Анализатор гармоник

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к спектральному анализу электрических сигналов. Цель изобретения - повышение точности измерения - достигается введением цифрового фильтра 6, блока 8 коррекции, пульта 5 управления, блока 4 управления, измерительного блока 1, измерителя 2 входного периода и дешифратора 3. Анализатор гармоник также содержит блок 7 преобразования Фурье и цифровое отсчетное устройство 9. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 G 01 R 23/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (! а

1

l !

1 (54) АНАЛИЗАТОР ГАРМОНИК л

I»

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4449014/21 (22) 27.06,88 (46) 15.07.91. Бюл. ¹ 26 (72) В.Е. Ефремов, А.К. Кравец, С.И. Покрас и B.Ï. Товстюк (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 516969, кл. G 01 R 23/20, 1976.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1323978, кл, G 01 R 23/16, 1987.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к спектральному анализу электрических сигналов.

Изобретение может быть использовано при создании цифровых средств анализа гармонического спектра и измерителей коэффициента гармоник сигнала в широком частотной диапазоне.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора гармоник; на фиг. 2 — структурная схема возможной реализации блока управления; на фиг, 3 — временные диаграммы работы устройства в режиме записи информации; на фиг. 4 — временные диаграммы режима цифровой фильтрации; на фиг. 5 — временные диаграммы работы блока преобразования Фурье.

Анализатор гармоник содержит измерительный блок 1, измеритель 2 входного периода, дешифратор 3, блок 4 управления, пульт 5 управления, цифровой фильтр 6, блок 7 преобразования Фурье, блок 8 кор Ы,, 1663571 A l (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к спектральному анализу электрических сигналов. Цель изобретения — повышение точности измерения — достигается введением цифрового фильтра 6, блока 8 коррекции, пульта 5 управления, блока 4 управления, измерительного блока 1, измерителя 2 входного периода и дешифратора 3. Анализатор гармоник также содержит блок 7 преобразования Фурье и цифровое отсчетное устройство 9. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. рекции и цифровое отсчетное устройство 9, Измерительный блок 1 состоит из входного фильтра 10 нижних частот и подключенных к его выходу аналого-цифрового преобразователя 11 и умножителя 12 частоты, выход которого соединен со входом пуска аналогоцифрового преобразователя 11. Первый, второй и третий выходы измерительного блока 1 образованы выходами аналого-цифрового преобразователя 11, фильтра 10 нижних частот и умножителя 12 частоты.

Вход установки кода ум нож ителя 12 частоты образует установочный вход, а вход считывания информации аналого-цифрового преобразователя 11 — вход считывания кода измерительного блока 1. Цифровой фильтр

6 содержит оперативное запоминающее устройство 13 и накапливающий сумматор-вычитатель 14, информационные входы-выходы и управляющие входы которых подключены к одноименным входамвыходам и входам цифрового фильтра 6 соответственно. Блок 7 преобразования

Фурье включает оперативное запоминаю1663571 щее устройство 15, постоянное запоминающее устройство 16, умножитель 17 и накапливающий сумматор-вычитатель 18, причем соединенные информационные входы-выходы этих узлов образуют информационный выход, а их входы управления — управляющий вход блока 7. Блок 8 коррекции содержит постоянное запоминающее устройство

19 и умножитель 20, входы управления которых образуют управляющий вход блока 8, а информационные входы-выходы умножителя 20, соединенные с выходами постоянного запоминающего устройства 19— информационные входы-выходы блока 8 коррекции.

Вход анализатора гармоник образован входом измерительного блока 1, первый выход которого через шину данных соединен с информационными входами-выходами цифрового фильтра 6, блока 7 преобразования Фурье, блока 8 коррекции и цифрового отсчетного устройства 9, Ко второму выходу измерительного блока 1 подключены последовательно соединенные измеритель 2 входного периода и дешифратор,3, выход которого подключен к установочному входу измерительного блока 1 и второму входу блока 4 управления. Первый вход блока 4 управления соединен с третьим выходом измерительного блока 1, а третий и четвертый входы — соответственно с первым и вторым выходами пульта 5 управления, Выходы блока 4 управления подключены ко входу считывания кода измерительного блока 1, ко входам оперативных запоминающих устройств 13, 15, постоянных запоминающих устройств 16 и 19, ко входам умножителя 17, накапливающих сумматоров-вычитателей 14, 18, ко входам умножителя 20 и цифрового отсчетного устройства 9, На фиг. 2 представлена структурная схема блока 4 управления, который содержит элемент 21 задержки, генератор 22 тактовых импульсов, RS-триггер 23, коммутатор 24, счетчик 25, дешифратор 26, постоянное запоминающее устройство 27 и элементы 2И 28 — 34. Первые вход и выход блока 4 управления образованы входом и выходом элемента 21 задержки, который подключен к первому входу коммутатора 24, Второй и третий входы коммутатора 24 подключены к генератору 22 тактовых импульсов и выходу RS-триггера 23, а выход — к соединенным вторым входам элементов 28—

34 и синхровходу С счетчика 25, вход R сброса которого, соединенный с Я-входом

RS-триггера 23, образует четвертый вход блока 4 управления — вход "Пуск". При этом выход счетчика 25 соединен с первым вхокоэффициента умножения частоты на первых четырех выходах блока 4 управления и

50 первом выходе постоянного запоминающего устройства 27 формируются последовательности импульсов, посредством которых осуществляется соответственно считывание кода аналого-цифрового преобразователя 11 (см. фиг. Зд), формирование N импульсов записи кода из преобразователя

11 в устройство 13 (см. фиг. Зе), формирование сигнала записи и адресов оперативной памяти, а также сброс RS-триггера 23 по

R-входу(см. фиг. Зб, ж, э), В результате цикла записи в оперативное запоминающее ус10

40 дом постоянного запоминающего устройства 27. Разные входы дешифратора 26 образуют второй и третий входы блока 4 управления, которые представляют собой соответственно вход установки кода N количества небходимых цифровых отсчетов на период сигнала и вход задания номера К определяемой гармоники. Выход дешифратора 26 подключен ко второму входу постоянного запоминающего устройства 27, первый выход которого соединен с R-входом RS-триггера 23, а остальные — с соответствующими выходами блока 4 управления, причем второй, шестой, десятый, четырнадцатый, восемнадцатый, двадцать четвертый и двадцать седьмой выходы постоянного запоминающего устройства 27 подключены к выходам блока 4 управления через элементы 2И 28 — 34.

Анализатор гармоник работает следующим образом.

Входной сигнал через фильтр 10 нижних частот поступает.на вход измерителя 2 входного периода, выходной код которого управляет дешифратором 3. На выходе дешифратора 3 формируется код N коэффициента умножения частоты, который поступает на установочный вход умножителя 12 частоты и второй вход блока 4 управления. По сигналу "Пуск" на втором выходе пульта 5 управления блок 4 управления переходит в режим записи информации (см. фиг, За). При этом происходит обнуление счетчика 25, RS-триггер 23 переходит в единичное состояние (см, фиг. Зв), а выходная частота умножителя 12 частоты поступает на вход пуска аналого-цифрового преобразователя 11 (см, фиг. Зг), а также через элемент 21 задержки и коммутатор 24 на синхровход С счетчика 25 (счет производится по положительному фронту) и соединенные вторые входы элементов 2И 28-.34.

Элементы 2И предназначены для формирования тактирующих сигналов, поступающих на синхровходы С различных блоков анализатора гармоник. В соответствии с кодом N

1663571

sin г Кмакс

) — макс

R sin

sin л К R

Й з п (3) (4) тройство 13 синхронно с периодом исследуемого сигнала заносится N цифровых отсчетов.

По окончании цикла записи на выходе

RS-триггера 23 устанавливается нулевой уровень, и на синхровход С счетчика 25 через коммутатор 24 поступает частота генератора 22 тактовых импульсов. В этом режиме происходит обработка результатов измерений.

На первом этапе обработки производится цифровая фильтрация записанных отсчетов сигнала путем вычисления скользящего среднего в соответствии со следующим выражением:

1 Я-1

yq (i) = (х (i — г))я, (1) г =О где x(i-г) — (i-г)-й отсчет входного сигнала; уч(!) — 1-й отсчет на выходе цифрового фильтра;

i = 1„.N — параметр дискретного времени;

R — количество входных отсчетов, по которым производится усреднение сигнала;

q — количество циклов фильтрации сигнала (порядок цифрового фильтра).

Для периодического сигнала, имеющего линейчатый спектр, амплитудно-частотная характеристика соответствующего нерекурсивного фильтра определяется следующим образом;

АКР

sin

Я ()ч, (2) л К и где К вЂ” номер гармоники исследуемого сигнала;

N — количество отсчетов на период сигнала.

Подобная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) является колебательной убывающей функцией параметра К, однако в полосе К (0; — 1 характеристика являетп ся монотонной и фильтры, описываемые выражениями (1) и (2), могут использоваться для подавления высших гармоник. Порядок

q фильтра и количество R усредняемых отсчетов определяются из следующих условий:

«kR,Р, 6kn

«о

«

R 6kn— о

«kP, к,áin

Мс Р Р, Р х

50 R sln —

«kP,Рт

k k „ P, P, . p

N б«

« где S3 — частотная характеристика нерекурсивного цифрового фильтра ц-го порядка;

m = 0,1;..М вЂ” номер цифрового фильтра;

Р1, Р2...PM — коэффициенты децимации;

М вЂ” количество и роизведен н ых децимаций;

qm — порядок m-го фильтра; где К макс — максимальный номер гармоники, которую должен измерять анализатор (фактически, К ма определяет полосу пропуска5 ния).

Ko — номер гармоники, выше которои коэффициент передачи АЧХ цифрового фильтра близок к нулю (Ко определяет границу полосы задерживания фильтра), 10 Sмакс,,S мин — максимальный и минимальный уровни АЧХ фильтра на частотах, соответствующих гармоникам KMgyc и Ко.

Выражения (3) и (4) дают возможность рассчитать порядок q фильтра и длину R

15 усредняемой реализации при заданных остальных параметрах. При этом необходимо учесть, что Ко, Кмб с. q u R должны быть целыми числами. Выполнение условия

К вЂ” 2 р, Где Ко означает, что величиной гармоник с порядковыми номерами, превышающими Ко, можно пренебречь, создает предпосылки для сокращения объема отсчетов. Поэтому после первого цикла фильтра25 ции производится децимация (прореживание) отсчетов сигнала в Р1 раз и проводится повторная цифровая фильтрация прореженных выборок в соответствии с выражением (1), при этом количество обра30 и батываемых отсчетов равно — . Циклически

Р . проводймая децимация отсчетов приводит к существенному сокращению операций фильтрации.

35 Первый этап повторяется до тех пор, пока полоса пропускания суммарной амплитудно-частотной ха рактеристики цифрового фильтра не уменьшится до величины, обеспечивающей устойчивое разрешение

40 заданного количества гармоник спектра исследуемого сигнала

1663571

Rm — количество усредняемых отсчетов

m-го фильтра.

На первом этапе цифровой обработки

I работа устройства сводится к следующему: с учетом кода N, установленного на втором 5 входе блока 4 управления, на его выходах формируются управляющие сигналы для оперативного запоминающего устройства

13 и накапливающего сумматора-вычитателя 14, которые входят в состав цифрового 10 фильтра 6 (см. временные диаграммы режима цифровой фильтрации на фиг. 4). Тактирование счетчика 25 производится по переднему фронту сигнала, а устройства 13 и накапливающего сумматора-вычитателя 15

14 — по заднему фронту на их синхровходах

С (см. фиг. 4а, б, в). На диаграмме цифрами обозначены адреса ячеек памяти, при этом ячейки, в которые заносятся обработанные отсчеты! обозначены О, 1, 2 и т.п, В ходе 20 первого этапа обработки реализуется алгоритм цифровой фильтрации, представленный выражением (1), а в оперативное запоминающее устройство 13 заносятся п 25

N1 = р р Р отсчетов профильтроаанР1 Р2,......РМ ного сигнала. Масштабирование суммы R отсчетов входного сигнала, накопленной в накапливающем сумматоре-вычитэтеле 14, осуществляется посредством операции 30 сдвига вправо (см. фиг. 4г). Масштабный коэффициент, эквивалентный определенному количеству сдвигов, целесообразно закладывать меньшим, чем номинальный множи1 35 тель — (см. i), так как при этом не происходит потери младших разрядов накопленной суммы, оказывающих влияние на точность последующих вычислений.

Таким образом, в результате первого 40 этапа число отсчетов, подлежащих последующей обработке, существенно уменьшается (N1 «N). Затем полученный массив обработанных данных у(!) переносится из оперативного запоминающего устройства 45

13 в запоминающее устройство 15.

На втором этапе обработки в блоке 7 преобразования Фурье производится вычисление амплитуды гармоники, номер К кФ торой поступает на второй вход 50 дешифратора 26,блока управления 4 с первого выхода пульта 5 управления, При реализации алгоритма ДПФ используются следующие выражения:

9» + (!соь — "! а . (!1Ч»(1, (6)

1; i 1<

2!! 2М Еи, 5

b» "- — Х (!! 5!ь — = —,0 ! 1 » (1, (7)

" к,;., i "! 1т1 где а» и Ь» — косинусная и синуснэя составляющие к-й гармоники входного сигнала;

y(i) — отсчеты сигнала, полученные на первом этапе обработки (т.е. после цифровой фильтрации);

N1 — количество отсчетов сигнала после децимации; ф =сов i, у4 =з!и !2лК 2лК

Ni N1 ортогональные составляющие К-й гармоники.

Функционирование анализатора спектра в режиме вычисления амплитуд гармоник входного сигнала иллюстрируется временными диаграммами на фиг. 5, где приведены также подробные пояснения последовательности выполняемых операций. По сигналам на выходах блока 4 управления в умножитель 17 записывается отсчет у(!) из оперативного запоминающего устройства 15, а также код соответствующей ортогональной функции р<(!) из постоянного запоминающего устройства 16, после чего происходит цикл перемножения. Полученное произведение из умножителя 17 поступает в накапливающий сумматор-вычитатель 18,,где формируется !!! сумма произведений, ) . y(I) pK (!) . После

1-1 соответствующего масштабирования код вычисленного коэффициента К-й гармоники записы ва ется в опе рати вное запомина ющее устройство 15, Исходя из вычисленных значений а» и Ь», определяется квадрат амплитуды К-й гармоники + (8)

Вычисления производятся посредством тех же узлов блока 7 преобразования

Фурье, что и выражения (6) и(7). Временные диаграммы для реализации формулы (8) не приводятся.

Величина Ак существенно отличается от истинного значения квадрата к-й гармоники, Это связано с.тем, что амплитудно-частотная характеристика $ цифрового фильтра нижних частот (2) существенно отличается от прямоугольной. То же самое от- . носится и к суммарной амплитудно-частотной характеристике $, определяемой из выражения (6). Для вычисления точного значения квадрата амплитуды к-й гармоники Ак необходимо домножить величину Ак на корректирующий частотный коэффициент Ок: (9) 1663571

«KRo в< «вЂ”

«kR,Р, 5<п й

15 (10) 20

На третьем этапе обработки результатов измерений блок. 8 коррекции производит коррекцию квадрата амплитуды к-й гармоники Ак в соответствии с выражением (9). Величины корректирующих коэффициентов Qk, соответствующие определенному количеству N отсчетов на период входного сигнала и заданному номеру к гармоники, хранятся в постоянном запоминающем устройстве 19. По сигналам на выходах 4, 10, 11, 22-26 блока 4 управления в умножитель

20 блока 8 коррекции записывается код квадрата амплитуды к-й гармоники А из устройства 15 и значение квадрата корректирующего коэффициента Ок из постоянного запоминающего устройства 19, после чего вычисляется их произведение согласно выражению (9). Точное значение квадрата амплитуды к-й гармоники Ак по сигналу на

27 выходе блока 4 управления пересылается иэ умножителя 20 в цифровое отсчетное устройство 9, снабженное устройством извлечения квадратного корня, В результате на индикаторе устройства 9 отображается скорректированное значение Ак амплитуды к-й гармоники.

Посредством взаимодействия пульта 5 управления и блока 4 управления можно организовать поочередную запись в устройство 15 нескольких частотных отсчетов А, а затем последовательный вывод их на цифровое отсчетное устройство 9.

Формула изобретения

1. Анализатор гармоник, содержащий входной Измерительный блок, блок преобраэования Фурье, информационные входывыходы которого соединены через шину данных с кодовым выходом измерительного блока, а также цифровое отсчетное устройство, подключенное к шине данных, о тл ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены цифровой фильтр, блок коррекции, последовательно соединенные пульт управления и блок управления, а также подключенные к первому выходу измерительного блока последовательно соединенные измеритель входного периода и дешифратор, выход которого соединен с установочным входом измерительного блока, информационные входы-выходы цифрового фильтра и блока коррекции подключены к шине данных, третий вход блока управления соединен со вторым выходом измерительного блока, четвертый вход — с выходом дешифратора, а выход блока управления подключен к первому входу измерительного блока и к управляющим входам цифрового фильтра, блока преобразования Фурье, блока коррекции и цифрового отсчетного устройства.

2. Анализатор по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что цифровой фильтр выполнен в виде оперативного запоминающего устройства и накапливающего сумматоравычитателя, информационные входы-выходы и управляющие входы которых подключены к одноименным входам-выходам и входам цифрового фильтра соответственно, 3. Анализатор по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что блок коррекции выполнен в виде постоянного запоминающего устройства и умножителя, входы уп равления которых соединены с управляющим входом блока коррекции, а информационные входы-выходы умножителя, соединенные с выходами постоянного запоминающего устройства, соединены с информационными входами-выходами блока коррекции.

1663571

1663571

1663571 йи „С

Ore Llgvzs .ф Ф 4 бУФ б1УЮ

ЮИб а ы д,И УлУ

IIi7 - д г

"ИФ асб Sg 18 с бУ4 уМ

4 Q о

1 „ ъ ъ. Ь

4 е- о ф ф 1л юа

Составитель Л, Устинова

Редактор В, Фельдман Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Т Колб

Заказ 2264 Тираж 426 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101