Способ оценки гармонических искажений и устройство для его реализации (варианты)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике оценки гармонических искажений в усилительных каскадах. Технический результат - упрощение способа оценки гармонических искажений. Для достижения данного результата дополнительно измеряют длительности положительной и отрицательной полуволн переменной составляющей сигнала на выходе четырехполюсника. Сравнивают измеренные значения длительностей между собой и по степени их отличия судят о внесенных четырехполюсником гармонических искажениях. 6 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и позволяет оценивать наличие и степень гармонических искажений в усилительных трактах.

В качестве прототипа выбран классический способ оценки нелинейных искажений, состоящий в том, что на вход исследуемого четырехполюсника подают ранее сформированный тестовый сигнал, из которого после прохождения исследуемого четырехполюсника путем фильтрации удаляют часть спектральных составляющих, далее вычисляют (измеряют) среднеквадратические значения сигнала после фильтрации и сигнала непосредственно с выхода четырехполюсника и в качестве числового показателя нелинейных искажений принимают отношение вычисленных среднеквадратических значений [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр. 383-388].

Устройство для реализации способа-прототипа содержит генератор синусоидального сигнала, режекторный фильтр, два блока измерения среднеквадратических значений и блок измерения отношений, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора синусоидального сигнала, а тестовым входом служит вход режекторного фильтра, выход которого соединен с входом первого блока измерения среднеквадратических значений, выход которого соединен с первым входом блока измерения отношений, второй вход которого соединен с выходом второго блока измерения среднеквадратических значений, вход которого объединен с входом режекторного фильтра [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр. 384, рис. 14. 14б].

Способ-прототип служит для приближенного вычисления коэффициента гармоник К_г, выражаемого в данном случае как отношение среднеквадратического значения высших гармоник к среднеквадратическому значению всего сигнала

где U₁, U₂, ... U_I - амплитуды гармоник.

Известно, что вычисление среднеквадратических значений сигналов несинусоидальной формы в относительно широком динамическом диапазоне приводит к построению достаточно сложных преобразователей, независимо оттого в аналоговом или цифровом базисе реализуется измеритель. Безусловно, эта особенность прототипа является его существенным недостатком, так как аппаратурное усложнение снижает надежность и повышает стоимость измерителей. Причем последний фактор ограничивает их широкое применение. Другим недостатком способа-прототипа является необходимость удаления основной гармоники. От эффективности выполнения этой операции, как несложно убедиться из вышеприведенной формулы, зависит точность вычислений коэффициента гармоник К_г. Важно, чтобы применяемый для этих целей режекторный фильтр не ослаблял соседние гармоники, как правило значительно меньшие по амплитуде, чем основная гармоника.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит, главным образом, как в упрощении способа оценки искажений, так и устройств его реализующих.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе оценки гармонических искажений, состоящем в подаче на вход исследуемого четырехполюсника моногармонического сигнала, согласно изобретению измеряют длительности положительной и отрицательной полуволн переменной составляющей сигнала на выходе четырехполюсника, сравнивают измеренные значения длительностей между собой и по степени их отличия судят о внесенных четырехполюсником гармонических искажениях.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе оценки гармонических искажений, состоящем в подаче на вход исследуемого четырехполюсника моногармонического сигнала, согласно изобретению измеряют длительность одной из полуволн на входе исследуемого четырехполюсника, измеряют длительность соответствующей ей полуволны переменной составляющей сигнала на выходе четырехполюсника, сравнивают измеренные значения длительностей между собой и по степени их отличия судят о внесенных четырехполюсником гармонических искажениях.

Для достижения технического результата измеренные значения длительностей полуволн могут сравниваться между собой путем определения их разности.

Для достижения технического результата измеренные значения длительностей полуволн могут сравниваться между собой путем определения их отношения.

Для достижения технического результата устройство для оценки гармонических искажений, реализующее способ по первому варианту, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, согласно изобретению дополнительно содержит блок разделения полуволн, два измерителя длительностей полуволн и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служит вход блока разделения полуволн, первый выход которого соединен со входом первого измерителя длительностей полуволн, а второй выход соединен со входом второго измерителя длительностей полуволн, выходы первого и второго измерителей длительностей полуволн подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

Для достижения технического результата устройство для оценки гармонических искажений, реализующее способ по первому варианту, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, согласно изобретению дополнительно содержит измеритель длительностей положительных полуволн, измеритель длительностей отрицательных полуволн и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служат объединенные входы измерителей длительностей положительных и отрицательных полуволн, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

Для достижения технического результата устройство для оценки гармонических искажений, реализующее способ по второму варианту, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, согласно изобретению дополнительно содержит два измерителя длительностей полуволн и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служит вход первого измерителя длительностей полуволн, вход второго измерителя длительностей полуволн соединен с выходом генератора моногармонического сигнала, выходы первого и второго измерителей длительностей полуволн подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

Для достижения технического результата устройство для оценки гармонических искажений, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, согласно изобретению дополнительно содержит измеритель длительностей полуволн, блок памяти и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служит вход измерителя длительностей полуволн, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти.

Для достижения технического результата в устройстве для оценки гармонических искажений блок сравнения может быть выполнен в виде блока вычитания или в виде блока деления.

Сущность изобретений поясняется чертежами. На фиг.1 показаны графики, иллюстрирующие принцип оценки гармонических искажений; на фиг.2 - функциональная схема устройства для оценки гармонических искажений реализующего первый вариант способа; на фиг.3 - функциональная схема второго устройства для оценки гармонических искажений (без генератора) реализующего первый вариант способа; на фиг.4 - функциональная схема устройства для оценки гармонических искажений реализующего второй вариант способа.

Графики по фиг.1 содержат переменную составляющую u_вх(t) входного синусоидального сигнала, выполняющего функции тестового, а также переменную составляющую u_вых(t) сигнала с выхода нелинейного тракта. Временные параметры Δt₁ и Δt₂ являются длительностями соответственно положительной и отрицательной полуволн сигнала u_вых(t).

Функциональная схема по фиг.2 содержит генератор 1 моногармонического (синусоидального) сигнала, блок 2 разделения полуволн, измерители 3 и 4 длительностей полуволн, блок 5 сравнения, а также исследуемый усилитель 6 с подключенной нагрузкой R_L. Выход генератора 1 подключен ко входу усилителя 6, выход которого соединен со входом блока 2 разделения полуволн, выходы которого соединены с соответствующими им входами измерителя 3 и измерителя 4, выходы которых, в свою очередь, подключены к соответствующим им входам блока 5 сравнения, выход которого является выходом оценки гармонических искажений (информационным выходом устройства).

Функциональная схема по фиг.3 содержит измеритель 7 длительностей положительных полуволн, измеритель 8 длительностей отрицательных полуволн и блок 9 сравнения. Входы измерителей 7 и 8 объединены и составляют информационный вход устройства, выходы измерителей 7 и 8 подключены к соответствующим им входам блока 9 сравнения, выход которого является выходом оценки гармонических искажений (информационным выходом устройства). В свою очередь, измеритель 7 содержит компаратор 10 и измеритель 11 длительностей импульсов, выход которого является выходом измерителя 7, входом которого служит неинвертирующий вход компаратора 10, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной. Измеритель 8 также содержит компаратор 12 и измеритель 13 длительностей импульсов, выход которого является выходом измерителя 8, входом которого служит инвертирующий вход компаратора 12, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной.

Функциональная схема по фиг.4 содержит генератор 14 моногармонического (синусоидального) сигнала, измерители 15 и 16 длительностей полуволн, блок 17 сравнения и исследуемый усилитель 18 с подключенной нагрузкой R_L. Выход генератора 14 подключен ко входу усилителя 18 и входу измерителя 16, выход которого соединен с одним из входов блока 17 сравнения, другой вход которого соединен с выходом измерителя 15, вход которого соединен с выходом усилителя 18, выход блока 17 сравнения является выходом оценки гармонических искажений (информационным выходом устройства).

В основе функционирования измерителя лежит метод, суть которого состоит в следующем.

При воздействии синусоидального сигнала на нелинейный четырехполюсник различные участки сигнала u_вх(t) усиливаются по-разному в зависимости от того, как меняется крутизна передаточной характеристики четырехполюсника. В частности, положительная и отрицательная полуволны входного воздействия u_вх(t) будут усиливаться по-разному, если передаточная характеристика имеет вид монотонной нелинейной функции. После выделения переменной составляющей реакция u_вых(t) четырехполюсника будет представлять собой периодический сигнал, положительная и отрицательная полуволны которого имеют различные длительности, зависящие от характера нелинейности четырехполюсника. На фиг.1 показан пример прохождения синусоидального сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой 0,15 В устройства, передаточная характеристика u=f(u_вх) которого может быть представлена разложением в ряд Тейлора относительно рабочей точки u₀ и ограниченного первыми тремя членами

u(t)=0,4+4(u_вх(t)-u₀)+11,55(u_вх(t)-u₀)².

По результату u_вых(t), графический вид которого представлен на фиг.1, несложно понять, что длительности положительной Δt₁ и отрицательной Δt₂ составляющих реакции четырехполюсника действительно отличаются. Причем моделирование различных характеристик нелинейностей путем изменения коэффициента перед квадратичным членом вышеприведенного полинома показало наличие строгой взаимосвязи между степенью нелинейности передаточной характеристики и разностью |Δt₁-Δt₂|, которая становится тем больше, чем ярче выражена нелинейность передаточной характеристики.

Из вышеизложенного следует вывод, что числовым показателем гармонических искажений может быть величина, показывающая как отличаются друг от друга длительности положительной Δt₁ и отрицательной Δt₂ полуволн сигнала после нелинейного преобразования при условии, что исходным является гармонический процесс с постоянной амплитудой, частотой и фазой. Значит в качестве практически применимого параметра может быть разность δ_S=Δt₁-Δt₂ или модуль разности δ_S=|Δt₁-Δt₂|, а также и отношение

либо относительное отклонение

Таким образом, измеритель гармонических искажений должен измерять величины Δt₁ и Δt₂ как определяющие переменные для последующих несложных вычислений согласно вышеприведенным формулам.

В устройстве, показанном на фиг.2, моногармонический сигнал, вырабатываемый генератором 1, после прохождения исследуемого усилителя 6 попадает на вход блока 2 разделения полуволн. В указанном блоке, как это видно из его названия, происходит разделение двуполярного сигнала на два однополярных: положительную и отрицательную полуволны. Длительность каждой из них измеряется в одном из измерителей 3, 4 в зависимости от ее знака. В настоящем примере измеритель 3 служит для измерения длительности положительных полуволн, а измеритель 4 для измерения длительности отрицательных полуволн. Результаты измерений Δt₁, Δt₂ направляются в блок 5 сравнения, который в зависимости от выбранного алгоритма сравнения формирует напряжение (код) оценки, несущее информацию о степени различия длительностей Δt₁ и Δt₂, а функционально - о степени внесенных усилителем 6 гармонических искажений.

Необходимо обратить внимание, что если на выходах блока 2 сигналы имеют одну полярность, то измерители 3 и 4 могут быть абсолютно идентичными. Простейшим примером блока разделения полуволн является схема, используемая при построении однофазных двухтактных выпрямителей переменного тока и содержащая трансформатор со средним отводом во вторичной обмотке и два диода. Аноды диодов подключают к противофазным выводам вторичной обмотки, а катоды выполняют роль выходов схемы, средний вывод вторичной обмотки принимается за общий провод. Входной расщепляемый сигнал подают на первичную обмотку трансформатора.

Разумеется, схема блока разделения полуволн может быть и другой, что определяется как воображением разработчика, так и требованиями, предъявляемыми к точности оценки искажений. Возможен вариант, когда блок 2 как самостоятельная структурно-функциональная единица вообще отсутствует. Такая схема приведена на фиг.3, где задействованы два измерителя длительностей полуволн, каждый из которых реагирует только на сигналы «своей» полярности. На объединенный вход измерителей 7 и 8 подают двуполярный сигнал непосредственно с выхода исследуемого усилителя. Особенностью внутренней структуры измерителей 7, 8 являются противоположно включенные компараторы 10 и 12. Первый из них формирует на своем выходе импульсы длительностью, равной длительности положительной полуволны, второй - отрицательной полуволны. Измерители 11, 13 длительностей импульсов одинаковые. Полученные значения величин Δt₁, Δt₂ так же, как и в вышерассмотренном случае, подаются в блок 9 сравнения, выполняющий те же функции, что и блок 5.

Поскольку изменение временных параметров выходного сигнала u_вых(t) можно оценивать не только путем сравнения его разнополярных составляющих между собой, но и сравнивая любую из его полуволн с соответствующей ей полуволной входного сигнала, то несложно придти к схеме, показанной на фиг.4. Измеритель 15 служит для измерения длительности полуволны выбранного знака сигнала u_вых(t), а измеритель 16 для измерения длительности входной полуволны сигнала u_вх(t) вызвавшей наблюдаемую реакцию на выходе. Сравнение измеренных величин происходит в блоке 17 так же, как и в первых двух случаях.

Разумно допустить, что если сигнал задающего генератора (1 или 14) обладает удовлетворяющей конкретным требованиям стабильностью, то можно сравнивать не два измеренных значения, как например Δt₁ с Δt₂, а только одно измеренное значение с эталонным, хранящимся в блоке памяти. В этом случае вышерассмотренные схемы упростятся, в которых вместо двух измерителей будет присутствовать один измеритель и один блок памяти с записанным в нем эталонным значением длительности полупериода тестового моногармонического сигнала. Причем если речь идет о цифровом исполнении устройств, то эталонная величина, представляемая в цифровом коде, на входе блока сравнения может формироваться путем соединения разрядных выводов просто с шиной питания или нулевого потенциала в зависимости от требуемого логического уровня. Таким образом, блок памяти будет состоять из упорядоченного набора простейших соединений разрядных выводов с цепями питания.

Следует подчеркнуть, что все вышеописанные устройства работоспособны только с переменными напряжениями с нулевым средним. По этой причине выходы исследуемых усилителей (четырехполюсников) должны соединяться с информационными входами описанных устройств только по переменному току, например, через разделительные конденсаторы. То же самое относится и к связям генератора моногармонического сигнала со входами исследуемых усилителей (четырехполюсников). Если в выходном сигнале генератора содержится постоянная составляющая, то она также должна быть удалена.

Идеи, представленные в настоящей работе, могут быть использованы и при построении устройств, оценивающих объем нелинейных искажений, вносимых четырехполюсниками при прохождении через них случайных сигналов. Все измерения в этом случае также проводят во временной области, сравнивая между собой длительности одноименных фрагментов входного и выходного сигналов.

1. Способ оценки гармонических искажений (вариант 1), состоящий в подаче на вход исследуемого четырехполюсника моногармонического сигнала, отличающийся тем, что измеряют длительности положительной и отрицательной полуволн переменной составляющей сигнала на выходе четырехполюсника, сравнивают измеренные значения длительностей между собой и по степени их отличия судят о внесенных четырехполюсником гармонических искажениях.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеренные значения длительностей полуволн сравнивают между собой путем определения их разности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеренные значения длительностей полуволн сравнивают между собой путем определения их отношения.

4. Устройство для оценки гармонических искажений, реализующее способ по п.1, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены блок разделения полуволн, два измерителя длительностей полуволн и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служит вход блока разделения полуволн, первый выход которого соединен со входом первого измерителя длительностей полуволн, а второй выход соединен со входом второго измерителя длительностей полуволн, выходы первого и второго измерителей длительностей полуволн подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока вычитания.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока деления.

7. Устройство для оценки гармонических искажений, реализующее способ по п.1, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены измеритель длительностей положительных полуволн, измеритель длительностей отрицательных полуволн и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служат объединенные входы измерителей длительностей положительных и отрицательных полуволн, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока вычитания.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока деления.

10. Способ оценки гармонических искажений (вариант 2), состоящий в подаче на вход исследуемого четырехполюсника моногармонического сигнала, отличающийся тем, что измеряют длительность одной из полуволн на входе исследуемого четырехполюсника, измеряют длительность соответствующей ей полуволны переменной составляющей сигнала на выходе четырехполюсника, сравнивают измеренные значения длительностей между собой и по степени их отличия судят о внесенных четырехполюсником гармонических искажениях.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что измеренные значения длительностей полуволн сравнивают между собой путем определения их разности.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что измеренные значения длительностей полуволн сравнивают между собой путем определения их отношения.

13. Устройство для оценки гармонических искажений, реализующее способ по п.10, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены два измерителя длительностей полуволн и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служит вход первого измерителя длительностей полуволн, вход второго измерителя длительностей полуволн соединен с выходом генератора моногармонического сигнала, выходы первого и второго измерителей длительностей полуволн подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока вычитания.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока деления.

16. Устройство для оценки гармонических искажений, содержащее генератор моногармонического сигнала, выход которого служит тестовым выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены измеритель длительностей полуволн, блок памяти и блок сравнения, выход которого является информационным выходом устройства, информационным входом которого служит вход измерителя длительностей полуволн, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока вычитания.

18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде блока деления.