Устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик

 

Использование: для наблюдения и измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) объектов. Технический результат заключается в повышении точности измерения (формирования) АЧХ. Устройство включает управляемый генератор синусоидального напряжения с аттенюатором на выходе, входной усилитель-аттенюатор, аналого-цифровой преобразователь, устройство сопряжения, вычислитель, устройство отображения информации, генератор прямоугольных импульсов, три элемента задержки импульсов, делитель частот, блок задания коэффициента деления, постоянное запоминающее устройство. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности применяется для наблюдения и измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) объектов, использующих метод последовательного анализа. Устройство может быть использовано при необходимости достижения более высокой точности измерения и формирования АЧХ по результатам данных измерений исследуемого устройства.

В настоящее время для измерения АЧХ объектов используется известное устройство СК4-58 для измерения частоты и уровней периодических сигналов в лабораторных условиях (Анализатор спектра. Техническое описание и инструкция по эксплуатации). Измерительная часть рассматриваемого устройства содержит последовательно соединенную цепь усилителя низкой частоты, амплитудный детектор и устройство отображения информации (индикатор).

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения АЧХ, особенно для объектов, работающих с малыми выходными напряжениями и на высоких частотах исследования.

В качестве прототипа рассмотрим устройство для исследования АЧХ XI-53 (Прибор для исследования амплитудно-частотных характеристик. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 1.400.263 ТО, Москва, В/О "Машприборинторг", СССР, 1989, с.8), в состав которого входят управляемый по частоте генератор синусоидального напряжения с аттенюатором на выходе, выход которого соединен с выходом устройства, входной усилитель-аттенюатор, соединенный входом с входом устройства измерения АЧХ, аналого-цифровой преобразователь, выходом соединенный через устройство сопряжения с входом вычислителя (микропроцессор), выход последнего соединен с первым входом устройства отображения информации (узел осциллографический).

Недостатком данного устройства являются низкая точность измерения АЧХ объектов, а также невозможность измерения характеристик объектов, работающих в режиме очень малых мощностей (микроваттах).

Низкая точность измерения данных устройств обусловлена наличием в структуре устройств измерения АЧХ амплитудного детектора (АД). Для обеспечения большого частотного диапазона исследования устройства с помощью данного измерителя АЧХ входящий в его состав амплитудный детектор содержит высокочастотный диод, который вследствие точечной технологии изготовления (для уменьшения собственной емкости диода) характеризуется низкой стабильностью параметров и обладает низкой чувствительностью к выпрямляемому гармоническому сигналу.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства измерения АЧХ, принцип которого исключает использование в амплитудном детекторе детектирующего диода.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для измерения амплитудно-частотной характеристики, содержащее управляемый генератор синусоидального напряжения с аттенюатором на выходе, выход которого соединен с выходом устройства, входной усилитель-аттенюатор, соединенный входом с входом устройства измерения АЧХ, аналого-цифровой преобразователь, выходом соединенный через устройство сопряжения с входом вычислителя, выход последнего соединен с первым входом устройства отображения информации, дополнительно введены генератор прямоугольных импульсов, три элемента задержки импульсов, делитель частот, блок задания коэффициента деления, постоянное запоминающее устройство, выход которого соединен со вторым информационным входом устройства отображения информации, информационные входы делителя частоты соединены с выходами блока задания коэффициента деления, а информационные выходы - с входами задания частоты генератора синусоидального напряжения и с адресными входами постоянного запоминающего устройства, счетный вход делителя частоты соединен с входом первого элемента задержки импульса и с выходом генератора прямоугольных импульсов, первый вход управления которого соединен с входом “Запуск” устройства, а второй - с основным выходом делителя частоты, выход первого элемента задержки импульса соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя, который через второй элемент задержки соединен с входом стробирования вычислителя и далее через третий элемент задержки импульсов с входом "Чтение" постоянного запоминающего устройства и с управляющим входом устройства отображения информации.

Выпрямление измеряемого сигнала основано на известной математической операции над тригонометрическими функциями гармонического характера:

При наличии гармонических колебаний, синусоидальной (косинусоидальной) формы, используемых при формировании амплитудно-частотной зависимости, путем несложных математических операций можно выделить постоянную (выпрямленную) величину напряжения (тока).

Структура, реализующая алгоритм функционирования данного АД, приведена на фиг.1. При этом первое слагаемое выражения (1) реализуется квадратором (умножением входного синусоидального сигнала самого на себя), а второе - путем дифференцирования и интегрирования данного синусоидального сигнала с последующим их перемножением. Окончательно выпрямленный сигнал формируется на выходе вычитателя первого и второго слагаемого.

Так, например, умножив на первом умножителе (фиг.1) входную синусоиду саму на себя, получаем

При подаче на вход интегратора входного синусоидального напряжения на его выходе формируется напряжение, пропорциональное интегралу входного напряжения:

В дифференциаторе выходное напряжение

Перемножив напряжения, получаемые после дифференцирования и интегрирования, получаем на его выходе напряжение

Если полученное на выходе второго умножителя напряжение вычесть на вычитателе из напряжения, полученного на выходе первого умножителя, получаем, используя известное из геометрии выражение (1), напряжение

После извлечения корня квадратного из полученного напряжения получаем амплитуду искомого напряжения, необходимого для построения АЧХ. Данные математические операции могут быть выполнены в вычислителе на базе микропроцессора, алгоритм функционирования которого реализует рассмотренную на фиг.1 структуру, а ввести входное синусоидальное напряжение в вычислитель можно с помощью АЦП. Данный АЦП должен обладать максимальным быстродействием, т.е. АЦП параллельного преобразования.

Быстродействие этого типа АЦП определяется быстродействием компараторов, на базе которых строится данный тип АЦП, а быстродействие компараторов в первую очередь определяется быстродействием операционных усилителей, на которых построен каждый компаратор. Следовательно, проводя несколько таких измерений в заданном частотном диапазоне, можно получить АЧХ измеряемого объекта с любой заданной точностью. Причем значение искомой амплитуды, полученное в соответствии с формулой (1), может определяться в любой момент периода синусоиды (один раз) или многократно при расчете среднего значения амплитуды для повышения точности итоговых результатов измерения.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2. Устройство содержит управляемый генератор синусоидального напряжения с аттенюатором на выходе 1, входной усилитель-аттенюатор 2, аналого-цифровой преобразователь 3, устройство сопряжения 4, вычислитель 5, устройство отображения информации 6, постоянное запоминающее устройство 7, делитель частот 8, блок задания коэффициента деления 9, три элемента задержки импульсов 10, 11, 12, генератор прямоугольных импульсов 13.

В устройстве для измерения амплитудно-частотной характеристики управляемый генератор синусоидального напряжения с аттенюатором на выходе 1 соединен с выходом устройства, к которому подключено устройство, АЧХ которого исследуется. Выход исследуемого устройства подключен к входу устройства измерения АЧХ. Входной усилитель-аттенюатор 2 предлагаемого устройства соединен входом с входом устройства измерения АЧХ. Выход аналого-цифрового преобразователя 3 соединен через устройство сопряжения 4 с входом вычислителя 5. Выход вычислителя 5 соединен с первым входом устройства отображения информации 6. Выход постоянного запоминающего устройства 7 соединен со вторым информационным входом устройства отображения информации 6. Информационные входы делителя частоты 8 соединены с выходами блока задания коэффициента деления 9, а информационные выходы - с входами задания частоты генератора синусоидального напряжения 1 и с адресными входами постоянного запоминающего устройства 7. Счетный вход делителя частоты 8 соединен с входом первого элемента задержки импульса 10 и с выходом генератора прямоугольных импульсов 13. Первый вход управления генератора прямоугольных импульсов 13 соединен с входом “Запуск” устройства, а второй - с основным выходом делителя частоты 8. Выход первого элемента задержки импульсов 10 соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя 3 и с входом второго элемента задержки импульсов 11. Выход второго элемента задержки импульсов 11 соединен с входом стробирования вычислителя 5 и через третий элемент задержки импульсов 12 с входом "Чтение" постоянного запоминающего устройства 7 и управляющим входом устройства отображения информации 6.

В исходном состоянии в блоке задания коэффициента деления 9 делителя частоты 8 задан его коэффициент деления, равный количеству точек регистрации АЧХ. Делитель частоты ДЧ 8 установлен в нулевое состояние. Генератор импульсов ГИ 13 заторможен и не генерирует импульсы. В постоянном запоминающем устройстве 7 записаны по соответствующим адресам значения частот, которые будут путем перебора выходного кода с делителя частоты 8 задаваться на генераторе синусоидального напряжения 1.

При запуске генератора импульсов ГИ 13 по входу "Запуск" на его выходе появляются импульсы, которые поступают на счетный вход делителя частоты 8. С выхода генератора синусоидального напряжения 1 на исследуемое устройство в зависимости от кода, подаваемого с выхода делителя частоты 8, устанавливается соответствующая частоты генерации. Значение данного кода поступает на адресные входы постоянного запоминающего устройства 7, выбирая соответствующий данной частоте код. На выходе постоянного запоминающего устройства 7 код, соответствующий заданной частоте, появится при появлении управляющего импульса на его входе управления. Напряжение с выхода исследуемого объекта поступает на вход устройства измерения АЧХ и через входной аттенюатор 2 на вход аналого-цифрового преобразователя 3. Импульс с генератора 13, задержанный на первом элементе задержки импульсов 10 так, чтобы закончились переходные процессы установки напряжения с выхода исследуемого устройства на входах АЦП 3, включает АЦП 3 на преобразование аналоговой величины в код. Полученный код через устройство сопряжение 4 поступает в вычислитель 5, где по импульсу на его стробирующем входе, который сформирован из управляющего импульса АЦП 3 и задержан вторым элементом задержки 11 на время преобразования аналогового сигнала в код в АЦП, осуществляется вычисление значения амплитуды сигнала в соответствии с приведенным на фиг.1 алгоритмом обработки входного синусоидального сигнала. Полученное на выходе вычислителя 5 значение напряжения по управляющему импульсу, сформированному из стробирующего импульса вычислителя 5, отображается на дисплее устройства отображения информации 6 с привязкой к заданной частоте, которая поступает с ПЗУ при появлении на его управляющем входе импульса управления с выхода третьего элемента задержки импульсов 12 в устройство отображения информации 6. Так происходит на каждом такте анализа. После завершения каждого такта делитель частоты 8 переключается в следующее состояние и по информационным выходам задает на генераторе синусоидального напряжения 1 следующее значение частоты синусоидального сигнала. Так продолжается до полного заполнения ДЧ 8, т.е. прохождения всех точек анализа. После того как ДЧ 8 заполнится, на его выходе сформируется сигнал переполнения, который устанавливает генератор импульсов 12 в исходное состояние (отсутствие импульсов на его выходе).

Благодаря использованию в предлагаемом устройстве для измерения АЧХ математического детектора, проявляется достаточно широкая его универсальность по частоте, а предельное быстродействие определяется быстродействием процессора, которое определяется его тактовой частотой, и операционных усилителей, используемых в АЦП параллельного преобразования.

Формула изобретения

Устройство для измерения амплитудно-частотной характеристики, содержащее управляемый генератор синусоидального напряжения с аттенюатором на выходе, выход которого соединен с выходом устройства, входной усилитель-аттенюатор, соединенный входом к входу устройства измерения АЧХ, аналого-цифровой преобразователь, выходом соединенный через устройство сопряжения с входом вычислителя, выход последнего соединен с первым входом устройства отображения информации, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены генератор прямоугольных импульсов, три элемента задержки импульсов, делитель частот, блок задания коэффициента деления, постоянное запоминающее устройство, выход которого соединен со вторым информационным входом устройства отображения информации, информационные входы делителя частоты соединены с выходами блока задания коэффициента деления, а информационные выходы с входами задания частоты генератора синусоидального напряжения и с адресными входами постоянного запоминающего устройства, счетный вход делителя частоты соединен с входом первого элемента задержки импульса и с выходом генератора прямоугольных импульсов, первый вход управления которого соединен с входом "Запуск" устройства, а второй – с основным выходом делителя частоты, выход первого элемента задержки импульсов соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя и с входом второго элемента задержки импульсов, выход второго элемента задержки импульсов соединен с входом стробирования вычислителя и через третий элемент задержки импульсов с входом "Чтение" постоянного запоминающего устройства и с управляющим входом устройства отображения информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2