Способ определения характеристик гармонического сигнала

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении универсальных приборов для измерения-характеристик гармонических сигналов в инфранизком диапазоне частот, обладающих высокой помехозащищенностью и оперативностью. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения частоты сигнала и расширения частотного диапазона измерения амплитуды, постоянной составляющей и начальной фазы CHI нала . Она достигается тем, что по способу, основанному на измерении среднего значения сигнала и двух средних значений произведений измеряемого сигнала на опорные сигналы, изменяющиеся по законам синуса и косинуса, образуют сигнал из этих величин , являющийся функцией частоты, последовательно изменяют частоту опорного сигнала до получения максимального значения сформированного сигнала, при котором частоту опорного сигнала принимают за результат измерения, и определяют амплитуду , начальную фазу и постоянную составляющую сигнала. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 6 01 Я 23/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4834723/21 (22) 23,04.90 (46) 07.09.92. Бюл. ¹ 33 (72) М.Я. Минц и В.Н.Чинков (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1255945, кл. G 01 8 19/04. 1986.

Авторское свидетельство СССР № 1562862, кл, G 01 R 23/00, 1988. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении универсальных приборов для измерения-характеристик гармонических сигналов в инфранизком диапазоне частот, обладающих высокой помехозащищенностью и оперативностью.

Цель изобретения — расширение функциоИзобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к измерению характеристик гармонического сигнала — частоты, амплитуды, фазы и постоянной составляющей в условиях помех.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет определения частоты сигнала и расширения частотного диапазона измерения ал1плитуды, постоянной составляющей и начальной фазы сигнала.

Сущность способа состоит в следующем, Пусть исследуемый сигнал, характеристики которого измеряются, описывается выражением

U(t) = 0 (t) =g (т), (1) где Оо(т)-.. А cos(в t+ 7)+ Ap = Ах cos а +

+Ау sin и т + Ао; (2) „„Я „„1760470 A1 нальных возможностей за счет определения частоты сигнала и расширения частотного диапазона измерения амплитуды, постоянной составляющей и начальной фазы сигнала. Она достигается тел1, что по способу, основанному на измерении среднего значения сигнала и двух средних значений произведений измеряемого сигнала на опорные сигналы, изменяющиеся по законам синуса и косинуса, образуют сигнал из этих величин, являющийся функцией частоты, последовательно изменяют частоту опорного сигнала до получения максимального значения сформированного сигнала, при котором частоту опорного сигнала принимают эа результат измерения, и определяют амплитуду, начальную фазу и постоянную составляющую сигнала. 1 ил.

А, со, V — амплитуда, круговая частота и начальная фаза гармонической составляющей сигнала:

Ао — постоянная составляющая сигнала;

Ах = А соз Ð, Ау = А sin V синфазная и квадратурная составляющие амплитуды А гармонического сигнала;

$ (t) — аддитивная помеха, некоррелированная. с сигналом.

Определим характеристики сигнала Ах, Ау, Ао из условия минимума погрешности, вносимой пол ехами, т.е. по критерию минимума среднеквадратического отклонения:

Т/2 2 1 Т/2 — 3 (U(t)-Up(t)3 d t = —,/ (U(t)-Ах х

" т/г . "-т/г

xcosc0t — АуslnNt Ap3 d t, (3) и г где Ах, Ау, Ap,ш — оценки характеристик Ах, Ay, Ap, о) сигнала U(t), минимизирующие погрешность, 1760470

0с = АхС + АоС.,{15)

Подставим равенство (6) в виде А =

=U,— АхС и равенства (14), (15) в формулу (13), получим

Р = U — А4 $ +АхС +(О AxC) — 2Ax(UC+Ax{C—

С )) — 2(0-Ах С)0+2Ах(0-AxC ) -Ay32 л

Подставляя в эту формулу соотношения (4), (5), перейдем к измеряемым величинам

С2 С2 Яг ()

Для определения частоты во сигнала необходимо определить минимум функции

2 . Однако, поскольку разность величин

U -02 не зависит от частоты в, то вместо этого можно определить во из условия максимума функции

25 (8) (18) (9) 30

35 (10) 40 — среднее значение квадрата опорного сигнала cos вт за время Т: 45

Яя — f sin rvt d t — (1 — ) (12)

1т 2 2 1 э!пвТ

Т-т/г 2 в — среднее значение квадрата опорного сигнала sin в 1 за время Т. 50

Подставляя соотношения (4), (5), (6) в формулу (3), полУчим

Я = 0 A xC + А yS — А î-2AxUc2 2 2 "2 2 "2

-2AyUs 2ApU+2AxC. (13)

«Из равенства (5) запишем

Us = AtSЯ, (14) а иа аыражеаия(4)

0с Ax(C — С )+UC = ANC +C(U ANC ) или C учетом соотношения (6) получим

Определим вначале величины Ax Ay. Ao.

Они находятся иэ условий

aP, aP а2 дАх,BAv дАо

Решение этой системы ведет к следующим результатам: ям

Uc — 0 С

Aõ

Сг -Сг

А = ; (5)

У == :

U С -Uc С

Ао =-0 Ах С 2 2 (6) с — с

1 т/2

0 =Т J 0(t)dt (7) — т/2 — среднее значение сигнала U(t) за время измерения Т;

1 т/2

Uc=- ) U(t) cos cut d t

Т / — усредненное за время Т значение произведения измеряемого U(t) и опорного cas cut сигн алов;

1 т/г

Us= — / U(t) sm(ut d t

Т т/г

-усредненное за время Т значение произведения измеряемого U(t) и опорного sin

Nt сигналов;

1 т/2

2 . вТ

С=„ / cosmt d t sin ——

Т /2 вТ 2 — среднее значение опорного сигнала cos вт за время Т;

2 1т 2 — со(т t d t =1 (1 + э) и в Т )

-т/г 2 в или после преобразований

F. = U -U — Ах(С вЂ” С ) — А S (16) 0 0.-0 С +0

0() (Р-C»} S т.е, U(в )= 0(No). ) (19) срормулы (4), (5), (6), (7), (8), (9). (18), (19) определяют суть предлагаемого способа, который сводится к выполнению следующих операций.

1. Задают определенное, например минимальное для данного диапазона, значение опорной частоты си

2, Измеряют величины U 0с и Us в соответствии с формулами (7), (8), (9).

3. Определяют численные коэффициенты С, С, S при цифровых измерениях или формируют постоянные налря>кения, пропорциональные этим коэффициентам, при аналоговых измерениях согласно выражениям (10), (11), (12).

4. По полученным в и. 2, 3 величинам О, Uc, Us. С, С, S определяют величину 0(в ) или образуют постоянное напряжение, пропорциональное 0(в );

5. Повторяют пп. 1-4 для последовательно перестраиваемых значений частоты в опорного сигнала до условия получения.

max 0(в ) =0(во) при некотором значении частоты м=во

6. Находят величины Ах(в p), Ay(в o), Ap(во), соответствующие частоте во .

7. Определяют. амплитуду

А = At((up ) + Ay (Во ) и начальную фазу

1760470

V= arctg — —

Ау (щ 1

) (Npp) 1

+ х

k — N

Uk С0З ka;

+ к=-и

55 гармонической составляющей сигнала U(t).

Способ может быть реализован в аналоговом и цифровом виде, однако более простой я вляется цифровой вариант устройства. В этом случае форл1улы (7) — (12) принимают вид

us= — uk sin k а, c>i+,, 2 14+1

1 ц $)n 2 а

C= 2- Д-, cos k а- а, k= — N (2 N + 1) sln— г г 1 р 1 sin 2 Л1 + 1 ) а уи т х cos ka2(1+ 214+ 1 гд,а)

1 4 ъ 1 sin 2 N + 1 а

2)Ч+1 « sin. ka г(2N+1 в па)

k= — N где a=mht, Осуществление заявляемого способа может быть описано достаточно обобщенной схемой устройства, представленной на чертеже.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 2, процессор 3, блок 4 управления и блок 5 отображения информации.

Сигнальный вход АЦП 1 является входом устройства, вход запуска АЦП 1 подключен к первому выходу блока 4 управления, а информационный выход АЦП

1 соединен с информационным входом 03У

2, адресный вход которого подключен к второму выходу блока 4 управления. Выход

ОЗУ2 соединен с информационным входом процессора 3, управляющий вход которого подключен к третьеему выходу блока 4 управления, а выход процессора 3 соединен с блоком 5 отображения информации.

Функциональное назначение всех узлов прибора однозначно определяется их названием. Укажем только, что блок 4 управления служит для заданя моментов дискретизации тк = К Л t (K = -N, N) входного сигнала и их числа (2M+1), а также для задания адресов при записи кодов UK = U(tK) 0

ОЗУ 2 и синхронизации работы всех узлов устройства.

Исследуемое напряжение 0(1) поступает нэ ЛЦП 1, которым осуществляется преобразование его мгновенных значений в моменты дискретизации tl; в процорциональные коды Uy, = U(ty) = 0(К Л t). Моменты дискретизации тк задаются блоком 4 управления, на выходе которого формируются в эти моменты сигналы запуска, подаваемые на вход запуска АЦП 1, и коды адреса ОЗУ

2 для записи очередного кода Ок. После записи всех 2N+1 кодов Ок в 03У 2 завершается первый этап и начинается второй этап измерений. На этом этапе по сигналам блока управления коды Ок списываются из

ОЗУ 2 и вводятся в процессор 3, где производится сначала определение велузин. U

Uc, Us и численных коэффициентов С С S по заданному значению частоты опорного сигнала, а затем находят значение величины U(а ) согласно выражению (18). Затем зэда1от новое значение частоты ab и повторяют предыдущие операции. Так продолжается до получения максимального значения величины max U(в ) = U(mo), при этом получают результат измерения частоты и О.

После этого переходят к третьему этапу измерений, в ходе которого определяют величины Ах(mo), Ау(и)o), а затем амплитуду и начальную фазу гармонической составляющей сигнала

Коды всех измеренных величины выводятся с процессора 3 в блок 5 отображения информации.

Таким образом, использование предлагаемого способа определения характеристик гармонического сигнала обеспечивает возможность определения характеристик гарл1онического сигнала в широком частотном диапазоне, т.е. инвариантность результатов измерения амплитуды, начальной фазы и постоянной составляющей сигнала к частоте и возможность определения частоты гармонического сигнала.

Формула изобретения

Способ определения характеристик гармонического сигнала, заключающийся в измерении среднего значения сигнала за произвольно заданное время и двух средних значений за то же время произведений измеряемого сигнала на опорные сигналы, изменяющиеся по законам синуса и косинуса, определении по ним квадратурных составляющих амплитуды и постепенной составляющей сигнала, а по квадратурным составляющим определяют амплитуду и начальную фазу сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения частоты сигнала и расширения частотного

1760470

Составитель

Техред М.Моргентал Корректор Л.Лукач

Редактор С.К3рчикова

Заказ 3184 Тираж 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.Гага ина, 101 диапазона измерения амплитуды, постоянной составляющей и начальной фазы сигнала, формируют сигнал 0(в ), последовательно изменяют частоту опорного сигнала до значения а О, при котором сигнал О(м ) достигает своего максимального значения, при этом значение частоты .а принимают за измеренное и определяют соответственно квадратурную и синфазную составляющие амплитуды сигнала Ay(ж o) и Ax(шo) ° а по ним и постоянную амплитуду, начальную фазу и постоянную составляющую сигнала, при этом сформированный сигнал 0(сФ) . описывается выражением,, йс 2 U,2

Г С2 $2 где Us, Uc — усредненные за время Т значе5 ния произведений измеряемого сигнала на опорные сигналы, изменяющиеся соответственно по законам синуса и косинуса;

С = — з п; C2 = — (1+

2 . вТ 2 1 SlflNT

) и — круговая частоте сигнала, а составляющие Ay(со o) и Ax(сто) определяют из выражений

04 . О,-0-C

" () — "(") -С