Устройство для определения интегральных характеристик периодического сигнала

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 119) И 1) А 3(50 Н 03 К 13/02. ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(72) И,М.Вишенчук и А,В,Гупало (71) Львовский ордена Ленина политех нический институт им. Ленинского комсомола(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 600721, кл, Н 03 К 13/02,. 1976.2. Мирский Г.Я, Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М 993 нергия, 1972,.с. 56, рис. 3-7.3. Авторское свидетельство СССР Р 947957, кл. Н 03 К 13/02, 1979(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛАсодержащее аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого соединен с входной шиной и первым входом формирователя, а выход - с первым входом элемента 2 И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход - с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с ныходом двшифратора, вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, выход формирователя соединен с входомитогового счетчика, выход которогосоединен с первым входом второгосчетчика, выходы которого соединеныс входами второго элемента ИЛИ, авторой вход - с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов,отличающее сятем, что,с целью повышения точности устройства, н него введены второй делительчастоты, реверсинный счетчик, счетчик с переменным коэффициентом деления, первый вход которого соединенс выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с первым выходом реверсивного счетчика, а выход - с вторым входом элемента 2 И-ИЛИ,,третий и четвертый входы которогообъединены и соединены с вторымивходами первого элемента ИЛИ, второго элемента И и вторым выходомренер.синного счетчика, первый вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ и третьим входом второгосчетчика, второй вход - е выходомдешифратора, при этом вход второгоделителя частоты соединен с выходомгенератора импульсов, а выход - свходом первого делителя частоты,вторыми входами аналого-цифровогопреобразователя и формиронатвля соотнетстненно, 1069151Изобретение относится к измерительной технике и используется вспециализировапной аппаратуре дляопределения интегральных характеристик периодического сигнала, приизмерении которых предварительнонеобходимо производить функциональное преобразование сигнала с последующим выделением постоянной составляющей, при этом важной задачей является уменьЬение погрешности изме 10рения постоянной составляющей преобразованного сигнала, гармоники которого представляют собой помеху.Известно устройство для измерениядействующего значения сигнала, содер жащее входной усилитель, два компаратора, источник калиброванного напряжения, аналоговый сумматор, генератор тактовых импульсовгенераторпсевдослучайных чисел, цифроаналого-. 20вый преобразователь, две группы вентилей, логический инвертор, решающийблок и регистрирующее устройство Ц,Известно устройство для измерения среднего значения, содержащее 25аналого-цифровой преобразователь,электронно-счетный измеритель отношения и генератор импульсов опроса,выход которого соединен с первымвходом аналого-цифрового преобразователя и первым входом измерителяотношения, а второй вход аналогоцифрового преобразователя соединенс общим входом устройства (21,Недостатком этих устройств является низкая точность определенияоценки среднего значения периодического сигнала.Ниболее близким к изобретению потехнической сущности является устрой.ство для определения интегральныххарактеристик периодического сигнала, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первый вход которогосоединен с входной шиной и первымвходом Формирователя, а .выход - с 45первым входом элемента 2 И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И выход которого соединен с входом первого счетчика, а второй вход - с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом дешифратора, вход. которого соединен с выходомпервого делителя частоты, выход формирователя соединен с входом итогово го счетчика, выход которого соединенс первым входом второго счетчика, выход которого соединен с входом второго элемента ИЛИ, а второй вход - свыходом второго элемента И, первыйвход которого соединен с выходом генератора импульсов 3),Недостатком известного устройстваявляется также низкая точность опоеделения интегральных характеристик .периодического сигнала,Целью изобретения является повышение точности устройства,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство.для определения интегральных характеристик периодического сигнала, содержащее аналого-цифровой. преобразователь, первыйвход которого соединен с входной шиной и первым входом Формирователя,а выход - с первым входом элемента 2 И-ИЛИ, выход которого соединенс первым входом первого элемента И,выход, которого соединен с входомпервого счетчика, а второй вход - свыходом первого элемента ИЛИ первыйУФвход которо о соединен с выходомдешифратора, вход которого соединенс выходом первого делителя частоты,выход Формирователя соединен с входом итогового счетчика, выход которого соединен с первым входом второго счетчика, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ,а второй вход - с выходом второгоэлемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов,введены второй делитель частоты, реверсивный счетчик, счетчик с переменным коэффициентом деления, первыйвход которого соединен с выходоманалого-цифрового преобразователя,второй вход - с первым выходом реверсивного счетчика, а выход - свторым входом элемента 2 И-ИЛИ третий и четвертый входы которого объединены и соединены с вторыми входами первого элемента ИЛИ, второгоэлемента И и вторым выходом реверсивного счетчика, первый вход которогосоединен с выходом второго элемента И 11 И и третьим входом второго счетчика второй вход - с выходом дешиФратора, при этом вход второго делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов, а. выход - с входом первого делителя частоты, вторыми входами аналого-цифрового преобразователя и Формирователя соответственноНа Фиг, 1 представлена структуРная схема предлагаемого устройства;на Фиг. 2,.а - весовая функция, реализуемая предлагаемым устройством; яаФиг. 2 Х; б- спектры компонентов спектральной характеристики реализуемой весовой функции,Устройство для определения интегральных характеристик сигнала (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП 1 1, управляемый делитель 2 частоты, электронно-счетный измеритель 3 отношения, измеритель 4 периода сигнала, генератор 5 части периода сигнала, генератор б импульсов, счетчик 7 с перемен 1069151ным .коэффициентом деления, элемент 2 И-ИЛИ 8, элемент И 9 счетчик 10, формирователь 11, итоговыйсчетчик 12, элемент И 13, счетчик 14,элемент ИЛИ 15, реверсивный счетчик 16, делитель 17 частоты, дешифра-,тор 18, элемент ИЛИ 19, делитель 20частоты импульсов, входную шину 21.Кроме того, на Фиг. 1 обозначены:выход 22 аналого-цифрового преобразователя 1, выход 23 элемента 2 И-ИЛИ 8,10выход 24 элемента ИЛИ 19, выход 25итогового счетчика 12, выход 26 элемента ИЛИ 15, первый 27 и второй 28выходы реверсивного счетчика 16, выход 29 делителя 20 частоты импульсов,5выход 30 генератора б импульсов.УпраВляемый делитель частоты 2содержитсчетчик 7 с переменным коэф-фициентом деления, и элемент 2 И-ИлИ 8,причем первый вход счетчика 7 соединен с первым входом первого элемента И элемента 2 И-ИЛИ 8 и выходом 22ЪЦП 1. Первый вход второго элемента Иэлемента 2 И-ИЛИ 8 соединен с выходом счетчика 7, второй вход которого соединен с первым выходом 27 реверсивного счетчика 16, Второй (инверсный) вход первого элемента Иэлемента 2 И-ИЛИ 8 и второй вход второго И этого же элемента соединеныс вторым выходом 28 реверсивногосчетчика 16,Электронно-счетный измеритель 3отнощения содержит элемент И 9, счетчик 10, делитель 17 частоты, дешифратор 18, элемент ИЛИ 19, Выход 23. элемента 2 И-ИЛИ 8 соединен с первымвходом элемента И 9, выход которогосоединен со счетчиком 10, Второйвход элемента И 9 соединен с выходом 24 элемента ИЛИ 19. Выход делителя 17 частоты соединен с входомдешифратора 18, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 19, второй вход которого соединен с вторым выходом 28 реверсивнрго счетчика 16 .Измеритель 4 периода сигнала содержит последовательносоединен- .. ные Формирователь 11 и итоговый счет чик 12. Первый вход Формирователя соединен с входной шиной 21 устройства и первым входом АЦП 1, а второй вход Формирователя 11 соединен с вторым входом АЦП 1, входом делителя 17 частоты электронно-счетного 55 измерителя отношения и выходом делителя 20 частоты импульсов.Генератор 5 части периода сигнала ссцержиТ элемент И 13, счетчик 14 и элемент ИЛИ 15, причем выход эле мента И 13 соединен с первым входом счетчика 14, второй вход которого соединен с выходом 25 итогового счетчика 12 измерителя периода сигнала. Выходы счетчика 14 соединены с ,-входами элемента ИЛИ 15, выход которого соединен с третьим входом счетчика 14 и первьм входом реверсив" ного счетчика 16. Первый вход элемента И 13 соединен с выходом 30 генератора 6 импульсов и входом делителя 20 частоты импульсов, Второй вход элемента И 13 соединен с вторым выходом 28 реверсивного счетчика. 16, Второй вход реверсивного счетчика 16 соединен с выходом дешифратора 18 электронно-счетного измерителя 3 отношения.Управляемый делитель 2 предназначен для деления и передачи на выход выходных импульсов АЦП 1 в соответствии с состоянием выходного кода на первом выходе 27 и управляющего сиг" нала на втором выходе 28 реверсивного счетчика 16.Электронно-счетный измеритель 3 отношения предназначен для измерения отношения средней частоты выходных импульсов АЦП 1 к частоте импульсов на выходе 29 делителя 20. Для реализации весовой функции введен элемент ИЛИ 19, удлиняющий время измерения на длительность управляющего сигнала на втором выходе 28 реверсивного счетчика 16,Измеритель 4 периода сигнала служит для преобразования переменной составляющей входного сигнала в сигналы логического нуля и единицы с последующим формированием интервала длительностью в один период входного сигнала, на протяжении которого ведется подсчет импульсов с выхода 29 делителя 20 частоты импульса.Генератор 5 части периода сигнала поедназначен для выработки импульсов длительностью Тх/2 где Тх - период входного сигнала;2 - разрядность делителя 20.йРеверсинный счетчик 16 служитдля формирования управляющих сигналов на втором выходе 28 длительнЬстью (2 -1) и выходяых кодовна первом выходе 27 для управляемого делителя 2.частоты,Генератор б импульсов и делитель 20 служат для формированиятактовых импульсов и импульсов опроса для АЦП 1, измерителя 4 периода сигнала, генератора 5 части периода и электронно-счетного измерителя 3 отношения,Устройство работает следующимобразом.Перед началом измерительного цикла осуществляется измерение периода сигнала Тх при помощи измерителя 4 периода сигнала. Код периода сигнала хранится в итоговом счет. чИке 12, В начале измерительного цикла счетчики 14 и 16 обнуляются,/Со 57)ХТх/2 СР 5%Лх/Ф"в и сформированные при этом импульсыс выхода 26 элемента ИЛИ 15 разрешают передачу обратного кодас выхода 25 итогового счетчика 12 в счетчик 14, а управляющий сигнал с второго выхода 28 реверсивного счетчика открывает элемент И 13 и пропускает на счетный вход счетчика 14 импульсы генератора б до момента обнуления счетчика 14, после чего на выходе 26 элемента ИЛИ 15 снова вырабатывается импульс записи в обратномкоде информации со счетчика 12 всчетчик 14, при этом в реверсивныйсчетчик 16 записывается единица, Элвмент И 13 остается открытым, на счет ный вход счетчика 14 продолжаютпоступать импульсы генератора 6и цикл повторится снова,Учитывая что частота импульсовгенератора б в 2" раз выше частоты 20на выходе делителя 20 (и- разрядность делителя 20), на выходе элемента ИЛИ 15 вырабатываются импульсы спериодом Тх/2 , которые поступаютна счетный вход счетчика 16. Информа 25ция о состоянии счетчика 16 передает.ся с первого выхода 27 на второйвход счетчика 7 с переменным коэффициентом деления, Выходные импульсыАЦП 1 делятся на счетчике 7 и через 3открытый второй элемент И элемента 2 И-ИЛИ 8 поступают на выход 23управляемого делителя 2 частоты.Разрядность счетчика 16 - 2 , поэтому на интервале времени 0,2 пна выходе 23 будут импульсы АЦП 1,средняя частота которых изменяется В последнем выражении экспоненциальные множители от мнимых аргументов выражают только фазоные сдвиги, поэтому модуль спектра равен:Т /2" "/или с учетом выражениясоб ИТх/2 со 5 ТХТх/Ф СО 5 ЬТх/2 //=зю ЯХТр2 з 7(РХЬ/2 / по ступенчато-возрастающему закону, В момент времени (Тх/2 ) (2"-1) управляющий . сигнал с второго выхода счетчика 16 открывает первый злемент И элемента 2 И-ИЛИ 8 и выходные импульсы АЦП 1 с весом 1 на интервале времени (Тх/2".) (2"-1) - Та поступают на выход 23 и через открытый элемент И 9 - на счетный вход счетчика 10. В момент Та счетчик 14 обнуляется, триггера реверсивного счетчика 16 устанавливаютсяв единичное состояние, с ныхода двшифратора 18 на нход реверса счетчика 16 постуцает сигнал, устанавливающий счетчик н режим вычитания, сигнал с выхода 28 открывает второй элемент И элемента 2 И-ИЛИ 8, элемент И 13, и через элемент ИЛИ 19 удлиняет время счетадо.,момента времени Та+ л(Й 1) , у7 хЯа интервале Та - Та+ р(2 -1) работа устройств аналогична работе на интервале 0 - (Тх/2 ) (2 - 1), но при этом на вход счетчика 7 с первого выхода 27 реверсивного счетчика 16 поступает выходной код, обусланливающий ступенчато-убывающее изменение средней частоты выходных, импульсов АЦП 1 на выходе 23,Таким образом, реализуется функ- цияУ , представляющая собой сумму 2 прямоугольников высотой (2 Та) , сдвинутых относительно друг друга на интервалы времени Тх/2 , спектр б э) которой представлен на фиг, 2 с) и равен+Тх/2 1 7 о Тх/2 (2 -1),дс+"+/Рсд 2 Тх/2 (2 -1) В спектральной характеристике второй сомножитель (фиг. 2 б) превращается в нуль на всех гармониках нходного сигналаТх , где =1, 2, 3, ,с кроме частот, удовлетворяющих равенствоХ = (Тх 2 ) , (4) где ОГ =1, 2, 3, ,ссдля которых выражение (2) пренращается н 1, т,е. происходит равновесное суммирование с погрешностью, описываемой первым сомножителем выражения (3),Выбор П (разрядность делителя частоты 20 и реверсивного счетчика 16) ограничивается числом, для которого первая частота, проходящая с единичным несом, подавляется прямоуголь 1069151ной весовой функцией (первый сомножитель выражение (3) ) до величины,меньше допустимой, Учитывая выражение (4) получимо= (/Та Тх 2 )Отсюда=" 6 т - Ртх)+111Для. данного Ф получим подавлениевсех четных и нечетных гармоник,погрешность от которых большв допустимой Р,ОТаким образом, в предлагаемомустройстве благодаря наличию счетчика 16 и счетчика 7 с переменнымкоэффициентом деления частоты реализуется весовая функция, способная 15адаптироваться к частоте четных и нечетных гармонических составляющихфункционально-преобразованного сигнала: при измерении периода сигналаавтоматически.изменяются нули второ 20го компонента спектральной характеристики (3) (фиг, 2.6) .Адаптация к амплитуде заключается в том, что при уменьшении амплитуды рано или поздно формирователь 1125перестает работать иэ-за того, чтоамплитуды сигнала недостаточно.В этом случае показание йтоговогосчетчика 12 равно нулю, интервал(Тх/2 ) (2 -1) превращается в нуль ЗОи весовая функция становится прямоугольной. Однако порог срабатыва.ния формирователя всегда намногониже предела измерения, и прямоугольная весовая функция будет вполнеудовлетворительной, так как помеху.слабого уровня подавлять можно хуже,Для предлагаемого устройства погрешность определения интегральныххарактеристик сигнала, содержащегочетные и нечетные гармоники (уровеньотклонения от нуля спектральной характеристики) на интервале анализаТа определяется из выражения (3).Первый сомножитель в худшем случаеравен (Ях та) . Второй сомножи 45тель при измерении Тх с погрешностьюаТх составит5 фг 7 Йх (Тх ЬТх)- /гекат 502 " г"-"ам//Ех ЬТх2 (эй 77/г" "д/2 Дт, Ь) ьл Мх ВТХ(6)В выраже нии ( 6 ) при изменении 0 в пределах от 2 до сФ знаменатель изменяется в пределах от 2 до 7/ и учитывая, что синус малых углов равен аргументу выражения, выражение (6) примет видэ и А Ех Ь) х У) Ех Ь ТЯ " Ьи 7;/2 ) 2Умножив выражение (7) на (а%с Та)получим/ б( Х ) / - с)= д Тх/2 Т( 8)Таким образом, последнее выражение описывает погрешность определения интегральных характеристнкпериодического сигнала, содержащегокроме нечетных, четные гармоники.Для известного устройства погрешность определения интегральных характеристик сигнала, содержащего четные и нечетные гармоники, на интервале анализа Та определяется выраже"ниемд:/(Г 1 х Та) / .(9)где- номер четной гармоники впреобразованном сигнале.Сравнивая погрешности предлагаемого и известного устройствР,д = 2 тх/Г Ьтх, (10)видйо, что при измерении Тх с погрешностью 1г/4:- 1 ОО = ,(11)Из последнего вйражения следует,что при измерении Тх с погрешностьюменее 13 подавление второй гармоники приблизительнО в 30 раэ больше,чем у известного устройства.Технико-экономический эффект изобретения состоит в том, что использование устройства в вольтметрах дляопределения интегральных характеристик сигналов (среднеквадратического,средневыпрямленного, среднего детектированного) приводит к значительным улучшениям основных техническиххарактеристик, а именно к уменьшению погрешности и времени преобразования как при измерении синусоидальных, так и искаженных сигналов, овиы1069151Фиг 2Составитель А. Кузнецов Реда кт ор А. Шандор Техред Т . Маточ к а Ко 1 ректор А,Дзятко Заказ 11492/55 Тираж 868 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Рауюская наб д, 4/5 Филиал ППП Патент, г,ужгород, ул,Проектная, 4