Одноканальный стохастический измеритель коэффициента усиления (варианты)

 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано в задачах измерения параметров усилителей низких частот, например усилителей аудиосигналов. Измеритель по первому варианту содержит генератор белого шума, блок фильтрации, детектор, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий сумматор и функциональный преобразователь. Измеритель по второму варианту содержит генератор белого шума, блок фильтрации, квадратор, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий сумматор и функциональный преобразователь. Изобретение направлено на повышение точности измерений. Устройство позволяет измерять коэффициент усиления как во всем диапазоне рабочих частот усилителя, так и в отдельных спектральных окнах. При этом учитываются продукты нелинейных искажений, сопровождающие работу реальных усилителей. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано в задачах измерения параметров усилителей низких частот, например усилителей аудиосигналов.

В качестве прототипа выбрано устройство, содержащее два управляемых усилителя-ограничителя, два детектора и два фильтра низких частот, входы первого и второго усилителей являются соответственно первым и вторым информационными входами устройства, выходы первого и второго усилителей подключены соответственно к входам первого и второго детекторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго фильтров низких частот, выходы которых являются выходом устройства, управляющие входы усилителей объединены и подключены к выходу одного из них [Горон И.Е. Радиовещание. - М., Связь, 1979, стр.221].

Принцип действия прототипа позволяет измерять коэффициент усиления, используя в качестве тестовых сигналов реальные случайные процессы, несущие полезную информацию и проходящие через исследуемый тракт в рабочем режиме. Особенности прототипа позволяют не прерывать работу усилительного тракта для необходимых измерений и делают его эффективным как устройство слежения за заданным параметром. Применение же данного устройства в качестве сугубо измерительного прибора нецелесообразно из-за его невысокой точности.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в одноканальный стохастический измеритель коэффициента усиления (вариант 1), содержащий детектор, согласно изобретению введены генератор белого шума, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий сумматор и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, тестовым выходом которого служит выход генератора белого шума, а тестовым входом служит вход блока фильтрации, выход которого через детектор соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого подключен к входу функционального преобразователя.

Технический результат может достигаться еще и тем, что в одноканальный стохастический измеритель коэффициента усиления (вариант 2) согласно изобретению введены генератор белого шума, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, накапливающий сумматор и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, тестовым выходом которого служит выход генератора белого шума, а тестовым входом служит вход блока фильтрации, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом квадратора, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого подключен к входу функционального преобразователя.

На фиг.1 и 2 представлены функциональные схемы двух вариантов одноканальных стохастических измерителей коэффициента усиления.

Функциональная схема измерителя по фиг.1 содержит генератор 1 белого шума, блок 2 фильтрации, детектор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, накапливающий сумматор 5, функциональный преобразователь 6 и тестируемый усилитель 7 с сопротивлением нагрузки R_L. Выход генератора 1 белого шума, являющийся тестовым выходом измерителя, подключен к входу тестируемого усилителя 7, выход которого соединен с тестовым входом измерителя - входом блока 2 фильтрации, выход которого через детектор 3 подключен к информационному входу АЦП 4, выход которого соединен с информационном входом накапливающего сумматора 5, выход которого соединен с входом функционального преобразователя 6, выход которого является выходом К* измерителя.

Функциональная схема измерителя по фиг.2 содержит генератор 8 белого шума, блок 9 фильтрации, АЦП 10, квадратор 11, накапливающий сумматор 12, функциональный преобразователь 13 и тестируемый усилитель 14 с сопротивлением нагрузки R_L. Выход генератора 8 белого шума, являющийся тестовым выходом измерителя, подключен к входу тестируемого усилителя 14, выход которого соединен с тестовым входом измерителя - входом блока 9 фильтрации, выход которого подключен к информационному входу АЦП 10, выход которого соединен с входом квадратора 11, выход которого соединен с информационном входом накапливающего сумматора 12, выход которого соединен с входом функционального преобразователя 13, выход которого является выходом К* измерителя.

В качестве тестового сигнала в измерителе используется слабокоррелированный стационарный эргодический случайный процесс с равномерным спектром в пределах полосы рабочих частот исследуемых усилителей. Подобный сигнал условно отнесем к белому шуму, который вырабатывает генератор 1, также условно названный генератором белого шума. С инженерной точки зрения генератор 1 должен характеризоваться высокой стабильностью параметров во времени.

Как видно из функциональной схемы (фиг.1), тестовый случайный сигнал u(t) после усиления в исследуемом усилителе 7 поступает в блок 2 фильтрации, где из него выделяется заданная полоса частот Δω. Полученный сигнал детектируется в блоке 3, после чего поступает в АЦП 4. С выхода АЦП 4 отсчеты u_вых(t_n) направляются в накапливающий сумматор 5, в котором за время Т, равное интервалу наблюдения, формируется сумма

где N - число отсчетов за время наблюдения Т;

, (n=1,2,…,N);

Δt - период дискретизации (период следования тактовых импульсов, поступающих на тактовые входы АЦП 4 и накапливающего сумматора 5);

t₀₁ - начальный момент времени.

Для вычисления коэффициента усиления К(ω) усилителя 7 сумму (1) следует разделить на аналогичную величину, но полученную при коэффициенте усиления с заранее известным значением - в нашем случае при эталонном значении К(ω)=1. Упомянутую сумму, полученную при К(ω)=1, обозначим как S₀ и поместим в виде опорного кода как постоянный делитель в функциональный преобразователь 6. Математическая форма величины S₀ выглядит так:

где , (n=1,2,…,N);

t₀₂ - начальный момент времени;

- оцифрованные отсчеты сигнала, полученного после фильтрации и детектирования случайного сигнала u(t).

Таким образом, выражение для искомого коэффициента усиления К(ω), определяющего коэффициент усиления в некоторой полосе Δω с центром в точке ω, будет иметь вид:

Для того чтобы убедиться в верности утверждения (3), обратим внимание на то, что суммы (1) и (2) отличаются от средневыпрямленных значений U_вых и U₀, относящихся к прошедшему фильтрацию случайному процессу u(t), только постоянным коэффициентом 1/N, то есть

и

Следовательно, отношение средневыпрямленных значений U_вых - после усиления и U₀ - до усиления, которое (отношение) представляет собой коэффициент усиления К(ω), есть отношение накопленных сумм S_вых и S₀:

Учитывая, что средневыпрямленные значения стационарного процесса от времени не зависят, то отношение (5) также не будет зависеть от времени при условии, что коэффициент усиления К(ω) не меняется. Другими словами, отношение (5) не зависит от того, в какие моменты времени измерялись значения S_вых и S₀. Это означает, что принятая нами в качестве опорной величина S₀ могла быть измерена или вычислена заранее, до начала работы измерителя и записана как постоянный коэффициент (или делитель) в регистр опорного значения функционального преобразователя 6, который, как это видно из вышеприведенного материала, призван выполнить операцию деления суммы S_вых на постоянный делитель S₀.

Из принципа действия измерителя (см. фиг.1) ясно, что точность измерения K(ω) будет зависеть от стабильности параметров генератора 1, то есть от того, с какой погрешностью реальный случайный процесс, вырабатываемый этим генератором, можно считать действительно стационарным. Причем прежде всего следует подчеркнуть неизменность во времени дисперсии процесса. Кроме применения специальных мер по стабилизации параметров случайного процесса возможен вариант предварительной калибровки измерителя, отличающийся как высокой эффективностью, так и отсутствием дополнительных затрат. Калибровку следует проводить перед началом очередной серии измерений, а осуществление ее сводится к тому, что к разъему тестовых входа и выхода вместо усилителя 7 подключают перемычку (на схеме не показана). В результате через время Т на выходе функционального преобразователя будет получена величина, представляющая собой отношение средневыпрямленного значения U_T на данном интервале времени, в настоящих условиях к эталонному значению U₀:

.

Измеренное указанным образом значение параметра δ и предстоит использовать как поправочный коэффициент, то есть оценку К*(ω) необходимо для уточнения результата умножить еще на коэффициент δ.

На точность измерений влияет также и длительность интервала наблюдения Т=NΔt (при синхронизации начала интервала наблюдения с тактовыми импульсами можно считать, что T=(N-1)Δt), в течение которого сумматор 5 накапливает отсчеты: разумеется, чем больше Т, тем меньше ошибка статистического оценивания. Для определения конкретных значений Т следует исходить из динамических свойств тестового сигнала. При известном максимальном интервале корреляции τ_K этого процесса значение Т рекомендуется выбирать из условия T>>τ_K.

Наличие в измерителе блока 2 фильтрации позволяет измерять коэффициент усиления не только во всем частотном диапазоне, в виде некоторого интегрального параметра К, но и в отдельных спектральных окнах Δω. Необходимость выделения полосы Δω вызвана тем, что при отсутствии такой возможности результаты измерений могут оказаться сильно искаженными, так как одни и те же средневыпрямленные значения могут иметь сигналы с различными спектрами. Это означает, что два различных исследуемых усилителя, имеющие отличающиеся амплитудно-частотные характеристики, будут охарактеризованы одним и тем же интегральным параметром К, так как он будет отнесен ко всему диапазону частот, без учета особенностей распределения усиления по оси частот.

При реализации блока 2 в виде полосового фильтра с регулируемой добротностью и изменяющейся центральной частотой ω измеритель сможет легко перестраиваться и при необходимости последовательно сканировать весь диапазон рабочих частот.

Вариант измерителя, представленный на фиг.2, отличается от рассмотренного выше устройства отсутствием детектора и наличием квадратора. Введение операции возведения в квадрат (блок 11) позволяет вместо средневыпрямленных значений использовать для вычислений значения дисперсии процессов. При этом работа измерителя отличается следующим.

С выхода АЦП 10 отсчеты u_вых(t_n) направляются в квадратор 11, после чего следуют на информационный вход накапливающего сумматора 12, в котором к концу интервала наблюдения Т будет накоплена сумма

В функциональный преобразователь 13 заносят предварительно измеренную или подсчитанную величину - опорное значение:

где u₀(t_n) - отсчеты на выходе АЦП 10 при К(ω)=К₀(ω)=1.

Искомый коэффициент усиления К(ω) определяют по формуле

Указанную функцию (8) вычисляет функциональный преобразователь 13, который так же, как и в предыдущем примере, может быть реализован в виде ППЗУ.

Для корректного взаимодействия тактируемых устройств - АЦП 4 (10) с накапливающим сумматором 5 (12) - последовательность импульсов, служащая для тактирования накапливающего сумматора 5 (12), должна несколько запаздывать относительно аналогичной последовательности, подаваемой на тактовый вход АЦП 4 (10): на время, достаточное для завершения переходных процессов в АЦП 4 (10), связанных с обновлением отсчетов. Цепи тактирования на функциональных схемах (фиг.1, 2) не показаны.

Формула изобретения

1. Одноканальный стохастический измеритель коэффициента усиления (вариант 1), содержащий детектор, отличающийся тем, что в него введены генератор белого шума, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий сумматор и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, тестовым выходом которого служит выход генератора белого шума, а тестовым входом служит вход блока фильтрации, выход которого через детектор соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого подключен к входу функционального преобразователя.

2. Одноканальный стохастический измеритель коэффициента усиления (вариант 2), отличающийся тем, что в него введены генератор белого шума, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, накапливающий сумматор и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, тестовым выходом которого служит выход генератора белого шума, а тестовым входом служит вход блока фильтрации, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом квадратора, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого подключен к входу функционального преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2