Амплитудно-фазовый анализатор гармоник

СОЮЗ СОЯЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 2 9 4 О 01 В 23/16 ЕНИЯ ЛЬСТВУ еи. М оп ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ ПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИ(46) 231.86. Бюл, В 43 (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И,Ульянова (Ленина) (72) В.А,Семенов, А.М.Смирнов и Е.П,Угрюмов(57) Изобретение относится к элект роизмерительной технике, Является , дополнительным к авт.св, СССР 9 815669. Цель изобретения - рас 80127227 ширение Функциональных возможностВ устройство, содержащее генератор1 синусно-косинусного напряжения,операционный усилитель 3, блок 4цифрового управляемого сопротивле"ния, блок 5 цифровой управляемойпроводимости, аналоговые ключи 7-11для достижения цели введены аналоговый ключ 1, резистор 13, компаратор 14, триггер 15, одновибратор 16логический элемент И-НЕ 17, счетчик18, регистры 19, 20. Устройство позволяет дополнительно к аналоговымзначениям представлять результатыизмерения амплитуды и Фазы в цифровом виде. При использовании устройства в качестве автономного измерительного прибора наличие кодовых выходов позволяет применять цифровыеиндикаторные и запоминающие устройства, что приводит к расширению области применения. 5 ил, 12722721272272 Составитель И,Янусевс Техред А. Кравчук орректор М,Максимиши И.Николайчук Ред ПодписноССР Заказ 6335/45 го комитет открыти я наб.,нии ауш/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 гЯ д/ф Тираж 7 ВНИИПИ Государств по делам иэобре 035, Москва, Б, б 6Й+7/ЮВИйеХИзобретение относится к электроизмерительной технике,Цель изобретения - расширение.функциональных возможностей за счетполучения дополнительно к аналоговым значениям амплитуды и фаэь также и цифровых значений амплитудыи фазы.На фиг, 1, показана принципиальная схема предлагаемого устройства,на фиг, 2 - принципиальная и функциональная схемы генератора синуснокосинусного напряжения, на фиг. 3схемные реализации блока цифровойуправляемой проводимости и его эквивалентная схема, на фиг. 4 - схемные реализации блока цифрового управляемого сопротивления, на фиг, 5 нременные диаграммы, поясняющие работу устройства,Амплитудно-фазовый анализаторгармоник содержит (фиг, 1) генераторсинусно-косинусного напряжения,компаратор 2, операционный усилитель3, блок 4 цифрового управляемого сопротивления, блок 5 цифровой управляемой проводимости, конденсатор 6,аналоговые ключи 7-12, резистор 13,компаратор 14, триггер 15, одновибратор 16, логический элемент И-НЕ 17,счетчик 18, регистры 19 и 20. Вход аналогового ключа 7 подключен к первому входу устройства, первый выход которого через аналоговый ключ 8 соединен с первым выходом генераторасинусно-косинусного напряжения, выход аналогового ключа 7 через блок 4 цифрового управляемогосопротивления подключен к первому входу генератора 1 синусно-косинусного напряжения, второй вход которого соединен с вторым входом устройства и с первым входом блока 5 цифровой управляемой проводимости, второй вход которого через аналоговый ключ 9 подключен к третьему входу устройства, ныход блока 5 цифровой упранля. емой проводимости соединен с входом операционного усилителя 3, выход ко. торого через параллельно соединенные аналоговый ключ 10 и конденсатор 6 подключен к выходу блока 4 цифровой управляемой проводимости и через аналоговый ключ 11 - к второму выходу устройства, второй выход генератора 1 синусно-косинусного напряжения соединен с входом компаратора 2, третий вход устройства через после. -довательно соединенные аналоговыйключ 12 и резистор 13 соединен с первым входом генератора 1 синусно-косинусного напряжения, первый выходкоторого соединен с входом компаратора 4, выход которого соединен спервым входом регистра 20, второйвход которого связан с ныходом триггера 15, выход компаратора 2 соедиО нен с первыми входами регистра 19 итриггера 15 и входом одновибратора16, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИНЕ 17, выход которого соединен с5 первым входом счетчика 18, четвертый вход устройства соединен с вторыми входами триггера 5, регистра19 и логического элемента И-НЕ 17,пятый вход устройстна соединен с2 О вторым входом счетчика 18, выходкоторого соединен с третьими входа. ми регистров 19 и 20, выход регистра 20 соединен с третьим выходомустройства, выход регистра 19 сое-5 динен с четвертым выходом устройства, третий вход триггера 15,второй вход компаратора 2 и второй входкомпаратора 14 соединены с общейшиной,Генератор 1 синусно-косинусногонапряжения (фиг, 2 с) содержит операционные усилители 21 и 23, аналоговые ключи 24-28, блоки 29 и 30цифроупранляемой проводимости, резисторы 31 и 32, конденсаторы 33 и3534, блок 35 цифроупранляемого со противления, резистор 36 и аналоговый ключ 37. Ключи 24 и 26 позволяют отключать входные цепи интегра 40торов, переводя их в режим хранения, ключи 25 и 28 предназначены дляустановки нулевых начальных условийна интеграторах, ключ 27 коммутирует ВхОднОЙ сигнал,В устройстве генератор работает45в двух режимах,На принципиальной схеме генератора (фиг, 28) первый интегратор38 образован операционным усилителем 21, конденсатором 33 и блоком29 цифровой управляемой проводимости, второй интеграгор 39 - операционным усилителем 22, конденсатором34 и блоком 30 цифровой управляемойпроводимости 30, сумматор 40 - операционным усилителем 23, резисторами 31 и 32, т,е. генератор можетбыть реализован с помощью стандартных изделий электронной техники.1272272 Ф где ц(р) - входное напряжение устройства в операторной форме,Учитывая, что выходное напряжение второго интегратора(13) 1)1 ск Мс Ок дМ,=Мдк, (14)где М, - масштабный коэффициент по Самплитуде для цифровоговыхода, 1/В;М - масштабный коэффициент пофазе для цифрового выхода,1/рад. 5Устройство работает следующим образом.Весь линейчатый амплитудно-фазовый спектр вычисляется за время цикла, Цикл состоит из К выполняемых 2 р последовательно во времени подциклов, в каждом иэ которых вычисляется амплитуда и фаза, очередной гармоники.Каждый подцикл содержит четыре 25 такта разной длительности. Функционирование предлагаемого устройства в первом-втором тактах происходит так же, как визвестном. Обозначение вида 0 в дальнейшем соответству- зо ет началуотсчвта времени в 1-м такте.В первом такте на всех интеграторах устройства устанавливаются нулевые начальные условия (фиг, 5, ин 35 тервал 0,-02), что достигается.замыканием ключей 10 (Фиг. 1) и 25, 28 (фиг. 2 а) на время, достаточное для полного разр- а конденсаторов 6 (фиг, 1) и 33, 34 (фиг, 2 а), ключи 7, 9, 12 (Фиг. 1), 24 и 26 (фиг, 2 а) разомкнуты.Во втором такте вычисляются коэффициенты разложения в ряд Фурье а и Ь, т,е, реализуются соотношения (10) и (11). Для этого входной45 сигнал ц(т,) подается на вхОд генераторасинусно-косинусного напряже- ния через замкнутый ключ 7 (Фиг, 1), Ключи 24 и 26 (фиг, 2 а) замыкаются, соединяя интеграторы и сумматор в замкнутое кольцо, ключи 25 и.28 (фиг. 2 а)разомкнуты.Уравнение для выходного напряжения первого интегратора (Фиг. 2 о) в операторной форме(23 б) Чгде ш - масштабный коэффициент пофазе для аналогового выхода, В/рад,и дополнительно в виде кода: ц,(р)=- ц(р), (6) подстановкой выражения (6) в формулу(15) получают уравнение замыкания: г а а, а 4 ц (р)=- ----- ц (р)+ --- ц(р)РР (7)Аналогично получают для выходного напряжения второго интегратора: а, аг в Ц (Р)=- -- Ц (Р)- 21 ,г 21ааг а 4- - - - --- ц(р)р 1 Из выражений (17) и(18) получаютсистему уравнений:( ) " аг 4 Ц(р) (19 б)гг р+а, а, а При этом из выражения (19) ц (р) = ---- ц(р)( . -- ",)(=я 1 пу 1. (25) 1 к Воспользуемся теоремой свертывания 1 (р,(р)Г (р:) Г (ь) Г (1-р)др (26)0и преобразуем выражение (23) с учетом выражений (24) и (25) во времен-, ную область:ц = -к-"- 1 ц(т)сояц (-")а 7=1 Скгк Г- ) сояи 1ц)соясйь(1 с++оссиб( 11(с)с(пр"пдТ)1 (27 п)агП (С) - -"-"ц(г)я 1 п(.7(С-и)а = гг К%агФсозе СП(7) я 1 пыиЖ-п(пи,п / 17(С )сопипдп). (27 б)Пусть длительность такта равна периоду входного сигнала Т. По окончании такта выходные напряжения интеграторов равны:ТЫ (Т) 1 СОси ТО(к )осси Сдб+.К 71(286) -я пиТП(7 ) соя УСс 1.агС учетом выражений (21) и (22), получаем:цк 2(1 КБ тКб ТсояцТ=соя 2(1 К=1 б 1я.пцТ=яхп 2 СК=О.ОкончательноТБ (Т)= -ц,. )созеТйб=Ц; (29 а)2 (21агП (Т)Ц( )Ю д 1, (296)2 (агТаким образом, в рассмотренном режиме генератор 1 синусно-косинус- ного напряжения реализует пару преобразований Фурье (1 О) и (11).Во втором такте дополнительно вводимые схемные элементы участия в работе не принимают. На четвертый ,вход устройства (вход нРазрешение счета") подается напряжение логического "О", Этот сигнал воздействует непосредственно на вход управления приемом данных РЕ (йаСа епаЬХе - соответствует вместе соединенным входам 1 и 23 регистра) второго регистра 19, переводя его в режим хранения данных, Кроме того, этот сигнал, воздействуя на вход установки в "1" триггера 15 (вход Я), устанавливает этот триггер в состояние логического "О по инверсному выходу, который соединен с входом РЕ первого регистра 20. Таким образом во второмтакте регистр 20 также сохраняетранее записанную информацию, Нако 5 нец, сигнал "Разрешение счета" переводит выход логического элемента И-НЕ 17 в состояние "1", что обеспечивает установку счетчика 18 вовтором такте в исходное нулевое сос 10 тояние,В качестве сигнала "Разрешениесчета" может быть использован, например, проинвертированный сигналуправления аналоговым ключом 7 из15 схемы известного устройства,В третьем такте известное устройство реализует соотношения (8) и(9), т.е, выполняет операцию построения вектора по двум составляющим20 (преобразование координат иэ прямоугольной системы в полярную).В этом такте анализируемый сигнал на входе генератора 1 синуснокосинусного напряжения не подается25 (ключ 7 разомкнут, ключи 24 и 26замкнуты, ключи 25 и 28 разомкнуты),При этом генератор переходит в режим свободных колебаний, моделируязакон изменения прямоугольных ссссо тавляющих вектора Б, заданного на.чальными координатами 11 а и Пь во вращающейся с угловой скоростью ц системе прямоугольных координат(фиг. 5 а,Б):35 П (С)=11, (О, )сояиС+Цгг(0, )я 1 пу (30 а)Б (С)=-1) (0 )я 1 п)С+7 (О )сояиС,(306) где И - частота собственных колебаний генератора.40Учитывая,что начало этого такта соответствует окончанию предыдущего, т, е,(0 ) =1-)с(, (122(0 ) =Оц б приводятвыражение (30) к виду45 11,(С ) =Ч, сояяС+я 1 п(бС (31 а)7(С)=-Ч(я 1(дС+.а соя аС.(316)1В некоторый момент времени 0 СТ напряжение на выходе второго интегратора (фиг. 2) равно нулю1.С ) =О,при этом из уравнения (316) получают Шд. - К(2 КУравцецие (32) имеет ца отрезке 10,Т 1два решения;(45) Положительный перепад на выходе1компаратора 2 в момент времени С(фиг. 5 д), поступая на динамическийтактовый вход регистра 19 обеспечивает считывание кода И иэ счетчика18 в регистр 19. Кроме того, укаэанный перепад запускает одновибратор16, на выходе которого формируетсякороткий импульс отрицательной полярности ц (фиг.5 е). Этот импульсинвертируется логическим элементомИ-НЕ 17 (на втором входе элементалогическая "1") и сбрасывает счетчик 18 в исходное нулевое состояние,подготавливая его к работе в новомтакте,В третьем такте определяется изначение амплитуды в аналоговой форме,Преобразуем уравнение (31 а) к виду7Ц,(С ) =1 сОзцС+Ъ з 1 пюС= 1 а +1 Ьсоя(иС-р), (46) 30 причем(47) к Ъ, сфт.е. в момент времени С . выходное напряжение первого интегратора (Фиг. 2) равно амплитуде Е-й гармоники исследуемого сигнала.Замыкание в указанный момент времени ключа 8 позволяет передать значение амплитуды в форме напряжения в регистрирующее устройство,45 баб Масштабный козффициент по циАрово 55 му выходу опо " аб(51) Иэ сравнения выражений (14) и(44) масштабный коэффициент по фазедля цифрового выхода ПъС = - "- .ЦдкСогласно выражению (32) в моментвремени С 1.1 ЪСж = "- Наоткуда следует, что цС =уиПродолжительность третьего такта является величиной переменной, изменяющейся в пределах 0-Т в за- . висимости от.начальной фазы Е-й гармоники. Четвертый такт в предлагаемом устройстве требуется для определениязначения амплитуды в цифровой форме.5 Начало четвертого такта отмечается сменой состояния триггера 15под воздействием положительного перепада на выходе компаратора 2 навход синхронизации (тактовый) триг- О гера, Состояние логической "1" наинверсном выходе триггера 15 разрешает запись информации в регистр 20.Ключи 7, 9, 10 разомкнуты (фиг 1),ключ 9 (фиг. 1) замкнут. В генера торе 1 синусно-косинусного напряжения (фиг. 2) ключи 25, 26 и 28 разомкнуты, ключи 24 и 26 замкнуты,В этом такте напряжение, равное амплитуде К-й гармоники (47), преоб разуется в результате "списыванияего напряжением опорного источникав пропорциональный временной интервал. Напряжение на выходе первогоинтегратора линейно изменяется до 25 нуля по закону: 1 к(С)=4,(04 )-а а,10 С (48)где У,(04)=У - напряжение на выходе первого интегратора в начале первого такта, В;4а =- коэффициент передаб Ячи сумматора (фиг,2)по третьему входу;а, - коэффициент передачи первого интегра- .тора, с , определяемый формулой (3),напряжение опорногоисточника, В,В момент времени С напряжениеНна выходе первого интегратора равнонулю, при этом из выражения (47): е Ф (49) ца,а Бв., а 6 В начале четвертого такта счетчик 18 сбрасывается в исходное нулевое состояние, поэтому число, накопленное в счетчике 18 на момент времениВ момент перехода выходного напряжения первого интегратора черезнуль 1" компаратор 14 изменяет своесостояние с "0" на "1" (фиг, 5 ж),Этот перепад, поступая на вход синхронизации (тактовый) регистра 20,обеспечивает считывание кода Б изсчетчика 18,Этим тактом подцикл заканчивается.Далее, если это необходимо, начинается новый подцикл, в котором вычисляется другая гармоника.При практической реализации в кон"кретной элементной базе часть дополнительных элементов может быть исключена. Например, для сброса установки в "0" счетчика может быть дополнительно использована запись всчетчик числа 0000 (в двоичной системе счисления) с использованием со- Юответствующих входов микросхемы. Приэтом исключается логический элементИ-НЕ, Одновибратор моет быть реали.зован на основе неиспользованных.триггера, логических элементов, компаратора, т.е, беэ привлечения дополнительных аппаратурных средств, Таким образом, получение результатовизмерения в Форме кода достигаетсяпрактически лишь введением счетчикаи двух регистров.При использовании одного аналогоцифрового преобразователя для хранения кода также должны быть использованы регистры. В итоге имеем вместо,аналого-циФрового. преобразователя.35счетчик, который значительно более дешев и надеженХроме того, известные од нокристальные аналого - цифровые преобразователи тербуют значительных допол40нительных аппаратурных затрат для формнрования управляющих сигналов, ста-,бильного опорного напряжения и т,д,Предлагаемое устройство позволя" ет дополнительно к аналоговым значениям представлять результаты измерения амплитуды и фазы в цифровом виде, При этом становится возможным использование известного устройства50 в управляющих и измерительных системах с цифровой Формой представления информации, что существеннорасширяет его область применения.При использовании устройства вкачестве автономного измерительногоприбора наличие кодовых выходов позволяет применять цифровые индикаторные и запоминающие устройства,что также приводит к расширению области применения,Формула изобретенияАмплйтудно-Фазовый анализатор гармоник по авт,св, Ф 85 ЬЬ 9, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены аналоговый ключ, резистор, компаратор, триггер, одновибратор, логический элемент И-НЕ, счетчик, первый и второй регистры, причем третий вход устройства через последовательно соединенные аналоговый ключ и резистор соединен с первым входом генератора синусно-косинусного напряжения, первый выход которого соединен с входом дополнительного компаратора, выход которого соединен с первым входом первого регистра, второй вход которого связан с выходом триггера, выход компаратора соединен с первыми входами второго регистра и триггера и входом одновибратора, выход которого соединен с первым входом логического элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом счетчика, четвертый вход устройства соединен с вторыми входами триггера, второго регистра и логического элемента И-НЕ, пятый вход устройства соединен с вторым входом счетчика, выход которого соединен с третьими входами первого и второго регистров, выход первого регистра соединен с третьим выходом устройства, выход второго регистра соединен с четвертым выходом устройства, третий вход триггера, второй вход компаратора и второй вход дополнительного компаратора соединены с общей шиной.