Стохастический измеритель коэффициента усиления

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано в задачах измерения параметров усилителей низких частот, например усилителей аудиосигналов. Устройство содержит мультиплексор, блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, два накапливающих сумматора, функциональный преобразователь, выполняющий в простейшем случае операции деления и извлечения корня, а также блок управления и генератор белого шума. Особенностью измерителя является то, что он использует в качестве тестового сигнала случайный процесс с широким спектром и позволяет измерять коэффициент усиления сразу в некоторой полосе частот. При этом учитываются продукты нелинейных искажений, сопровождающие работу реальных усилителей и влияющие как на форму выходного сигнала, так и на его уровень. Технический результат - повышение точности измерений. 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, позволяющее измерять коэффициент усиления при помощи случайных тестовых сигналов и содержащее два входных устройства, мультиплексор, ограничитель, детектор, выходной коммутатор и дифференциальный усилитель, входы первого и второго входных устройств являются соответственно первым и вторым информационными входами устройства, выходы входных устройств подключены соответственно к первому и второму входу мультиплексора, выход которого соединен с входом ограничителя, выход которого соединен с входом выходного коммутатора, выходы которого соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства [Горон И.Е. Радиовещание. - М.: Связь, 1979, стр.226].

Основным недостатком прототипа как измерительного устройства является низкая точность. Несмотря на то, что измеритель одноканальный и таким образом исключается влияние неидентичности каналов на конечный результат, погрешности измерений все же велики из-за методических особенностей. Объясняется это тем, что задача преобразования двухканального измерителя в одноканальный в прототипе была решена просто путем переключения одного канала обработки поочередно на входной и выходной сигналы исследуемого усилителя с накоплением напряжений сигналов на конденсаторах выходного коммутатора. Неидентичность параметров цепей заряда и разряда конденсаторов, зависимость их от внешних факторов, а также неидентичность параметров самих конденсаторов - одна из составляющих общей ошибки. Более того, ошибки будут вызваны еще и работой активного управляемого ограничителя, а также дискретизацией во времени сигналов, следующих в тракт сугубо аналоговой обработки.

Особенности устройства-прототипа, часть их которых была упомянута выше, ограничивают области его применения и позволяют эффективно им пользоваться скорее для задач мониторинга, чем для измерений, например, для непрерывного наблюдения за отклонениями коэффициента усиления от некоторого значения.

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

Технический результат достигается тем, что в стохастический измеритель коэффициента усиления, содержащий мультиплексор, согласно изобретению введены блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, два накапливающих сумматора, функциональный преобразователь, блок управления и генератор белого шума, выход которого подключен к первому информационному входу мультиплексора, который (вход) является первым информационным входом измерителя, вторым информационным входом которого является второй информационный вход мультиплексора, выход которого через блок фильтрации соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом квадратора, к выходу которого подключены объединенные информационные входы первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам функционального преобразователя, выход которого является выходом измерителя, адресный вход мультиплексора и тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и двух накапливающих сумматоров подключены к соответствующим выходам блока управления.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена функциональная схема стохастического измерителя коэффициента усиления, а на фиг, 2 - функциональная схема блока управления.

Функциональная схема измерителя (фиг.1) содержит мультиплексор 1, блок 2 фильтрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, квадратор 4, два накапливающих сумматора 5 и 6, функциональный преобразователь 7, блок 8 управления, генератор 9 белого шума и усилитель 10, коэффициент усиления которого измеряют (R_L - сопротивление нагрузки усилителя). Выход генератора 9 белого шума подключен к первому информационному входу мультиплексора 1, который (вход) является первым информационным входом измерителя, вторым информационным входом которого является второй информационный вход мультиплексора 1, выход которого через блок 2 фильтрации соединен с информационным входом АЦП 3, выход которого соединен с информационным входом квадратора 4, к выходу которого подключены объединенные информационные входы накапливающих сумматоров 5 и 6, выходы которых подключены к соответствующим входам функционального преобразователя 7, выход которого является выходом К измерителя, адресный вход мультиплексора 1 и тактовые входы АЦП 3 и накапливающих сумматоров 5, 6 подключены к соответствующим выходам A1, C1, C2, С3 блока 8 управления, управляющий вход СО которого служит запускающим входом измерителя. Между первым и вторым информационными входами измерителя подключен исследуемый усилитель 10 с нагрузкой R_L. Блок 2 фильтрации, в свою очередь, содержит полосовой фильтр 11 и мультиплексор 12, выход которого является выходом блока 2, первый информационный вход мультиплексора 12 объединен с входом полосового фильтра 11 и является входом блока 2, а второй информационный вход соединен с выходом полосового фильтра 2, адресный вход мультиплексора, являясь управляющим входом блока 2, одновременно служит входом М (Mode) выбора режима измерителя.

Блок 8 управления (фиг.2) содержит триггеры 13, 14 и 15, счетчик 16, элемент ИЛИ 17, элементы И 18, 19 и 20, элемент 21 задержки, одновибратор 22 и генератор 23 тактовых импульсов. Управляющим входом СО блока 8 является S-вход триггера 13, выход которого соединен с D-входом триггера 14, выход которого соединен с первым входом элемента И 18, второй вход которого объединен с С-входом триггера 14 и подключен к выходу генератора 23 тактовых импульсов, выход элемента И 18 подключен к счетному входу счетчика 16, выход переполнения которого соединен с С-входом триггера 15, R-вход которого объединен с аналогичным входом счетчика 16, первым входом элемента ИЛИ 17 и является обнуляющим входом блока 8 управления, второй вход элемента ИЛИ 17 объединен с R-входом триггера 14 и подключен к выходу одновибратора 22, вход которого объединен с первым входом элемента И 19 и подключен к прямому выходу триггера 15, к инвертирующему выходу которого подключен первый вход элемента И 20, D-вход триггера 15 также подключен к его инвертирующему выходу, прямой выход которого, в свою очередь, служит адресным выходом А1 блока 8 управления, первым тактовым выходом С1 которого является выход элемента И 18, к выходу которого также подключены через элемент 21 задержки объединенные вторые входы элементов И 19, 20, выходы которых служат соответственно третьим С3 и вторым С2 тактовыми выходами блока 8, выход элемента ИЛИ 17 соединен с R-входом триггера 13.

Работа стохастического измерителя коэффициента усиления К(ω) складывается из двух этапов. Начало первого этапа, как и всего цикла измерений, определяется моментом поступления на выход СО запускающего импульса (фиг.1). В течение первого этапа сигнал с выхода генератора 9 белого шума через мультиплексор 1 поступает в блок 2 фильтрации, где выделяется заданная узкая полоса частот Δω с центром в точке ω. Выделенный таким образом сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию, после чего полученные значения возводятся в квадрат в блоке 4. Код u

2

вх

(t_n) поступает на вход накапливающего сумматора 5. К концу первого этапа на выходе сумматора 5 будет накоплена сумма

где N - число отсчетов за время наблюдения;

t_n=t₀₁+(n-1)Δt, (n=1, 2,..., N);

Δt - период дискретизации (период тактовых импульсов на выходах C1, C2, С3 блока 8);

t₀₁ - момент начала первого этапа.

По окончании первого этапа измеритель переходит ко второму этапу измерений, отличающемуся от первого тем, что мультиплексор 1 переключается в режим коммутации на свой выход сигнала с выхода исследуемого усилителя 10: на вход АЦП 3 поступает усиленный сигнал, пройдя также, как и ранее блок 2 фильтрации. Для суммирования сформированных на этом этапе отсчетов служит накапливающий сумматор 6. в котором к концу второго этапа будет накоплена величина

где t_n=t₀₂+(n-1)Δt;

t₀₂ - момент начала второго этапа.

Полученные суммы (1) и (2) направляются в функциональный преобразователь 7, который выполняет операции деления входных операндов S_D2 на S_D1 и извлечения из полученного результата корня квадратного, т.е. вычисляет коэффициент усиления

Величины s_D1 и s_D2 отличаются от дисперсий D₁ и D₂ только постоянным коэффициентом 1/N, то есть

и

Строго говоря, справедливость последнего утверждения верна только в том случае, если тестовый сигнал - белый шум - имеет нулевое математическое ожидание и, кроме того, в выходном сигнале исследуемого усилителя отсутствует постоянная составляющая (выход усилителя развязан по переменному току). Следовательно, отношение дисперсий есть отношение накопленных сумм

Учитывая, что дисперсия стационарного эргодического процесса, каким является белый шум, от времени не зависит (в данном случае от моментов времени t₀₁ и t₀₂), то отношение (3) также не будет зависеть от того, в какие моменты времени измерялись величины s_D1 (1) и s_D2 (2), то есть от того, измерялись они во времени параллельно или последовательно.

Поскольку белый шум является математической идеализацией, то в качестве реального генератора 9 следует использовать источник слабокоррелированного стационарного эргодического процесса с равномерным спектром во всей полосе рабочих частот измерителя и нулевым математическим ожиданием. Частота ω, в окрестности которой в полосе Δω измеряется коэффициент усиления К(ω), задается блоком 2 фильтрации путем выбора параметров полосового фильтра 11. В общем случае фильтр 11 может иметь регулируемые добротность и центральную частоту ω. Для измерения коэффициента усиления, относящегося ко всей полосе частот исследуемого усилителя 10, в блоке 2 фильтрации можно предусмотреть мультиплексор 12, позволяющий отключать блок 2 фильтрации и таким образом переводить измеритель в режим измерения некоторого интегрального параметра К.

Длительность интервала наблюдения Т=NΔt (при синхронизации начала интервала наблюдения с тактовыми импульсами можно считать, что T=(N-1)Δt), в течение которого на каждом из этапов сумматоры 5 и 6 накапливают отсчеты, безусловно, влияет на точность измерений и, конечно, чем больше Т, тем меньше ошибки результатов статистической обработки. Для определения конкретных значений Т следует исходить из априорных сведений о свойствах тестового случайного процесса. В частности, если известен максимальный интервал корреляции τ_K этого процесса, то Т можно выбрать из условия Т>>τ_K.

Задачи, возлагаемые на функциональный преобразователь 7, определяются тем, в каком виде следует выдавать результаты измерений. При необходимости на функциональный преобразователь 7 можно возложить операции масштабирования или логарифмирования, что несложно выполнить аппаратно-табличным способом.

Управляет работой измерителя блок 8 (фиг.2). Внешние управляющие сигналы, выходные для блока 8, вырабатываются в следующем порядке (см. также фиг.1).

В исходном состоянии блока 8, то есть до поступления на запускающий вход СО импульса, на его выходах А1, С1, С2 и С3 устанавливаются уровни логических нулей После запуска блока на выходах С1 и С2 появляются последовательности тактовых импульсов с периодом Δt, необходимые для работы АЦП 3 и накапливающего сумматора 5. Причем для корректного взаимодействия АЦП и накапливающих сумматоров последовательность С1 всегда опережает последовательности С2, С3. Через время наблюдения, равное длительности первого этапа, на выходе А1 устанавливается логическая единица - мультиплексор 1 переключается и начинается второй этап измерений. На этом этапе в последовательности С1 изменений не происходит, АЦП 3 по-прежнему непрерывно тактируется, однако вместо тактовой последовательности С2 начинает формироваться последовательность С3, необходимая для работы накапливающего сумматора 6. С окончанием второго этапа измерений, равного по длительности первому, блок 8 автоматически возвращается в исходное состояние, и следующий цикл начнется только после поступления на вход СО соответствующей команды.

Рассмотренные выше сигналы вырабатываются следующим образом. При поступлении на вход СО (фиг.2) импульса триггер 13 переходит в состояние высокого логического уровня, в результате чего с первым после этого перехода тактовым импульсом переходит в состояние высокого логического уровня и D-триггер 14, разрешая тем самым прохождение тактовых импульсов на счетный вход счетчика 16. Последний отсчитывает интервал, равный длительности каждого из этапов измерений. Одновременно тактовые импульсы беспрепятственно проходят на выход С1 и через элемент 21 задержки - на выход элемента И 20, то есть на выход С2. Окончание первого этапа определяется появлением импульса переполнения на выходе Р счетчика 16. По этому импульсу триггер 15 переходит в состояние высокого логического уровня, на его инвертирующем выходе появляется логический нуль и подача импульсов на выход С2 прекращается, однако начинается подача тактовых импульсов на выход элемента И 19, то есть на выход С3. Кроме того, с переключением триггера 15 меняется и состояние адресного выхода А1. Таким образом блок 8 управления переходит ко второму этапу, окончание которого также определяется моментом переполнения счетчика 16. При этом триггер 15 переходит в исходное состояние и по скачку напряжения на его прямом выходе одновибратор 22 (запускается только от отрицательных фронтов) обнуляет триггеры 13 и 14: блок 8 переходит в состояние, в котором он находился до запуска; цикл измерений окончен.

Настоящий стохастический измеритель рассчитан на измерение коэффициента усиления К(ω) не на конкретной частоте ω, а в некоторой полосе Δω, что отличает его от традиционных схем измерений. Предложенный подход основан на том, что функционирующий в реальных условиях усилитель усиливает случайные сигналы со сплошным спектром, а не моногармонический измерительный сигнал. Это, учитывая нелинейность реальных амплитудных характеристик, приводит к появлению характерных искажений, влияющих на уровень выходного сигнала усилителя. К искажениям подобного рода относятся эффект подавления слабого сигнала сильным, проявляющийся при нелинейном усилении сигналов с различными частотами, а также интермодуляционные искажения, вызванные образованием комбинационных составляющих. Следовательно, смоделировать режим работы усилителя, близкий к реальному, применяя синусоидальный тестовый сигнал одной частоты (Δω=0), невозможно, поэтому и целесообразно использовать случайные сигналы с назначенными спектральными параметрами и обеспечивающие анализ в заданной полосе частот.

Стохастический измеритель коэффициента усиления, содержащий мультиплексор, отличающийся тем, что в него введены блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, два накапливающих сумматора, функциональный преобразователь, блок управления и генератор белого шума, выход которого подключен к первому информационному входу мультиплексора, который (вход) является первым информационным входом измерителя, вторым информационным входом которого является второй информационный вход мультиплексора, выход которого через блок фильтрации соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом квадратора, к выходу которого подключены объединенные информационные входы первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам функционального преобразователя, выход которого является выходом измерителя, адресный вход мультиплексора и тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и двух накапливающих сумматоров подключены к соответствующим выходам блока управления.