Устройство для измерения малых коэффициентов гармоник сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК я)5 6 01 Й 23/2 Е ИЗОБРЕТЕНИ ОПИ ЕЛЬСТВУ ОМУ С К А раторы измери а поверки, с, 9. МЕРЕНИЯ МАРМОНИК СИГ. к радиоизмересовместно с ананюатора 7, выход орым входам блофаз, блока 9 контний и сумматора 3, следующим обраодключен к входу атте оторого подключен ко в а 10 контроля разности оля отношений напряжеРаботает устройство хе ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ И ЛЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ НАЛОВ(57) Изобретение относитс ниям и может использоватьс Изобретение относится к радиоизмерениям и может использоваться совместно с анализатором спектра, анализаторами гармоник, селективными вольтметрами для измерения амплитуд гармоник сигналов с большим динамическим диапазоном,Цель изобретения - повышение точности измерений,На чертеже представлена структурная с ма устройства.Устройство содержит ключ 1 и 2, сумматор 3, умножитель 4 частоты на пять, умно- житель 5 частоты на три, фаэовращатель 6, аттенюатор 7, анализатор спектра 8, блок 9 контроля отношений напряжений, блок 10 контроля разности фаз, при этом входная клемма устройства подключена к входу фазовращателя 6, к первым входам блока контроля разности фаз 10, блока 9 контроля отношений напряжений и сумматора 3, выход которого подключен к входу анализатора спектра 8, выход фазовращателя 6 через параллельно соединенные две цепи, состоящие из последовательно соединенных умножителей 4, 5 частоты и ключей 1 и 2,лизатором спектра, анализаторами гармоник, селективными вольтметрами для измеоения амплитуд гармоник сигналов с большим динамическим диапазоном. Цель изобретения - повышение точности измерений. Цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены умножители частоты на три и на пять, два ключа, аттенюатор, сумматор, блок контроля разности фаз, блок контроля отношения напряжений и фазовращатель. Устройство содержит также анализатор спектра. 1 ил. Для расширения динамического диапазона анализатора спектра 8 по нелинейным искажениям, которые проявляются в основном в виде второй и третьей гармоник исс ледуемого сигнала, производится компенсация этих искажений интермодуляционными искажениями равной амплитуды,0 частотой и противоположной фазой. СОИзмерение амплитуд второй и третьей 4 гармоник исследуемого сигнала производится поочередно, для чего устройством р формируются два различных сигнала. Для этого исследуемым сигналом суммируется с гармонический сигнал с противоположной фазой, частота и амплитуда которого зави-- ф сят от номера измеряемой гармоники. Для формирования этого сигнала используются умножители 4, 5 частоты. Для контроля и установки требуемого соотношения фаз и1798724 О (т)- зи вт-зп 5 в 50 3амплитуд суммирующихся сигналов в сум. маторе 3 используются соответственноблок . 10 койтроля. разности фаз и фаэовращатель 6 и блок 9 контроля отношений напряжений и аттенюатор 7.. 5При измерении третьей гармоникй в установке ключ 1 замыкается, ключ 2 размыкается, При этом в сумматоре 3 впротивофазе суммируются исследуемыйсигнал и сигнал умножителя 4 частоты на 10пять, Амплитуды сигйалов должны соотноСИТЬСЯ как 1:12,При измерении втОрой гармоники ключ1 размыкается, ключ 2 замыкается. При этомв сумматоре 3 в противофазе суммируются 15исследуемый сигнал и сигнал умножителя 5частоты на три. Амплитуды сигналовдолжны быть равны.При прохождении сигналов; сформированных указанным образом по нелинейным 20цепям анализатора спектра 8, паразитныепродукты с частотой втброй и третьей гармоник исследуемого сигнала, получаемйе врезультате взаимодействия частотных составляющих этих сигналов на нелинейности 25амплитудной характеристики(А,Х,) анализатора спектра 8, взаимно компенсируются итем самым не могут оказать влиянйя на точ- ность измерения амплитуды второй итретьей гармоник исследуемого сигнала, 30Покажем, при:каких уСловиях при сум-.мировании сигналов происходит взаимйаякомпенсация продуктов искажений и какпроизводится измерение амплитуд гармоник исследуемого сйгнала. Примем во внимание тот факт, что в реальныхсигналах,имеющйх большой динамический диапазОнамплитуд гармоник (70 дб), т,е. малые нелинейные искажения, амплитуды. высших гармоник с увеличением их Номера резко 40уменьшаются, поэтому -в спектре сигналадостаточно учитывать всего две высшив гармоники, вторую и третью, что приводит кпогрешности больше 5-7 при йзмерении,например, коэффициента гармоник сигнала 45Кг,Амплитудную характеристику нелинейного тракта анализатора спектра (А;С,), ко- .торая в основном определяется первым преобразователем частоты (балансным сме 4а 1, аг, аз - коэффициенты ряда (1), зависящие от соответствующей производной крутизны, амйлитудной характеристики и характеризующие степень ее нелийейности,Поскольку динамический диапазон по нелинейным искажениям современных анализаторов спектра составляет = 70 дБ, то . амплитудная характеристика их слабо нелинейна.Рассмотрим результат воздействия на нелинейный тракт А,С., амплитудная харак- теристика которого аппроксимируется полиномом (1), суммы двух сигналов в двух вариантах. Первый вариант, когда ключ 1 замкнут, а ключ 2 разомкнут. На входы сумматора 3 поступают два сигнала: на первый вход - исследуемый сигнал, а на второй ." сигнал с частотой исследуемого сигнала; умноженной на пять, Умножение частоты сиг-: нала на пять производится умножителем 4 частоты.Второй вариант, когда ключ 1 разо- мкнут, а ключ 2 замкнут. В этом случае на второй вход сумматора 3 поступает сигнал сутроенной частотой исследуемого сигнала. Умножение частоты на три.производится умножителем 5 частоты на три..При этом есть возможность изменить амплитуду и фазу сигналов умножителей частоты, которая соответственно производится,аттенюатором 7 и фазовращателем 6,.На выходе. сумматора 3 образуется сумма входных сигналов, которая подается на А.С. 8; Для того, чтобы максимально упростить по. следующие математические выкладки, примем следующие упрощения. Сигнал с умноженйой частотой и исследуемый сигнал находятся в противофазе, амплитуды этих сигналов. равны единице. Сигналы строго монохроматические, Эти допущения нйкак не влияют на правильность описания сущности работы устройства и помогут понять физический смысл происходящих процессов,"Таким образом в соответствии с первым вариантом на вход А.С поступает сумма или, точнее сказать, разность двух сигналов:сителем), с достаточной точностью можно аппроксимировать полиномом третьей степени вида.О 1(т)" азО(т)+ агОг(т)+ азОЪ), (1) где О 1(т) - напряжение сигнала на выходе нелинейного тракта;О(с) - напряжение сигнала на входе нелинейного тракта;-зп 5 вт) +аз(зп вт - зп 5 в 1) (3) где в - круговая частота исследуемого сигнала;т - текущее время.Подставим (2) в (1), получим сигнал,который будет отображаться на экранеА,С,Линейную часть выражения (3) оставим сигнала (5) отсутствует частотная составФя.без иэмейения, второе и третье слагаемые ющая с частотой 2 в.возведем соответственно в квадрат и куб. Реальный исследуемый сигнал крбмЕИспользуя известные тригонометриче- первой гармоники имеет еще вторую иские равенства для произведения синусов, 5 третью, наиболее существенные по амплисийуса в квадрате и в кубе, продолжим уп- туде среди высших гармоник, т.е. Ал,; мойрощение вщежения до отдельных гармони- но измерять амплитуду третьей. гармоники,ческих составляющих,: т.к, продукт нелинейного искажения исследуемого сигнала в виде третьей гармоникиОф) -аа(1 п аи+ап 5 в 1)+аг(1- соз 2 10 компенсируется продуктом интермодуляци-вт - со 4 вт+соз 6 вс - соз 10 вт) + онногоискажениявструктуресигнала(2),+31 п 7 в 1+31 пЗ вт+ 3/2 з 1 п в 1-.:Зз 1 п 11 гармоники исследуемого сигнала использув%-31 п 9 вт/4 з 1 пб вт+ 1/41 п 15 вт), егся структура сигнала (6), в которой. место(4) . 15 для второй гармоники также. свободно, т.к.. по аналогии с вышесказанным паразитныеВ выражении (4) имеются только две продукты с частотой 2 в, получаемые в ре. частогные составляющие 3 в . Амплитуды зультате взаимодействия частотных составэтих составляющих .соотйосятся как 1:12. ляющих сигнала (5) на нелинейности А,Х.Если аттенюатором 7 с использованием 20 А.С., взаимнокомпенсируются.блока 9 контроля отношения напряжений Влияет ли на амплитуду третьей гармоустановитьсоотношениеамплитудисследу- ники, которая измеряетея А.С., результатемого сигнала и сигнала:умножителя часто- взаимодействия второй гармоники исследуты1:12, а фазовращателем 6 с емого сигнала с частотой 2 в и сигналаиспользованием блока 10 контроля разно умножителя с частотой 5 в, а также егости фаз обеспечить противоположность фаз гармоник, второй и третьей, с частотой 10 фэтих сигналов как в выражении (2), то со- в и 15 в. Гармоники выше третьей в спек-ставляющие с частотой 3 в взаимно ком- тре сигнала умножителя ничтожно малы; попенсируются, этому их можно не учитывать. Другимирассмотрим второй вариант, в соответ словами, возникает ли при взаимодействииствии с которым на вход А,С. поступает раз- указанных частотных составляющих на неность двух сигналов: ., линейности А.С, частотная составляющая счастотой 3 в, если да, то может. ли онаО (т)" 1 п вт - з 1 пЗ в 1. (5) существенно повлиять на величину амплиХ35 туды измеряемой третьей гармоники.Подставляя (5) в (1), по аналогии с пер-Из общей теории спектрального преобвым вариантом получим сигнал,.который бу- разования сигналов известно; что при взаидет отображаться на экране А.С. модействии частотных составляющих наПосле элементарных преобразований . нелинейном элементе кроме нелинейныхполучаем: 40 искажений этих составляющих возникаюткомбинационные составляющие с частотой,01(т) - а 1(1 п в 1+ 1 пЗ вт)+ а 2(1 - соз 2 равной сумме и разности частот этих составФт - созЗвт - созбв т)+аз(3/4 з 1 п вт - . ляющих,-1/41 пЗ в 1-3/21 пЗ вт+Зз 1 пв т+31 п 5 мв т + 3/21 пв т - 31 п 7. в т - 31 п 5 в 1 - 45 При взаимодействии сигналов с часто/41 пЗ.в 1+ 1/41 п 9 вт) (6) той 2 в и 5 в на нелинейности А.С. возникают комбинационные искажения сВ выражении (6) имеются только две суммарной частотой 7 в и разностной 3 в.частотные составляющие, имеющие частоту При взаимодействии сигнала с частотой 22 в. Амплитуды этих составляющих равны, 50 фви сигналов с частотой 10 ви с частотой 15 ма фазы противоположны, те. соблюдены все возникают соответственно сигналы с сумусловия для их взаимной компенсации. марной частотой 12 в и 17 в и разностнойИз анализа выражений (4) и (6) можно 8 в и 13 в. Таким образом, частотная совидеть, что при прохождении сигнала (2), у ставляющая с частотой 3 в возникает толькоторого амплиту 4 ычастотных составляо ко в результате взаимодействия второйщих соотносятся как 1:12, нелинейного гармоникиисследуемогосигналасчастотойтракта А.С. частотная составляющая с час-2 в и сигнала умножителя с частотой 5 в,тотой 3 вв сигнале, отображаемом на экра- Амплитуда вновь возникшей частотной соне А.С., отсутствует. При прохождении ставляющей будет много меньше амплиту1798724 Составитель Л.УстиноваРедактор С.Куркова Техред М.Моргентал Корректор Т.Пали Заказ 770 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г Ужгород, ул.Гагарина, 101 ды третьей гармоники исследуемого сигнала.Влияет ли на амплитуду второй гармоники, которая измеряется А.С., результат взаимодействия первой гармоники исследуемого сигнала с частотой гд и гармоники сигнала умножителя частоты с частотой бф м и 9 в на нелинейности А,Х, А.С, После взаимодействия образуются сигналы с суммарной частотой 7 в и 10 о) и разноСтной частотой 5 ви 8 со,Как видно, ни один из вновь возникших сигналов не совпадает по частоте с измеряемой второй гармоникой, следовательно, может влиять на величину ее амплитуды,Ф о р мул а изобретен ия Устройство для измерения малых коэффициентов гармоник сигналов, содержащее анализатор спектра, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности изме .рений, в него дополнительно введены умно- жители частоты на три и на пять, аттенюатор, сумматор, блок контроля раз ности фаз, блок контроля отношения напряжений,два ключа и фазовращатель, вход которого соединен с входом устройства и подключен к первым входам блока контроля разности фаз, блока контроля отношения 10 напряжений и сумматора, выход которогоподключен к входу анализатора спектра, выход фазовращателя через параллельно соединенные две цепи, состоящие из последовательно соединенных умножите лей частоты и ключей, подключен к входуаттенюатора, выход которого подключен к вторым входам блока контроля разности фаз, блока контроля отношения напряжений и сумматора.