Автоматический цифровой измеритель коэффициента гармоник

 

ОП ИСАИ ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ !

Союз Советскнк

Соцналнстнческнк

Республик (ii)911363 (6() Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 1 0038 0 (21) 2891 21 5/1 8-21 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 07.0382, Бюллетень ¹ 9

Дата опубликования описания 07,0382 (51)M.Êë э

С 01 R 23/20

Государственный комитет

СССР, по делам изобретений и открытий

t53) УДК 621. 317. .353. 1 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Ю. Г. Покроев и Н.ф. Жук

1

Ф

Р

Минское производственное объединение Горйзонж. 4

{71 ) 3a яв итель (54 ) АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

КОЭФФИЦИЕНТА ГАРМОНИК

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения малых значений коэффициента гармоник синусоидальных сигналов при измерении электрических параметров интег-ральных микросхем и усилительных устройств °

Известен цифровой измеритель коэффициента гармоник, содержащий Формирователь, умножитель частоты, ключ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два задатчика ортогональных функций, два множительных цифровых устройства, два счетчика, три блока переноса, квадратор, сумматор, устройство извлечения квадратного корня, измеритель отношения кодов и блок управления (1).

Недостатком устройства является невысокая точность измерения коэффициента гармоник при малых его значениях, обусловленная ограничением разрядности современных АЦП.

Наиболее близким к предлагаемому является измеритель коэффициента гармоник, содержащий блок управления, формирователь, умножитель частоты, ключ, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, сумматор, первый блок переноса, блок извлечения квадратного корня и измеритель отношения кодов, задатчик начальной фазы, два задатчика ортогональной

Функции, два множительных блока, два счетчика, два блока переноса, два преобразователя код — напряжение, блок вычитания напряжений и блок забора шкалы (2).

Недостатком этого измерителя являются большие габариты устройства иэ-за требований получения высокой точности измерений,.путем увеличения разрядности АЦП. Кроме того, динамический диапазон измерителя ограничен малыми значениями амплитуд и частот измеряемого сигнала.

Погрешность измерения коэффициента гармоник зависит от уровня подавления в измеряемом сигнале первой гармоники, осуществляемого за счет вычитания из измеряемого сигнала сформированного ортогонального сигнала.

Относительная погрешность измерения J обусловленная погрешностью задания начальной фазы ортогональ911363 ной фазы соединен с входом второго задатчика ортогональной функции, выход которого через первый преобразователь код-напряжение подключен к одному из входов блока вычитания напряжения и через последовательно соединенные второй множительный элемент, второй счетчик, третий блок переноса подключен к третьему входу квадратора, первый вход которого соединен с вторыми входами первого и второго множительных элементов, введены высокочастотный генератор, делитель частоты с перемен(ным коэффициентом деления, блок точной установки начальной фазы, делитель частоты с постоянным коэффициентом деления, импульсный фазовый детектор, блок изменения коэффициента передачи, элемент сравнения, три распределителя импульсов и три регистра набора кодов, при этом вход блока изменения коэффициента передачи соединен с входной клеммой изме» рителя, а его выход подключен к второму входу блока вычитания напряжения и к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с одним из входов импульсного фазового детектора и с входами трех распределителей импульсов, выход первого из которых через первый регистр набора кода подключен к одному из входов делителя частоты с переменным коэффициентом деления, а выход второго распределителя импульсов соединен с первым входом второго регистра набора кода, второй вход которого подключен к выходу первого счетчика, а выход второго регистра набора кода через блок точной установки начальной фазы-подключен к второму входу делителя частоты с переменным коэффициентом деления, третий вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, а выход делителя частоты с переменным коэффициентом деления соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя и с входом задатчика начальной фазы непосредственно и через делитель частоты с постоянным коэффициентом деления - с вторым входом импульсного фазового детектора, выход которого подключен к второму входу первого регистра набора хода, а выход третьего распределителя импульсов подключен к первому входу третьего регистра набора кода, второй вход которого через элемент сравнения соединен с выходом сумматора, а выход третьего регистра набора кода через второй преобразователь код-напряжение соединен с управляющим. входом блока изменения коэффициента передачи.

На чертеже приведена структурная схема измерителя коэффициента гармоник. ного сигнала, может быть найдена из математического выражения: — 2 s1n 100%, где у — угол фазового paccoxmacoaaния первой гармоники и сформированного ортогонального сигнала. При

5 частоте квантования f â, равной

n. fv, где fx частота первой гармоники измеряемого сигнала, и — число отсчетов, взятых из сигнала за период .его первой гармоники, погрешность измерения превышает 6,3%, если п 100. Для получения 8 0,1Ъ необходимо выбирать и >6200, что соответствует $3,5. угловым мин.

Реализация названной точности требует большого объема оперативной и постоянной цифровой памяти. Например, если число уровней дискретизации по амплитуде измеряемого и ортогональных сигналов равно 1000 (десять двоичных разрядов) и ri = 6200, то на построение задатчиков ортогональных функций счетчиков и сумматоров требуется порядка 2,5 млн бит памяти.

ДЛя получения в течение одного 25 периода первой гармоники начальной фазы ортогонального сигнала с точностью до одного отсчета задатчик начальной фазы должен содержать по крайней мере n/4 дешифраторов кодов 30 углов фазового рассогласования, т.е. в памяти названного задатчика необходимо при n = 6200 хранить порядка 1500 кодов, с которыми необходимо сравнивать вычисленный код угла фазового рассогласования. При числе уровня дискретизации по ампли» туде, равном 1000, точность формирования амплитуды опорного сигнала составляет 0,1%, а при числе УРовней 4р дискретизацйи,, равном 100, эта точность не превышает 1В.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерителя в широких динамических диапазонах амплитуд и частотном диапазонах 45. измеряемого сигнала.

Цель достигается тем, что в измеритель, содержащий блок управления, два преобразователя код-напряжение - формирователь импульсов, после- 50 довательно соединенные блок вычитания напряжения, блок выбора шкалы, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, сумматор, первый блок переноса и блок извлечения квадрат- 55 ного корня, последовательно соединенные первый задатчик ортогональной функции, первый множительный элемент, первый счетчик и второй блок переноса, выход которого соединен с щ вторым входом квадратора и с первым входом задатчика начальной фазы, второй вход которого подключен к входу первого задатчика ортогональной функции, а выход задатчика начальх5

911363

После ввода измерителя в синхронизм с частотой первой гармоники измеряемого сигнала блок 33 управления вырабатывает команду на начало введения измерителя в синхронизм по амплитуде. При переходе сигйала

Б„ через нуль начинается вычисление амплитуды первой гармоники измеряемого сигнала. Преобразователь 17 осуществляет квантование измеряемого сигнала с частотой f g, определяемых делителем 3. Коды мгновенных значений напряжения У» измеряемого сигнала с преобразователя 17 поступают на множительные блоки 23 и 28, на вторые входы которых синхронно поступают в цифровой форме значения ортогональных функций с задатчиком

22 и 27. Коды произведений с блоков

23 и 28 с учетом знаков складываются в счетчиках 24 и 29. 3а период исследуемого сигнала в счетчиках 24 и .29 фиксируются значения пропорциональные мнимой и действительной составляющим ад и Ъ4 коэффициентов Фурье для первой гармоники измеряемого сигнала, а именно и Ug Ц1 sing и и Ug П4 соз ф у где n — число отсчетов;

U — амплитуда первой гармоники измеряемого сигнала;

Измеритель содержит первый распределитель 1 импульсов, первый регистр 2 набора кода, делитель 3 частоты с переменным коэффициентом деления, делитель 4 частоты, с постоянным коэффициентом деления, импульсный фазовый детектор 5, высокочастотный генератор 6, второй распределитель 7 импульсов, второй регистр 8 набора кода, блок 9 точной установки начальной фазы, третий распределитель .

10 импульсов, третий регистр 11 на30 бора кода, второй преобразователь 12 код-напряжение, блок 13 изменения, коэффициента передачи, формирователь

14 импульсов, блок 15 вычитания напряжений, блок 16 выбора шкалы, аналого-цифровой преобразователь 17, квадратор 18, сумматор 19, первый лок 20 переноса, блок 21 извлечения квадратного корня, первый задатчик 22 ортогональной функции, первый 20 множительный блок 23, первый счетчик 24, второй блок 25 переноса, задатчик 26.начальной фазы, второй за датчик 27 ортогональной функции, второй множительный блок 28, второй счетчик 29, третий блок 30 переноса, первый преобразователь 31 код-.напряжение, элемент 32 сравнения, блок

33 управления (цепи передачи сигна лов управления не показаны) и входную клемму 34 измерителя.

Устройство работает следующим образом.

В исходном режиме счетчики 24 и

29, сумматор 19 и делитель 4 находят- З ся в нулевом состоянии, в регистры

2,8 и 11 записан код 100...0, к второму входу блока 15 вычитания напряжений подключено напряжение U, =ОВ, на задатчике 26 начальной фазы задано.ЯО, в триггеры делителя 3 40 записан код с соответствующих триг-, геров регистра 8. Измеряемый сигнал через блок 13 поступает на формирователь 14 и на блок 15. При riepexoде напряжения Б через нуль блок 33 4S управления дает разрешение на начало деления частоты генератора 6 последовательно соединенными делителями 3 и 4. Коэффициент деления делителя 4 равен пОстОяннОму числу и, Определя- g0 ющему число отсчетов, которое производится в течение периода первой гармоники из измеряемого сигнала, а коэффициент деления делителя 3 определяется регистром 2. В исходном режиме коэффициент деления делителя

3 был выдан равным 50Ъ от максимально возможного коэффициента. ПО окончанию периода первой гармоники измеряемого сигнала при переходе напряжения вновь через нуль, в следующий Щ за старшим разрядом регистра 2 записывается единица, а триггер стараеIo разряда регистра 2 переписывает на свой выход потенциал с выхода детектора 5. При этом он сохраняет у верхний уровень, равный единице, если частота на выходе делителя вы требуемой и имеет уровень, равный нулю если частота на выходе делителя 4 ниже требуемой Одновременно триггеРы делителя 4 сбрасываютс в нуль, а в триггеры делителя 3 вновь записывается качающий код с регистра 8 через блок 9. Таким образом, в следующий период измеряемого сигнала коэффициент деления делителя 3 будет отличаться от предыдущего на

50%. По окончанию очередного периода в третий триггер регистра 2 записывается единица, а предшествующий ему триггер переписывает на свой выход результат с детектора 5. При этом триггер останется в единице, если частота на выходе делителя 4 выше требуемой и сбрасывается в нуль, если частота на выходе делителя 4, ниже требуемой. Через Х-циклов, где

К вЂ” число триггеров в делителе 3, с выхода делителя 3 будет снят сигнал, частота которого с точностью до одного дескрета равна требуемой частоте квантования Е„6 = и Й» . Для получения точности установки частоты квантования равной 0,19 необходимо иметь в делителе 3 не меньше

10 триггеров, позволяющих получить коэффициент деления от 1 до 2 +" -1=

10 23. Число циклов установки частоты при этом равно 10 » Коэффициент деления делителя 3 и в дальнейшем не изменяется.

911363

U — амплитуда ортогональных сигналов у угол фазового рассогласова- ния измеряемого и ортогональных сигналов.

Произведение n - Ua имеет фиксированное значение и априорно известно.

При выборе и= 2 Uу — 2 ам1 это произведение равно 2 10

Деление числа, представленного в двоичном коде, на число 2 сводится к переносу запятой в коде делимого на (c+d) разрядов в сторону старшего разряда. Эта операция осуществляется с помощью блоков 25 и 30 переноса при поочередной подаче коэффициентов а,, b, на выход квадратора 18. Так как разрядность чисел а, и Ь после их деления на n .Uo не превышает исходной разрядности, то конструктив- 20 но построение квадратора не вызывает трудности . На выходе сумматора 19 формируется код сигнала U . После ввода измерителя в синхронизм по амплитуде и получения ее нормирован- 25 ного значения на входе блока 15 вычитаний напряжений устанавливается напряжение, пропорциональное величине Ц = 2 . Так как элемент 32 сравЧ нения подключен к выходу сумматора gg

19, то текущее значение кода U< сравнивается с кодом 2 . В случае, если

2. код числа U, содержащегося в сумматоре 19, больше кода опорного уровня 22Ч, то код числа (1, должен содержать единицу в разряде, старшем 2 ), либо единицу в разряде 2 Ч и еще хотя бы н одном разряде, старшем 2Ч.

Действительно (2Ч+р) =2 ) +2 ° 21 -р+р =2 +2 ° р+р где . р — любое натуральное число, от- 40 личное от нуля. Таким образом, элемент сравнения выполняет функции дешифратора, анализирующего наличие единицы в разрядах сумматора 19, старших 2 ", либо в разряде 2 С и 45 еще хотя бы в одном разряде, старшем 2 разряда.

В течение числа периодов измеряемого сигнала, равного числу разрядов делителя 3, начальная фаза изменяется в пределах одного периода частоты квантования. Работа регистра 8 аналогична работе регистра 2.. По окончании циклов точной установки

Результат сравнения кодов в виде потенциального уровня поступает на управляющий вход третьего регистра

11 набора кода. Регистр 11 через второй преобразователь код-напряжение управляет коэффициентом передачи блока 13 изменения коэффициента передачи. Алгоритм работы регистра 11 аналогичен рассмотренному выае алгоритму работы регистра 2. Через число периодов измеряемого сигнала,равное числу разрядов регистра 11, код амплитуды первой гармоники на входе преобразователя 17 имеет величину, равную величине 8 и значит измеритель введен в синхронизм по амплитуде с первой гармоникой измеряемого

Э сигнала °

Одновременно на выходе второго блока переноса появляется сигнал

0 sin j>. Так как величина П» фиксирована, то код числа U ° sing однозначно задает код угла фазового рассогласования у первой гармоники и

-ортогональной функции. Задатчик 26 в соответствии с этим кодом ставит начальный адрес генерируемых ортогональных функций.

Число дешифраторов кодов угла фазового рассогласования при введении системы в синхронизм по фазе в течение одного периода измеряемого сигнала необходимо иметь n/4 элементов сравнения (дешифраторов). Это число существенно сокращается при постепен-" ном вводе измерителя в синхронизм.

Например, если допустить, что вхождение в синхронизм может осуществляться в течение 4 периодов, то,настроив четыре элемента сравнения на коды углов фазового рассогласования

0...1,1....2, 2...8 и 8...14, за время первого периода можно осуществить установку начальной фазы в пределах +(0....2) дискретов ° За время второго периода можно осуществить вхождение в синхронизм в диапазоне (3...19) дискретов, за время 3-го и 4-ro периодов соответственно в диапазонах +(20...36) и +(37. ° .53) дискретов, что соответствует числу отсчетов п = 453 = 212. В случае, если необходимо иметь больше 212 или необходимо сократить число циклов вхождения в синхронизм задатчика 26, измеритель должен иметь большее количество элементов сравнения. При этом каждый раз после установки новой начальной фазы осуществляется вычисление величины U< -sin p ° Знак кода U, в1п9 показывает направление (плюс или минус) сдвига начальной фазы ортогональной функции. Задатчики 22 и 27 жестко связаны между собой и разность фаз между -генерируемыми или функциональными сигналами всегда равна 90 °

После установки задатчиком 26 грубого значения начальной фазы блок .33 управления выдает команду на блок точной установки фазы. При этом сигналом управления для второго регистра 8 является знаковый разряд, поступающий с второго блока переноса.

Регистр 8 задает блоку 9 точной установки фазы код, который должен быть зарегистрирован в момент сброса делителя 3 при переходе U„ ÷åðåç ,нуль.

911363

10 начальной фазы погрешность ее установки определяется выражением

100%/и К, рой блок. переноса, выход которого соединен с вторым входом квадратора и с первым входом задатчика начальной фазы, второй вход которого подключен к входу первого задатчика ортогональной функции, а выход задатчика начальной фазы соединен с входом второго задатчика ортогональной функции, выход которого через первый преобразователь код. — напряжение подключен к одному из входов блока вычитания напряжения и через последовательно соединенные второй множительный элемент, второй счетчик,. третий блок переноса подключен к третьему входу квадратора, первый вход которого соединен с вторыми входами первого и второго множительных элементов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей измерителя в широких динамических и частотном диапазонах, в него введены высокочастотный генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, блок точной установки начальной фазы, делитель частоты с постоянным коэффициентом деления, импульсный фазовый детектор, блок изменения коэффициента передачи, элемент сравнения, три распределителя импульсов и три регистра набора кодов, при этом вход блока изменения коэффициента передачи соединен с входной клеммой измерителя, а его выход подключен к второму входу блока вычитания напряжения и к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с одним из входов импульсного фазового детектора и с входами трех распределителей импульсов, выход первого из которых через первый регистр набора кода подключен к одному из входов делителя частоты с переменным коэффициентом деления, а выход второго распределителя импульсов соединен .с первым входом второго регистра набора кода, второй вход которого подключен к выходу первого счетчика, а выход. второго регистра набора кода через блок точной установки начальной фазы подключен к второму входу делителя частоты с переменным коэффициентом деления, третий вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, а.выход делителя частоты с переменным коэффициентом деления соединен с вторым входом аналого-цифрового преОбраэователя и .с входом задатчика начальной фазы непосредственно и через делитель частоты с постоянным коэффициентом деления — с вторым входом импульсного фазового детектора, выход которого подключен к второму входу первого регистра набора кода, а выход третьего .распределителя импульсов подключен к первому входу третьего регистра набора кода, вто« где К -. коэффициент деления делителя

3. При К = 1000 независимо от числа и точность установки начальной фазы будет выше 0,1Ъ. Для точной установки начальной фазы не требуется ус-. танавливать высокое значение числа и.

Частота квантования К„а = и f> может быть выбрана в соответствии с теоремой Котельникова, исходя из то го, что при измерении можно, начиная с i-того номера гармоники, пренебречь влиянием старших гармоник. Например, для высшей гармоники, имеющей порядковый номер 32 или 64, число и необходимо выбирать соответственно 64 и 128 или в двоичном коде 2

27

После введения измерителя в син- 20 хронизм по частоте, амплитуде и фазе с измеряемым сигналом, блок управления 33 выдает команду на непосредственное измерение коэффициента гармоник. В блоке 15 вычитания измеря- 2 емого сигнала вычитается опорное (значение, соответствующее первой гармонике. При возведении в квадрат и последующем сложении мгновенных значений результатов преобразованных в код сигналов, преобразователем 17 формируется величина, равная мощности ста1ших гармоник, увеличенная в и раз, т.е. формируется код, равный

U3 + Ue+ ° ° ) °

1 1 2.

Этот код через первый блок 20 переноса, в котором осуществляется деление на и (переносе запятой íà m разрядов в сторону старшего разряда) и на величину U„ = 2 Ч (перенос запятой 49 еще на 2Ч разрядов), поступает на блок -11 извлечения квадратного корня, на выходе которого получается код коэффициента гармоник.

В блоках вместо двоичного кода может использоваться двоично-десятичный код. В этом случае необходимо задавать величины п.,Ц,и Uq кратHHMH 10 °

Формула изобретения

Автоматический цифровой измеритель коэффициента гармоник, содержащий блок управления, два преобразова- 5S теля код - напряжение, формирова-. тель импульсов, последовательно соединенные блок вычитания напряжения, . блок выбора шкалы, аналого.-цифровой преобразователь, квадратор, сумматор, g() первый блок переноса и блок извлечения квадратного корня, последовательно соединенные первый задатчик орто" гональной функции, первый множитель» ный элемент, первый счетчик и вто-, .д

91136 3

Составитель Л. Муранов

Техред М. Гергель Корректрр С. Шекмар

Редактор Л. 1ратилло

Тираж 719 Подписное

BHHHIlH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раувюкая наб., д. 4/5

Заказ 1114/32

Филиал ППП Патент, г. ужгород, ул. Проектная, 4. рой вход которого через элемент сравнения соединен с выходом сумматора, а выход третьего регистра набора кода через второй преобразователь код -напряженке соединен с управляющим входом блока изменения коэффициента передачи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

В 379882, кл. G 01 R 23/20, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

9 564606, кл. G 01 R 23/20, 1975 (прототип) .