SU1383218A1 - Analyzer of complex spectrum of periodic voltages - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области электроизмерительной техники и позвол ет расширить динамический диапазон анализатора. Устройство содержит входной блок 1, усилитель 3, цифро- аналоговый преобразователь 4, синхронный детектор 5, индикатор. 6, блок 7 формировани  опорного напр жени , блок 8 .формировани  адресов, посто нное запоминающее устройство 9 и интегратор 14. Введение блока 2 вычитани , блока 11 формировани  адресов, посто нного запоминающего устройства 12, цифроаналогового преобразовател  13 и образование новых функциональных св зей обеспечивает автоматическую компенсацию максимальной мешающей гармоники входного периодического напр жени . 2 ил. Ф (ЛThe invention relates to the field of electrical measuring equipment and allows to expand the dynamic range of the analyzer. The device contains an input unit 1, an amplifier 3, a digital-to-analog converter 4, a synchronous detector 5, an indicator. 6, the reference voltage generation unit 7, the address generation unit 8, the persistent storage device 9 and the integrator 14. The introduction of the subtraction unit 2, the address generation unit 11, the persistent storage device 12, the digital-analogue converter 13 and the formation of new functional connections provides automatic compensation of the maximum interfering harmonic of the input periodic voltage. 2 Il. F (L

Description

ооoo

СХ)CX)

оо ooo o

0000

Фиг.11

1 131 13

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике, а именно к области создани  анализаторов комплексного спектра с широким динамическим диапазоном.The invention relates to electrical measuring equipment, namely to the field of creating complex spectrum analyzers with a wide dynamic range.

Цель изобретени  - расширение динамического диапазона измерени  путем автоматической компенсации максимальной мешающей гармоники входно- го периодического напр жени .The purpose of the invention is to expand the dynamic range of the measurement by automatically compensating for the maximum interfering harmonics of the input periodic voltage.

На фиг,1 представлена функциональна  схема предлагаемого анализатора комплексного спектра периодических напр жений; на фиг.2 - эпюры напр жений, демонстрирующие достижение положительного эффекта предлагаемого анализатора..Fig. 1 shows a functional diagram of the proposed analyzer of a complex spectrum of periodic voltages; Fig. 2 shows voltage plots demonstrating the achievement of a positive effect of the proposed analyzer.

Анализатор комплексного спектра периодических напр жений содержит последовательно включенные входной блок 1, вход которого св зан с входной шиной, блок 2 вычитани , усилитель 3, первБш цифроаналоговый (ЦАП) преобразователь 4, первый синхронный детектор 5 и индикатор 6, кроме того блок 7 формировани  опорного напо - жени , вход которого подключен к шин входного опорного напр жени , первый выход св зан с управл ющим входом первого синхронного детектора 5, второй выход через последовательно соединенные первый блок 8 формировани  адресов и первое посто нное запоминающее устройство (ПЗУ) 9 подключен к кодовым входам первого ЦАП 4, третий выход соединен с управл ющим входом второго синхронного детектора 10 и четвертый выход через последовательно включенные второй блок 11 формировани  адресов и второе ПЗУ 12 соединен с кодовыми входами второго ЦАП 13, выход усилител  3 через последовательно соединенные второй синхронный детектор 10, интегратор 14 и второй ЦАП 13 подключен к второму блоку 2 вычитани .The analyzer of a complex spectrum of periodic voltages contains a series-connected input unit 1, whose input is connected to the input bus, subtraction unit 2, amplifier 3, first digital-to-analog (D / A) converter 4, first synchronous detector 5 and indicator 6, in addition to block 7 forming the reference voltage, the input of which is connected to the bus voltage input voltage, the first output is connected with the control input of the first synchronous detector 5, the second output through the serially connected first block 8 of the formation of addresses and ne The first permanent memory (ROM) 9 is connected to the code inputs of the first DAC 4, the third output is connected to the control input of the second synchronous detector 10 and the fourth output through the serially connected second address generation unit 11 and the second ROM 12 is connected to the code inputs of the second DAC 13 The output of the amplifier 3 is connected through the second synchronous detector 10, the integrator 14 and the second D / A converter 13 connected to the second subtraction unit 2.

Анализатор работает следующим об- разом.The analyzer works as follows.

Исследуемый входной сигнал U(t) через входной блок 1, блок 2 вычита- ни , усилитель 3 и ЦАП 4 поступает на вход первого синхронного детектора 5. Опорное напр жение Uon(t) с частотой первой гармоники ы иссле- дуемого периодического напр жени  U(t) поступает на вход блока 7 формировани  опорного напр жени , который вырабатывает пр моугольное опор- The input signal U (t) under study is through the input block 1, block 2 subtraction, amplifier 3 and DAC 4 is fed to the input of the first synchronous detector 5. Reference voltage Uon (t) with the frequency of the first harmonic of the investigated periodic voltage U (t) is fed to the input of the unit 7 of the formation of the reference voltage, which produces a rectangular support

Q Q

5 five

0 5 0 0 5 0

5five

00

5five

8282

ное напр жение с частотой исследуемой спектральной составл ющей и регулируемой относительно входного опорного сигнала фазой, служащее дл  управлени  первым синхронным детекто- ром 5. По второму выходу блок 7 формировани  вырабатывает синхронизированные высокочастотные тактовые им- пульсы, которые подаютс  на вход блока 8 формировани  адресов. Под действием тактовых,импульсов формирователь 8 адресов вырабатывает п-разр дные коды, осуществл ющие опрос матрицы блока 9. В соответствии с записайной программой блок 9 формирует коды, управл ющие п-разр дным преобразователем 4. Под действием этих кодов осуществл етс  переключение ключей разр дов преобразовател  4 в соответствии с записанной в блок 9 программой. ЦАП 4 в анализаторе служит прежде всего дл  формировани  требуемой ве совой функции перемножени , котора  позвол ет устранить вли ние высших нечетных гармоник входного напр жени . Например, ступенчата  аппроксимаци  гармонической весовой функции синтезируетс  путем изменени  коэф- передачи блока 4 по гармоническому закону в течение полупериода исследуемой гармоники и последующего синхронного детектировани  в блоке 5.The voltage with the frequency of the spectral component under study and the phase regulated relative to the input reference signal serves to control the first synchronous detector 5. On the second output, the generation unit 7 generates synchronized high-frequency clock pulses that are fed to the input of the address generation unit 8. Under the action of clock pulses, the address shaper 8 generates n-bit codes that interrogate the matrix of block 9. In accordance with the recording program, block 9 generates codes that control the n-bit converter 4. Under the action of these codes, Dov converter 4 in accordance with the recorded in block 9 program. The DAC 4 in the analyzer serves primarily to form the required time multiplication function, which eliminates the influence of the higher odd harmonics of the input voltage. For example, a step approximation of the harmonic weight function is synthesized by changing the coefficient of transfer of block 4 according to a harmonic law during the half period of the harmonic under study and subsequent synchronous detection in block 5.

Блок 7 формировани  вырабатывает также пр моугольное опорное напр жение дл  управлени  вторым синхронным детектором 10 и еще одну последовательность синхронизированных высокочастотных тактовых импульсов, которые через четвертый выход подаютс  на вход формировател  11 адресов, В результате последний вырабатывает коды опроса матрицы ПЗУ 12, которое в соответствии с записанной программой формирует коды, управл ющие вторым ЦАП 13.The formation unit 7 also generates a rectangular reference voltage for controlling the second synchronous detector 10 and another sequence of synchronized high-frequency clock pulses, which are fed through the fourth output to the input of the address generator 11, As a result, the latter generates a code for polling the matrix of ROM 12, which, in accordance with the recorded program generates codes that control the second DAC 13.

Процесс измерени  спектральных составл ющих происходит следующим образом . Устанавливаетс  частота выходного опорного сигнала формировател  7 по.первому выходу, равна  частоте первой гармоники входного сигнала. Плавным изменением фазы оЛорного напр жени  устанавливают нулевое показание индикатора 6 на возможно бо- . лее чувствительной шкале. Данна  установка свидетельствует о том,что напр жение первой гармоники входного сигнала, напр жение опорного сигналаThe process of measuring the spectral components is as follows. Sets the frequency of the output signal of the driver 7 to the first output, equal to the frequency of the first harmonic of the input signal. By a smooth change in the phase of the Lore voltage, the zero indication of indicator 6 is set to possibly bo- more sensitive scale. This setting indicates that the voltage of the first harmonic of the input signal, the voltage of the reference signal

и напр жение опорного колебани  наход тс  в строгой квадратуре, т.е. сдвинуты по фазе на 90. Затем фазу опорного напр жени  измен ют точно на 90° и снимают показание индикатора 6, соответствующее модулю первой гармоники исследуемого сигнала. Ее фазовый сдвиг относительно опорного напр жени  соответствует показанию градуированного фазовращател  блока 7, Если фазовращатель не градуирован, то, установив нулевую или заранее известную фазу между входным опорным напр жением и напр жением, управл ющим детектором 5, определ ют фазу первой гармоники входного сигнала, использу  результаты вычислени  по формулеand the voltage of the reference oscillation is strictly square, i.e. shifted in phase by 90. Then the phase of the reference voltage is changed exactly by 90 ° and the indicator 6 is read, which corresponds to the module of the first harmonic of the signal under study. Its phase shift relative to the reference voltage corresponds to the reading of the graduated phase shifter of block 7. If the phase shifter is not graduated, then setting the zero or previously known phase between the input reference voltage and the voltage of the control detector 5, determine the phase of the first harmonic of the input signal using formula results

I Us 41 arctg -- I Us 41 arctg -

1 - с где Ug и Uc - результаты измерени 1 - with where Ug and Uc - measurement results

квадратурных составл ющих гармоники.quadrature harmonic components.

. Пр моугольное опорное напр жение с частотой, равной частоте, наибольшей по уровню высшей гармоники исследуемого периодического сигнала,например , второй и третьей (информаци  о номере максимальной компоненты имеетс  обычно априорно), через третий выход блока 7 подаютс  на управл ющий вход второго синхронного детектора 10. Вследствие этого на его выходе по вл етс  напр жение, посто нна  составл юща  которого пропорциональна амплитуде и косинусу фазы компоненты подлежащей подавлению. После низкочастотной фильтрации и усилени  по посто нному току в блоке 14 это напр жение подаетс  на опорный вход ЦАП 13. Высокочастотные тактовые импульсы через четвертый выход блока 7 и формирователь 11 адресов поступают на входы ПЗУ 12 в виде цифровых кодов опроса. В матрице блока 12 записаны коды гармонической функции, поэтому на выходе преобразовател  13 по вл етс  квазигармонический сигнал с частотой подаваемой компоненты, который поступает на второй вход блока 1 и вычитаетс  из входного исследуемого сигнала. Замкнута  цепь авторегули- . ровани , образованна  блоками 2-3-1014-13т2 , в стационарном режиме вырабатывает компенсирующий сигнал на выходе преобразовател  13 с такой амплитудой М 1, что. A rectangular reference voltage with a frequency equal to the frequency that is highest in terms of the highest harmonic of the periodic signal under study, for example, the second and the third (information about the number of the maximum component is usually a priori), is fed through the third output of block 7 to the control input of the second synchronous detector 10 As a result, a voltage appears at its output, the constant component of which is proportional to the amplitude and cosine of the phase of the component to be suppressed. After low-pass filtering and DC amplification in block 14, this voltage is applied to the reference input of the DAC 13. High-frequency clock pulses through the fourth output of block 7 and the address driver 11 are fed to the inputs of ROM 12 as digital polling codes. The matrix of block 12 contains harmonic function codes, so the output of converter 13 is a quasi-harmonic signal with a frequency of the supplied component, which is fed to the second input of block 1 and subtracted from the input signal under study. Closed circuit auto-regulation. ting, formed by blocks 2-3-1014-13t2, in a stationary mode produces a compensating signal at the output of the converter 13 with such amplitude M 1 that

5five

00

5five

00

5five

00

5five

MnCosi n,  MnCosi n,

где Мп и if - амплитуда и фаза давл емой компоненты.where Mn and if is the amplitude and phase of the pressure component.

Таким образом, на выходе усилител  3 напр жение подавл емой высшей гармоники тем меньше, чем ближе (j к нулю, (180°). При Ч ,-90 (270°) фаза вырабатываемого компенсирующего напр жени  измен етс  на t 90°.Thus, at the output of the amplifier 3, the voltage of the suppressed higher harmonic is the smaller, the closer (j to zero, (180 °). At H, -90 (270 °), the phase of the compensating voltage produced changes by 90 °.

Однако максимальный положительный эффект в расширении динамического диапазона достигаетс  при анализе высших гармонических компонент, так как амплитуда первой, мешающей в данном случае, гармоники реальных периодических сигналов, как правило, много больше амплитуд их высших гармоник, кроме того, перва  гармоника входного исследуемого сигнала подавл етс  полностью потому, что фазовый сдв1-сг между первой гармоникой U(t) и опорными напр жени ми детекторов 5 и 10 устанавливаетс  с помощью индикатора 6 точно равным нулю.However, the maximum positive effect in the expansion of the dynamic range is achieved by analyzing the higher harmonic components, since the amplitude of the first, interfering in this case, harmonics of real periodic signals, as a rule, is much greater than the amplitudes of their higher harmonics, and the first harmonic of the input signal under investigation is suppressed completely because the phase shift 1-cr between the first harmonic U (t) and the reference voltages of the detectors 5 and 10 is set by means of the indicator 6 to exactly zero.

Итак, на выходе усилител  3 по вл етс  исследуемый сигнал без первой, максимальной мешающей гармоники. Следовательно , динамический диапазон анализатора увеличиваетс  во столько раз, во сколько раз амплитуда первой гармоники больше-максимальной амплитуды высшей гармоники. Частота выходного опорного сигнала блока 7, управл ющего синхронным детектором 5, устанавливаетс  равной частоте исследуемой спектральной составл ющей. Снимаетс  показание на индикаторе 6. Затем устанавливаетс  фазовый сдвиг в формирователе 7, равный 90 , и оп ть снимаетс  показание на индикаторе 6.So, at the output of amplifier 3, the signal under study appears without the first, maximum interfering harmonic. Consequently, the dynamic range of the analyzer is increased by as many times as the amplitude of the first harmonic is greater than the maximum amplitude of the higher harmonic. The frequency of the output reference signal of the unit 7 controlling the synchronous detector 5 is set equal to the frequency of the spectral component under study. The reading on indicator 6 is taken. Then the phase shift in driver 7 is set to 90, and again the display is taken on indicator 6.

После измерени  двух ортогональных составл ющих исследуемой гармоники определ етс  ее амплитуда и фаза относительно первой гармоники по известным формуламAfter measuring the two orthogonal components of the harmonic under study, its amplitude and phase are determined relative to the first harmonic by the known formulas

5050

М (и| +и ,M (and | + and,

4 arctg 4 arctg

Эпюры напр жений, иллюстрирующие достижение положительного эффекта, представлены на фиг.2 (выходное нап- р жение ЦАП изображено сплошной линией , штриховой линией показан вариант формы компенсирующего напр жени ) , Такое напр жение позвол етThe voltage plots illustrating the achievement of a positive effect are shown in Fig. 2 (the output voltage of the DAC is shown as a solid line, the dashed line shows a variant of the form of the compensating voltage). Such a voltage allows

513513

полностью устранить из входного сигнала первую гармонику и привнести во входной сигнал высшие гармоники, начина  лишь с одиннадцатой, т.е. позвол ет в максимальном динамическом диапазоне измер ть амплитуды и фазы первых дес ти высших гармоник исследуемого сигнала. Дл  измерени  большего числа высших гармоник в расши- ренном динамическом диапазоне необходимо усложнить компенсирующий сигнал .completely eliminate the first harmonic from the input signal and introduce higher harmonics into the input signal, starting only with the eleventh one, i.e. allows to measure the amplitudes and phases of the first ten highest harmonics of the signal under investigation in the maximum dynamic range. To measure a larger number of higher harmonics in an extended dynamic range, it is necessary to complicate the compensating signal.

Таким образом, предлагаемый анализатор комплексного спектра периоди- ческих напр жений обладает расширенным динамическим диапазоном за счет предварительного автоматического подавлени  максимальной гармонической помехи.Thus, the proposed analyzer of a complex spectrum of periodic voltages has an extended dynamic range due to preliminary automatic suppression of the maximum harmonic interference.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Анализатор комплексного спектра периодических напр жений, содержащий входной блок, вход KOTOpol o соединен с входной шиной, последовательно включенные усилитель, первый цифро- аналоговый преобразователь, первый синхронный детектор и индикатор, а также блок формировани  опорного напр жени , вход которого подк лючен к шине- входного опорного напр жени .The analyzer of a complex spectrum of periodic voltages, containing an input unit, KOTOpol o input is connected to an input bus, a series-connected amplifier, a first digital-to-analog converter, a first synchronous detector and an indicator, and a reference voltage shaping unit, whose input is connected to the bus input reference voltage. ХхвЛ и авриоЛнве в Hhvl and avriolnve in мггммпмг UfOmgmmpmg UfO АмфдюAmfdyu нсаг/мю епввnsag / mu epvv цлаШ вкИ)CLAIM WKI) Ли/90УБМРМИLee / 90UBMRMI моете wash your tSAlUt})tSAlUt}) ВНИИПИ Заказ .1290/41VNIIPI Order .1290 / 41 Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4Random polygons pr-tie, Uzhgorod, st. Project, 4 г g 00 5 five 00 8686 первый выход св зан с управл ющим входом первого синхронного детектора, а второй выход через последовательно соединенные первый блок формировани  адресов и первое посто нное запоминат ющее устройство подключен к кодовым входам первого цифроаналогового преобразовател , отличающий- с   тем, что, с целью расширени  динамического диапазона измерени , введены блок вычитани , второй синхронный детектор, второй блок формировани  адресов, второе посто нное запоминающее устройство, второй циф- роаналоговый преобразователь и интегратор , причем первый вход блока вычитани  соединен с выходом входного блока, а выход подключен к входу усилител , выход которого через после- довательно соединенные второй синхронный детектор, второй интегратор и второй цифроаналоговый преобразователь св зан с вторым входом блока .вычитани , третий выход блока формировани  опорного напр жени  св зан с управл ющим входом второго синхронного детектора, а четвертый через последовательно соединенные второй блок формировани  адресов и второе посто нное запоминающее устройство - с кодовыми входами второго цифроаналогового преобразовател .the first output is connected to the control input of the first synchronous detector, and the second output is connected through the serially connected first address generation unit and the first permanent memory device connected to the code inputs of the first digital-to-analog converter, in order to expand the dynamic measurement range , a subtraction unit, a second synchronous detector, a second address generation unit, a second read-only memory, a second digital-analogue converter, and an integrator, with The first input of the subtraction unit is connected to the output of the input unit, and the output is connected to the input of the amplifier, the output of which is sequentially connected to the second synchronous detector, the second integrator and the second digital-to-analog converter connected to the second input of the subtracting unit, the third output of the reference voltage generation unit interface is connected to the control input of the second synchronous detector, and the fourth through the second address generation unit and the second permanent storage device connected in series with the code inputs and second digital to analog converter. Ф«д/F "d / Тираж 772 ПодписноеCirculation 772 Subscription