Анализатор гармоник

 

Изобретение относится к электроизмерительной и аналого-цифровой вычислительной технике и предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала, а также коэффициента нелинейных искажений сигналов и устройств. Анализатор гармоник содержит интеграторы 1-4, сумматор 5, компаратор 6, аналоговые ключи 7-21. Изобретение расширяет функциональные возможности анализатора путем дополнительного вычисления коэффициента нелинейных искажений электрического сигнала К Т ни . к/ где и , и и - действующие значения первой и высших (К , 2) гармоник соответственно. 1 кл., 1 табл. .L х 10. :f

СООЗ CGBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .

РЕСПУБЛИК (Ю 4 G 01 23/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 815669 (21) 3933113/24-21 (22) 23.07 ° 85 (46) 23,10.87. Бюл. У 39 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина) (72) В. А. Семенов, А. М, Смирнов и Е, П. Угрюмов (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 815669, кл. G 01 R 23/16, 1981.

Времяимпульсные вычислительные устройства. /Под ред. В, Б. Смолова и Е. П. Угрюмова. - И.: Радио и связь, 1984, с. 141-142.

° я0 д л@ A 2 (54) АНАЛИЗАТОР ГАРМОНИК (») Изобретение относится к электроизмерительной и аналого-цифровой вычислительной технике и предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала, а также коэффициента нелинейных искажений сигналов и устройств. Анализатор гарМоник содержит интеграторы 1-4, сумматор 5, компаратор 6, аналоговые ключи 7-21. Изобретение расширяет функциональные возможности анализатора путем дополнительного вычисления коэффициента нелинейных искажений электрического сигиала К =Я ут/р н . „к где U u U действующие значения первой и высших (К >, 2) гармоник соответственно. 1 ил., 1 табл.

1347033 к,„= „ )и,, Кв2 (1) 30 где U u U — действующие значения первой и высших (К > 2) гармоник соответственно.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого анализатора.

Анализатор содержит первый — четвертый интеграторы 1-4, сумматор 5, 40 компаратор 6, первый — пятнадцатый аналоговые ключи 7-21. Выход сумматора 5 через первый аналоговый ключ

7 соединен с входом первого интеграTopG 1 Выход KGTopoFo соединен с 45 входом второго интегратора 2 через второй аналоговый ключ 8 и с первым выходом анализатора через третий аналоговый ключ 9. Первый вход сумматора 5 через четвертый аналоговый ключ 0

10 соединен с первым входом анализатора. Второй вход последнего через пятый аналоговый ключ ll соединен с входом третьего интегратора 3, выход которого через шестой аналоговый ключ соединен с вторым выходом анализатора. Входы начального значения интегрирования интеграторов 1-4 через соответственно седьмой — девятый и пятИзобретение относится к электроизмерительной и аналого-цифровой вычислительной технике, предназначено для нахождения линейчатых амплитуд" б ного и фазового спектров периодического аналогового сигнала, а также коэффициента нелинейных искажений сгггналов и устройств, может найти применение в составе различного рода ин- 1р формационно-измерительных и управляющих комплексов и систем, в качестве автономного устройства для гармонического анализа различного вида электрических колебаний либо колебаний другой физической природы, преобразованных в электрические, при аппаратурном определении коэффициента нелинейных искажений усилительных устройств и коэффициента несинусоидальности в системах электроснабжения и является усовершенствованием изобретег!ия по авт. св, Р 815669.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей анализа- 2 тора путем дополнительного вычисления коэффициента нелинейных искажений элект рического сигнала надцатый аналоговые ключи 13-!5 и 21 и второй вход компаратора 6 соединены с общей шиной анализатора. Вход управления коэффициентом передачи сумматора 5 соединен с четвертым входом анализатора. Второй вход сумматора 5 через десятый аналоговый ключ

16 соединен с выходом второго интегратора 2, через одиннадцатый аналоговый ключ 17 — с выходом четвертого, интегратора 4 и через двенадцатый аналоговый ключ 18 с первым входом компаратора 6. Выход первого интегратора через четырнадцатый аналоговый ключ 20 соединен с первым входом компаратора 6 и через тринадцатый аналоговый ключ 19 с входом четверто

ro интегратора 4. Входы управления коэффициентами интегрирования интеграторов 1 и 2 соединены с третьим входом анализатора, Анализатор работает следующим образом.

Амплитуда и фаза и гармоник и коэффициент нелинейных искажений вычисляются за время цикла, который состоит из п подциклов, В первом подцикле вычисляются амплитуда и фаза п-й гармоники, во втором — амплитуда и фаза и-1 -й гармоники и величина U „+ 0,, в третьем - амплитуда и фаза (n-Z)-й гармоники и величина „ +U „,+U „ далее в (n-1)-м подцикле вычисляют1 ся амплитуда и фаза второй гармоники и вели IHHBf U и в п-и иедцивгге вее, Я

Кв вычисляются амплитуда и фаза первой гармоники. Таким образом, в первых (п-1) подциклах алгоритм функционирования анализатора остается неизменным: в i-м подцикле (1 i n) вычисляются амплитуда и фаза (n-i+1)-й

Е1 ие гармоники и величина U „. ВычисК вгт-l е-1

I ление амплитуд гармоник по порядку от высших к низшим не является прин ципиально необходимым, но повышает точность вычисления коэффициента нелинейньгх искажений.

Особым является и-й подцикл, в котором вьгчисляются амплитуда и фаза первой гармоники и коэффициент нелинейггых искажений (2) 3 134 где М вЂ” масштабный коэффициент по кно коэффициенту нелинейных искажений (В).

Рассмотрим работу анализатора в некотором i-м подцикле (1 + i (п).

Такой подцикл состоит из пяти тактов различной длительности. Обозначение вида 0„ в дальнейшем соответствует началу отсчета времени в j-м такте (1,) с 5).

В первом такте на первом — третьем интеграторах 1-3 анализатора устанавливаются нулевые начальные условия, что достигается замыканием ключей 13-15 на время, достаточное для полного разряда конденсаторов интеграторов. В первом такте первого подцикла, кроме этого, устанавливаются нулевые начальные условия на четвертом интеграторе 4 (с помощью ключа 21), Во втором такте вычисляются коэффициенты разложения входного сигнала в ряд Фурье Uд к и U „, Для этого генератор синусно-косинусного напряжения переводится в режим вычисления коэффициентов ряда Фурье, При этом первый 1 и второй 2 интеграторы и инвертор 5 соединяются замыканием ключей 7, 8 и 16 в "кольцо", а входной сигнал U,„„(t) через замкнутый ключ 10 поступает на вход генератора синусно-косинусного напряжения.

Если входной сигнал подается на вход генератора в течение одного периода входного напряжения Т, по окончании этого периода напряжения на выходах первого и второго интеграторов численно равны амплитудам косинусной и синусной составляющих К-й гармоники входного сигнала, т.е. коэффициентам

Фурье U.к и 0в к

В третьем такте в момент времени

Т (от начала второго такта) входной аналоговый ключ 10 размыкается — генератор переходит в режим преобразования координат. В этом режиме при прохождении выходным напряжением второго интегратора через нуль от плюса к минусу (относительно общего вывода) в некоторый момент времени t напряжение на выходе первого интегратора равно амплитуде К-й гармоники, а временной интервал от начала такта до

C момента времени t пропорционален фазе (К-й гармоники. Продолжитель ность третьего такта — величина пе7033 ременная, изменяющаяся в пределах

Т1 (Π— — ), где m — номер гармоники, В момент времени t получают (3) При настройке генератора в третьем такте на m-ю гармонику

v„(t ) = - = - { = м {4) Получают, что масштабный коэффициент по фазе

3Î а т v в Г 21(m раб (5) В четвертом такте момент времени

t определяется компаратором 6, сиг1

35 на изиру ощим î его наступлении пеРепадом напряжения на выходе. Сигналом с выхода компаратора замыкаются ключи 9 и 12, а ключи 7, 8 и 11 размыкаются, переводя интеграторы в ре4О жим хранения. Напряжения U с выхо,к да первого интегратора и с выхода третьего интегратора переписываются в регистрирующее устройство.

В пятом такте вычисляется величи45 на, пропорциональная действующему значению всех вычисленных высших гармоник. Генератор синусно-косинусного напряжения работает так же, как и в третьем такте, в Режиме преобра о зования координат, но место второго интегратора в 11кольцо" занимаЕт чет- вертый интегратор.

В некоторый момент времени t определяемый иэ системы

U., (t") = О, а и. (с )),„, dt

5 на которую настроен генератор синусно-косинусного напряжения в третьем такте. Для увеличения быстродействия анализатора генератор обычно настраивают путем подачи соответствующего кода N, управляющего блоком цифровой управляемой проводимости, на третий вход анализатора.

С помощью интегратора 3 указанный временной интервал преобразуется в

)5 пропорциональное ему напряжение

U,(t) =a aU

U,(t ) =.,„(О, ),„(05

U (О ) — 0, v (о,) =I) — v, 30

U (1. ) — О (7) ь из (6 ) получают

v (") = + v

v, (о,) = )(v„(t.") =Я „, (=1

5 134 т.е. в момент времени t выходное напряжение первого интегратора переходит через нуль, меняя знак с минуса на плюс, напряжение на выходе четвертого интегратора равно

Определение момента 1" осуществля. ется компаратором 6, который подключается с помощью ключа 20 к выходу первого интегратора (ключ 18 разомкнут), Выходное напряжение первого интегратора в начале пятого такта

U „(0 ) равно амплитуде вычисляемой

К-й гармоники.

В первом подцикле (вычисляется п-я гармоника) интегратор 4 исходно обнулен (в первом такте) U(t )=U(0)=U

В момент времени t пятый такт и с ним весь подцикл заканчиваются.

Таким образом, на червертом интеграторе сохраняется значение амплитуды и-й гармоники.

Во втором подцикле к началу пято- го такта на первом интеграторе находится значение амплитуды (п-1)-й гармоники, а на четвертом — сохраненное с предыдущего подцикла значение первой гармоники. Тогда по окончании пятого такта второго подцикла на выходе четвертого интегратора запоминается напряжение

В каждом новом подцикле напряжение на выходе четвертого интегратора векторно суммируется с амплитудой, вычисляемой в этом подцикле гармоники.

В (п-1)-м подцикле т.е. напряжение на выходе четвертого интегратора к концу пятого такта (n-1)-го подцикла пропорционально действующему напряжению суммы высших гармоник со второй по п-ю включитель" но.

В и-м подцикле вычисляются амплитуда и фаза первой гармоники и собственно коэффициент нелинейных искаже7033 6 ний анализатора. Первый — третий так" ты Этого подцикла не имеют отличий в выполнении от предыдущих .подциклов— выполняются вычисление и выдача Во внешние устройства амплитуды U, и фазы 9 первой гармоники. На первом интеграторе к концу третьего такта хранится напряжение, равное амплиту- де первой гармоники 11,. В четвертом такте выполняется подготовка — устанавливаются нулевые начальные условия на третьем интеграторе 3.

В пятом такте замыкаются ключи 11, 17-19, ключи,7, 8, 10, 16 и 20 разомкнуты. При этом первый, третий и четвертый интеграторы образуют структуру множительно делительного устройства на основе развертывающих систем (2).

Напряжение на выходе четвертого ин- тегратора в этом такте описывается выражением

U „(t)=U (О ) а . U„(0 ) 1, (6) где а — коэффициент передачи четвер& -1 того интегратора, с

Таким образом,.начальное напряжение на четвертом интеграторе описывается постоянным напряжением

U, с выхода первого интегратора, находящегося в режиме хранения.

В момент времени с, в который

Б (О-) = а 11 (0 ) t" или с учетом начальных значений (о,) = Б

I v

50 б т.е. интервал от начала такта до момента t определяемого из (7), пропорционален коэффициенту нелинейнйх искажений.

Указанный интервал преобразуется в этом же такте в напряжение третьим интегратором 3, который интегрирует опорное напряжение на интервале 0, t 1.

1347033

U„(t, ") = à, U t" = а х

5 U

U х а 1 =М . К„.

real, 1 (8) Подцикл/ Режим работы и реализуемые зависимости такт амыкание ключей а и ко

Начальная установка интеграторов l — 4 0 0 0 0 13,14,15, 21 — U (t) cos2tin — dt; 11 А 1- В

1/2

2 t

U (t) sin 2нп — dt

Sh T

1/3

U0U0 78 ll !

6,18

U„= M„(arctg (— ") + шТ11.

U 0 9,12

Ч,h

1/4

0 0

Запись U: Uz Ä

Ч, Передача (Uz„= U „)U

1/5

0 0 U 13 14 15

h, h-

Начальная установка интеграторов 1-3 0 т — — (t)cos гв i — dt;

2 t т, T

U, U. 0 U,781016

i/2

Получают масштабный коэффициент по коэффициенту нелинейных искажений

М кнч а о б

В момент t" замыкается ключ 12 ° передавая напряжение, пропорциональное К„„, на второй выход анализатора, Интегратор 3 в шестом такте находится в режиме хранения (ключи 11 и 15 разомкнуты). Далее цикл вычислений повторяется сначала.

И таблице приведены операции„ воспроизводимые анализатором,и состояния аналоговых ключей в каждом акте работы предлагаемого анализатора.

Анализатор вычисляет как амплитуду и фазу отдельных гармоник, так и коэффициент нелинейных искажений— интегральную величину, характеризую щую весь периодический сигнал.

Формула изобретения

Анализатор гармоник по авт. св.

Р 815669, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей анализатора, в него дополнительно введены четвертый интегратор, десятый-пятнадцатый аналоговые ключи, причем второй вход сумматора через десятый аналоговый ключ соединен с выходом второго интегратора, через одиннадцатый аналоговый ключ - с выходом четвертого интегратора и через двенадцатый аналоговый ключ - с первым входом компа20 ратора, выход первого интегратора через четырнадцатый аналоговый ключ соединен с первым входом компаратора и через тринадцатый аналоговый ключс входом четвертого интегратора, вход

25 начального значения интегрирования которого через пятнадцатый аналоговый ключ соединен с общей шиной анализатора, 10

Продолжение таблицы

1347033! и реализуемые завис

U = — ) U (t)sin 2 К i — dt, 2 о 1

s! T вх

T о

i/3

U . 0

U U . 7 8, 1 l, 16,18

U . = М (arctg †" + m1i)

U6

Ч,i у

Запись и Uч !

U 0 г!, C

0 0 U„. U . 7 17,19>

n/1

Начальная установка интеграторов 1-3

2 т

Цл U!!Ä (t)cos 23 — dt;

t — (t) sin 2_#_! — dt

2 t

T) в

T о и.„=Г „, +

0 0 0 3„ 13,14,l5

U„, 7,8,10,16

n/2

П „0

n/3

U 0

U U 7,8,11, 16,18

Uч = М (arctg (— в "-) + тпл)

Uü!

Ч,! у U

Д!

0 0 U 15

n/4

Начальная установка интегратора 3

n/5

0 U 0 11,17 18, 19 и/6

Запись U, 0 Uk 0 12

Составитель В. Смолин

Редактор И. Горная Техред H Попович Корректор31. Пилипенко

Заказ 5117/44

Тираж 729 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4