Измеритель нелинейных искажений

СОЮЗ СОВЕТСКИ СОЦИАЛИСТИЧЕС 40 РЕСПУБЛИК(5)5 6 01 й 23 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМУ С И, Покрас,овстюк(56) Авторское свидетельство СССРМ 1157477, кл. 6 01 й 23/20, 1985.Авторское свидетельство СССРМ 516969, кл, 0 01 й 23/20; 1976,(57) Изобретение относится к радио тельной технике и может быть использовано при создании измерителей нелинейных искажений, работающих в широком частотном диапазоне, Цель изобретения - повышение точности измерения коэффициента нелинейных искажений - достигается введением управляемого инвертора 7, масштабирующих блоков 8, 10, счетчика 11 адреса, блока 5 памяти, вычитательного блока 6; Измеритель также содержит формирователь 1, умно- житель 2 частоты, ключ 3, аналого - цифровой преобразователь 4, блок 9 входных устройств, блок 12 управления, 2 ил,Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании измерителей нелинейных искажений, работающих в широком частотном диапазоне.Цель изобретения - повышение точности измерения коэффициента нелинейных искажений.На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя нелинейных искажений; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы в режиме записи информации.Измеритель нелинейных искажений (фиг. 1) содержит последовательно соединенные формирователь 1, умножитель 2 частоты, ключ 3, аналого - цифровой преобразователь 4, блок 5 памяти и вычислительный блок 6, последовательно соединенные управляемый инвертор 7, первый масштабирующий блок 8, блок 9 входных устройств и второй масштабирующий блок 10, а также счетчик 11 адреса и блок 12 управления. Соединенные входы формирователя 1 и управляемого инвертора 7 образуют вход устройства. Выход масштабирующего блока 10 подключен к информационному входу аналого - цифрового преобразователя 4. Вход блока 12 управления подключен к выходу формирователя 1, первый выход - к управляющему входу инвертора 7, второй выход - к управляющему входу ключа 3, третий выход - к соединенным между собой входам управления первого масштабирующего блока 8, второго масштабирующего блока 10 и вычислительного блока 6, а четвертый выход - к входу сброса счетчика 11 адреса, счетный вход которого соединен с выходом ключа 3, а выход - с адресным входом блока 5 памяти.На фиг. 1 представлена также структур ная схема блока 12 управления, которы может быть выполнен в виде подключенны к его входу последовательно соединенны счетчика 13 и дешифратора 14, первый четвертый выходы которого образуют одно именные выходы блока 12 управления.В основе работы измерителя лежат сле дующие положения. Пусть входной полигар монический сигнал Х, у которого требуетс определить коэффициент гармоник, выра жается следующим образом:(2) 40 О - Г 3= 1(а 1 Х+а 2 К 4 1 Х ), й К=1х. (4) хИз выражения (4) следует, что за счет - проведения указанных операций удалось - 45 скорректировать аддитивную составляюЩУЮ ао И ВСЕ ЧЕТНЫЕ ЧЛЕНЫ а 2 К, ВНОСЯЩИЕ нелинейные искажения в исследуемый сигнал Х в соответствии с формулой (2). Однако я нечетные члены а 2 к+1 аппроксимирующе- - 50 го полинома также оказывают влияние наточность измерения коэффициента гармоник, так как являются источником нелинейных искажений исследуемого сигнала. Это влияние уменьшается масштабированием.55 Масштабирование (усиление или ослабление) сигнала в гп раз вводится для прямого и инвертированного сигналов. В случае ослабления сигнала выражение(4) преобразуется в следующее: аХ = ) Агаи (гав - 9 Ъ)где Аг - амплитуда г-й гармоники; Рг - фаза г-й гармоники; г = 1,2й - номер гармоники. Нелинейные искажения, вносимыевходными устройствами (например, фильтром, усилителем и пр,) до разложения спектра исследуемого сигнала на гармоники, 5 можно аппроксимировать степенным полиномом К - й степени; К К О =аКХ =ао+а 1 Х+аКХ 10 К=2где О - сигнал, спектр которого разлагается на гармоники при определении коэффициента нелинейных искажений;ак - весовые коэффициенты полинома, аппроксимирующего нелинейные искажения входных устройств;ао - аДДИтИВНаЯ СОСтаВЛЯЮЩаЯ ПОГРЕШ- ности входных устройств;а 1 - мультипликативный член, представляющий собой сумму коэффициента масштабирования (усиления или ослабления) входных устройств и собственно мультипликативной составляющей погрешности,Проинвертируем входной сигнал. 2 КО =ао -а 1 Х+ д а 2 К ХК=1кХ а 2 к+1 Х =ао - а 1 Х+К=1 Из выражений (2) и (3) найдем разностьпрямого и инвертированного сигналов:1642409 Проведение масштабирования прямого и инвертированного сигналов и определение их разности К+1 раз приводит к системе нелинейных уравнений= - Х;Ом соз в 1 бт = Т где р = 1 К+1 - номер масштабного коэффициента п 1,Из этой системы можно определить 20 мультипликэтивную составляющую Огг полинома (2) как функцию 1 от разностей прямого и инвертированного значений сигнала и коэффициентов масштабирования вр,а 1 Х зи (в т + р 1 ) сов а т от =а 1 А 1 Т зп (Р 1 а 1 А 1 2гДе 01 а - амплитУДа пеРвой гаРмоники, выделенная с помощью ортогональных составляющих а 1 и Ь 1 из входного сигнала а 1 Х,Тогда коэффициент гармоник из (9) иГ -Таким образом, значение к та гармоник исследуемого си мультипликативной составляю зависит, что позволяет решать 0 - О =2 + агк+1 О, = а 1 Х = т(01 - О 1 Ог - Ог,Ок+1 - Ок+1, т 1, гпг, "., П 1 к+ 1) =Фр Оргпр).(7) Сигнал Ом может использоваться непосредственно для определения коэффициента нелинейных искажений путем разложения спектра сигнала на гармоники, так как нелинейные составляющие в нем отсутствуют. При этом следует учесть, что коэффициент гармоник сигнала Ом не зависит от величины а 1 и равен коэффициенту гармоник исследуемого сигнала Х,Докажем это, используя выражение (1): йОм=а 1 Х =а 1А, з)п (гас+ рг).г=1(8) Определим квадрат деиствующегония напряжения Ом: Квадрат действующего значения первой гармоники сигнала с использованием коэффициентов ряда Фурье определяют следующим образом:1642409 Во время второго периода Т 2 блок 12управления вырабатывает сигнал записи ОБу 12 на втором выходе и на вход тактировки преобразователя 4 через ключ 3 поступа ет М импульсов умножителя 2 частоты (см,диаграмму Окз), При этом прямой исследуемый сигнал Х поступает через управляемый инвертор 7, первый масштабирующий блок 8, блок 9 входных устройств и второй 10 масштабирующий блок 10 на аналого - цифровой преобразователь 4, с выхода которого М синхронных отсчетов О 1 записывается в блок 5 памяти ( - параметр дискретного времени). Адреса ячеек памяти формирует 15 счетчик 11 адреса по сигналу с выхода ключа3, Если коэффициент передачи первого масштабирующего блока 8 равен 1/щ 1(т. е. он является аттенюатором), а второго масштабирующего блока 10 - а 1(т,е, блок является 20 усилителем), то в соответствии с (2) имеем Х к Ои =т 1 ак ( -т 11(14) где й - коэффициент умножения частоты (количество отсчетов на период сигнала),За время первого периода Т 1 исследуемого процесса происходит сброс счетчика 30 11 адреса сигналом Оьу 12 с четвертого вы 4хода блока 12 управления и установка коэффициента масштабирования гп 1 первого и второго масштабирующих блоков 8 и 10 сигналом Оьу 12 с третьего выхода блока 12 35зуправления. Коэффициент в 1 записывается также в вычислительный блок 6. Первый и второй масштабирующие блоки 8 и 10 являются обратными преобразователями (если входной сигнал имеет низкий уровень, то 40 первый масштабирующий блок 8 является усилителем, а второй блок 10 - аттенюатором, а если уровень сигнала высокий, - наоборот). Эти блоки предназначены для масштабирования входного сигнала без по тери точности при аналого - цифровом преобразовании, Фактически именно эти блоки обеспечивают проведение необходимого числа измерений в разных точках аппроксимирующего полинома (5) и позволяют сфор мировать систему нелинейных уравнений вида (6), При этом следует учесть, что коэффициенты масштабирования щр имеют небольшую величину (в пределах 1 - 5), поэтому нелинейные искажения, вносимые 55 масштабирующими блоками 8 и 10, пренебрежимо малы по сравнению с искажениями блока 9 входных устройств, нелинейность которого корректируется.(15) линейных уравнений (6) линейными методами и легко сводить полиномы высоких степеней от Х вида (5) к уравнению первой степени от Х вида (7). Значение коэффициента гармоник сигнала Ом, определяемое по формуле (13), равно значению коэффициента гармоник исследуемого сигнала Х и принимается за окончательное,Измеритель работает следующим образом.При поступлении на вход устройства периодического сигнала Х на выходе формирователя 1 формируются прямоугольные импульсы Оф 1, период следования которых равен периоду Тх исследуемого процесса, Эти импульсы, поступая на вход блока 12 управления, иницилруют начало работы устройства, при этом на выходе умножителя 2 частоты синхронно с периодом исследуеМого сигнала формируются импульсы тактировки аналого - цифрового преобразователя 4 с частотой,В третьем периоде Тз управляемый инвертор 7 переходит в режим инверсии по сигналу Ову 12 блока 12 управления, и в так 4те Т 4 в блок 5 памяти записываются К выборок О 11 инвертированного входного процесса, С учетом коэффициентов масштабирования блоков 8 и 10 и выражения (3) имеем О 1;=т 1, а 2 Е- )К(16) Из выражений (15) и (16) следует, что благодаря взаимообратному характеру преобразователей 8 и 10 масштаб информативного мультипликативного члена Оы = а 1 Х не изменяется, Далее в такте 15 на третьем . выходе блока 12 управления устанавливается новый масштабирующий коэффициент гп 2 и процесс записи отсчетов прямого и инвертированного сигналов повторяется (фиг, 2), Количество повторных циклов масштабирования зависит от порядка полинома (5), аппроксимирующего нелинейные искажения, вносимые блоком 9 входных ус(18) м вам р )2 Формула Измеритель содержащий бло следовательно сое умножитель част ровой преобразо ления, вход кото формирователя, а ляющим входом теля соединен с в изобретеннелинейных иск входных устр диненные форм ты, ключ и ана атель, а также брого соединен с второй выходЛючд, д ВХОД ф одом измерител кажений, ОЙСТВ, ПО- ирователь, 4 лого - цифлок управвыходом - с управормирова я, о т л итройств. На практике достаточно ограничиться третьей или пятой степенью полинома, так как с увеличением степени усложняется вид уравнения (7),Функционирование счетчика 13 и дешифратора 14 в составе блока 12 управления очевидно из фиг. 1 и 2: тактовый сигнал с выхода формирователя 1 поступает на вход счетчика 13, а управляющие сигналы блока 12 управления формируются на выходах дешифратора 14.По окончании цикла записи отсчеты сигнала из блока 5 памяти поступают в вычислительный блок 6, где прежде всего происходит определение разностных сигна- лОВ (Ор" Ор,Из выражений (5), (15) и (16) следует, что 2 лгде р = - 1,=1.2. й,МКоэффициенты гармоник сигналов Х и 30 Ом равны между собой, поэтому значение К, определенное по формуле (18), принимают за окончательное.Таким образом, предлагаемый измеритель позволяет устранить погрешность, 35 связанную с нелинейностью аналого - цифрового преобразователя и входных устройств, и получать значение коэффициента гармоник Кг, искаженное только влиянием шумовых факторов и погрешностью производимых вычислений. 40азк +а + Хгк+Ор = - Ор = 2 а 1 Х + ,гпр" 2 К+1К 1 Щр(17) Затем, в соответствии с выражением (7) вычисляют отсчеты сигнала Ом = а 1 Х, в котором нелинейные искажения, связанные с влиянием блока 9 входных устройств, отсутствуют. После этого в вычислительном блоке 6 определяется значение коэффициента гармоник в соответствии со следующим выражением; ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены управляемый инвертор, первый и второй масштабирующие блоки, счетчик адреса, блок памяти и вычислительный блок, выход которого соединен свыходом измерителя, а вход соединен с выходом блока памяти, первый вход которого соединен с выходом аналого - цифрового преобразователя, а второй - с выходом счетчика адреса, вход которого соединен с выходом ключа, а управляющий вход соединен с четвертым выходом блока управления, третий выход которого соединен с управляющими входами вычислительного блока, первого и второго масштабирующих блоков, а его первый выход - с управляющим входом управляемого инвертора, вход которого соединен с входом измерителя, а выход - с входом первого масштабирующего блока, выход которого соединен с входом блока входных устройств, выход которого соединен с входом второго масштабирующего блока, а выход последнего соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя.1642409 Составитель А.ДворникТехред М,Моргентал ректор И,Муска едактор А.О роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 1145 Тираж 436 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5