которого подключен ко вторым входам блока 10 контроля разности фаз, блока 9 контроля отношений напряжений и сумматора 3.

Работает устройство следующим образом.

Для расширения динамического диапазона анализатора спектра 8 по нелинейным искажениям, которые проявляются в основном в виде второй и третьей гармоник исс- 1 ледуемого сигнала, производится компенсация этих искажений интермодуляционными искажениями равной амплитуды, I 0 частотой и противоположной фазой. Q()

Измерение амплитуд второй и третьей с4 гармоник исследуемого сигнала производится поочередно, для чего устройством р формируются два различных сигнала. Для этого исследуемым сигналом суммируется гармонический сигнал с противоположной фазой, частота и амплитуда которого зависят от номера измеряемой гармоники. Для формирования этого сигнала используются умножители 4, 5 частоты. Для контроля и установки требуемого соотношения фаз и

1798724

О (t) - sin в т -з!пба

3 амплитуд суммирующихся сигналов в сум. маторе 3 используются соответственно

:блок . 10 койтроля. разности фаэ и фаэовращатель 6 и блок S контроля отношений напряжений и аттенюатор 7. . 5

При измерении третьей гармоникй в ус: - тановке ключ 1 замыкается, ключ 2 размыкается, При этом в сумматоре 3 в противофазе суммируются исследуемый сигнал и сигнал умножителя 4 частоты на 10 пять. Амплитуды сигналов должны соотноситься как 1:12.

При измерении второй гармоники ключ

1 размыкается, ключ 2 замыкается. При этом в сумматоре 3 в противофазе суммируются 15 исследуемый сигнал и сигнал умножителя 5 частоты на три. Амплитуды сигналов должны быть равны.

При прохождении сигналов; сформированных указанным образом по нелинейным 20 цепям анализатора спектра 8, паразитные продукты с частотой второй и третьей гармоник исследуемого сигнала, получаемйе в результате взаимодействия частотных сОставляющих этих. сигналов на нелинейности 25 амплитудной характеристики(А.Х,) анализатора спектра 8, взаимно компенсируЮтся и тем самым не могут оказать влиянйя на точ- ность измерения амплитуды второй и третьей гармоник исследуемого сигнала, 30

Покажем, при:каких уСловиях при суммировании сигналов происходит в®аимйая компенсация продуктов искажений и как производится измерение амплитуд гармоник исследуемого сйгнала. Примем во вни- 35 мание тот факт, что в реальных сигналах, имеющйх большой динамический диапазОн амплитуд гармоник (70 дб), т,е. малые нелинейные искажения, амплйтуды. высших гармоник с увеличением их Номера резко 40 уменьшаются, поэтому -в спектре сигнала достаточно учитывать всего две высший гармоники, вторую и третью, что приводит к погрешности больше 5-7 (, при йзмерении, например, коэффициента гармоник сигнала 45

Kr, Амплитудную характеристику нелинейного тракта анализатора спектра (A;C.), которая в основном определяется первым

t а1, аг, аз - коэффициенты ряда (1), зависящие от соответствующей производной крутизны, амйлитудной характеристики и характеризующие степень ее нелийейности.

Поскольку динамический диапазон по нелинейным искажениям современных анализаторов спектра составляет = 70 дБ, то амплитудная характеристика их слабо нелинейна.

Рассмотрим результат воздействия на нелинейный тракт А.С., амплитудная харак- теристика которого аппроксимируется полиномом f1). суммы двух сигналов в двух вариантах. Первый вариант, когда ключ 1 замкнут, а ключ 2 разомкнут. На входы сумматора 3 поступают два сигнала: на первый вход — исследуемый сигнал, а на второй ." сигнал с частотой исследуемого сигнала; умноженной на пять. Умножение частоты сиг-: нала на пять производится умножителем 4 частоты.

Второй вариант, когда ключ 1 разо-.. мкнут, а ключ 2 замкнут. В этом случае на, второй вход сумматора 3 поступает сигнал с утроенной частотой исследуемого сигнала.

Умножение частоты на три производится умножителем 5 частоты на три.

При этом есть возможность изменить амплитуду и фазу сигналов умножителей частоты, которая соответственно производит-ся,аттенюатором 7 и фазовращателем 6..На выходе. сумматора 3 образуется сумма входных сигналов, которая подается на А.С.: 8;

Для того, чтобы максимально упростить по. следующие математические выкладки, примем следующие упрощения. Сигнал с умноженйой частотой и исследуемый сигнал . находятся в противофазе, амплитуды этих сигналов. равны единице. Сигналы- строго монохроматические. Эти допущения нйкак не влияют на правильность описания сущности работы устройства и помогут понять физический смысл происходящих процессов;

Таким образом в соответствии с первым вариантом на вход А.С поступает сумма или, точнее сказать, разность двух сигналов:

55 преобразователем частоты (балансным смесителем), с достаточной точностью можно аппроксимировать полиномом третьей степени вида:

Uq(t) - atU(t)+ агОг(т) + азОз(т), (1) где U1(t) — напряжение сигнала на выходе нелинейного тракта;

U(t) — напряжение сигнала на входе нелинейного тракта; где а — круговая частота исследуемого сигнала;

t — текущее время.

Подставим (2) в (1), получим сигнал, который будет отображаться на экране

А.С.

Оф)аф3п вт — з!п5в t)+az(sin mt—

-з!п5 вт) +ag(sin вт — з!п5 вт) (3) 1798724

Линейную часть выражения (3) оставим сигнала (5) отсутствует частотная составФябез иэмейения, второе и третье слагаемые ющая с частотой 2 и. возведем соответственно в квадрат и куб. Реальный исследуемый сигнал кроМЕ

Используя известные тригонометриче- первой гармоники имеет еще вторую и ские равенства для произведения синусов, 5 третью, наиболее существенные по амплисийуса в квадрате и в кубе, продолжим уп- туде среди высших гармоник, т.e. A;C; мойрощение выражения до отдельных гармони- но измерять амплитуду третьей гармоники, ческих составляющих,: т.к, продукт нелинейного искажения исследуемого сигнала в виде третьей гармоники

U1(t) -а1(з!п аи+а1п5 et)+ag(1 соз2 10 компенсируется продуктом интермодуляци- .«et — соз4 et+ соз6 et — соз10 et) + онногоискажения вструктуресигнала(2).

+аз(З/4зЬ et- 1/4sln3 et — 3/2sln5 et+ Для измерения А.С. амплитуды второй

+3sln7 и +Зз1пЗ et+ 3/2з!и et-.:Зз!п11» гармоники исследуемого сигнала использу«ал-ЗзЬ9 et-3/4з1п5 et+ 1/4sln15 et). егся структура сигнала (6), в которой место (4) . 15 для второй гармоники также свободно, т.к. . по аналогии с вышесказанным паразитные

В выражении (4) имеются только две продукты с частотой 2 и, получаемые в ре. частогные составляющие 3 и . Амплитуды зультате взаимодействия частотных составэтих составляющих .соотйосятся -как 1:12. ляющих сигнала (5) на нелинейности А,Х.

Если аттенюатором 7 с использованием 20 A.Ñ., взаимнокомпенсируются. блока 9 контроля отношения напряжений Влияет ли на амплитуду третьей гармоустановитьсоотношениеамплитудисследу- ники. которая измеряетея А.С., результат емого сигнала и сигнала:умножителя часто- взаимодействия второй гармоники исследуты 1:12, а фазовращателем 6 с емого сигнала с частотой 2 и и сигнала использованием блока 10 контроля разно- 25 умножителя с частотой 5 Ы. а также его сти фаз обеспечить противоположность фаз гармоник, второй и третьей, с частотой 10» этих сигналов как в выражении (2), то со- «и и 15 и. Гармоники выше третьей в спекставляющие с частотой 3 и взаимно ком- тре сигнала умножителя ничтожно малы; по пенсируются, этому их можно не учитывать. Другими рассмотрим второй вариант, в соответ- 30 словами, возникает ли при взаимодействии ствии с которым на вход А,С. поступает раз- указанных частотных составляющих на неность двух сигналов: . линейности А.С, частотная составляющая с частотой 3 е, если да, то может. ли она

U (t) - sin et — з!пЗ et. (5) существенно повлиять на величину амплиХ

35 туды измеряемой третьей гармоники.

Подставляя (5) в (1), по аналогии с пер- Из общей теории спектрального преобвым вариантом получим сигнал,.который бу- разования сигналов известно; что при взаидет отображаться на экране А.С. модействии частотных составляющих на

После элементарных преобразований . нелинейном элементе кроме нелинейных получаем: 40 искажений этих составляющих возникают комбинационные составляющие с частотой, U1(t)- ap(sin et+ з1пЗ et)+ а (1 — cos2» равнойсуммеиразностичастотэтихсостав »е t — cosset — созби t)+ as(3/4sln et — . ляющих.

-1/4s1пЗ et — 3/2з!пЗ et+Çslne t+3sln5»

«e t+ 3/2зЬ и1 — Çsin7 и t — Çsln5 и t — 45 При взаимодействии сигналов с часто-3/4з!пЗet+1/4з!п9иt) (6) той 2 ииби на нелинейности А.C. возникают комбинационные искажения с

В выражении (6) имеются только две суммарнойчастотой 7ии разностной Зи. частотные составляющие, имеющие частоту При взаимодействии сигнала с частотой 2«

2 и. Амплитуды этих составляющих равны, 50 «ии сигналов с частотой 10 ии с частотой 15м а фазы противоположны, т..е. соблюдены все возникают соответственно сигналы с сумусловия для их взаимной компенсации. марной частотой 12 и и 17 и и разностной

Из анализа выражений (4) и (6) можно 8 и и 13 и. Таким образом, частотная со видеть, что при прохождении сигнала (2), у ставляющая с частотой 3 и возникает толькотрогго ампли УМчастотных составля 55 ко в результате взаимодействия второй щих соотносятся как 1:12, нелинейного гармоникиисследуемогосигналас частотой тракта А.С. частотная составляющая с час- 2 и и сигнала умножителя с частотой 5 е, тотой 3 ив сигнале, отображаемом на экра- Амплитуда вновь возникшей частотной соне А.С., отсутствует. При прохождении ставляющей будет много меньше амплиту1798724

Составитель Л.Устинова

Техред М.Моргентал Корректор.T.Ïàëèé

Редактор С.Куркова

Заказ 770 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г Ужгород, ул.Гагарина, 101 ды третьей гармоники исследуемого сигнала.

Влияет ли на амплитуду второй гармоники, которая измеряется А.С., результат взаимодействия первой гармоники исследуемого сигнала с частотой о) и гармоники сигнала умножителя частоты с частотой 6 м и 9 в на нелинейности А.Х, А.С, После взаимодействия образуются сигналы с суммарной частотой T ви 10 о) и разностной частотой 5ви 8 со, Как видно, ни один из вновь возникших сигналов не совпадает по частоте с измеряемой второй гармоникой, следовательно, может влиять на величину ее амплитуды.

Формула изобретения

Устройство для измерения малых коэффициентов гармоник сигналов, содержащее анализатор спектра, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности изме-. рений, в него дополнительно введены умножители частоты на три и на пять, аттенюатор, сумматор, блок контроля раз5 ности фаз, блок контроля отношения напряжений,два ключа и фазовращатель, вход которого соединен с входом устройства и подключен к первым входам блока контроля разности фаз, блока контроля отношения

10 напряжений и сумматора, выход которого подключен к входу анализатора спектра, выход фазовращателя через параллельно соединенные две цепи, состоящие из последовательно соединенных умножите15 лей частоты и ключей, подключен к входу аттенюатора, выход которого подключен к вторым входам блока коитроля разности фаз, блока контроля отношения напряжений и сумматора.