Устройство для измерения многомерных передаточных функций нелинейныых систем

/2 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИА ВТОРСКОМУ СВЯДЕТЕЛЬСТВУ П ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬ 7 ИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Новосибирский электротехнический институт(56) Авторское свидетельство СССР У 1012157, кл. С 01 Б. 27/28, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ И 311 ЕРЕНИЯ МНОГО-. МЕРНЫХ ИЕРЕДТОЧНЫХ ФУНКЦ 1 й 1 НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ(57) Иэобретени - может быть использовано для измерения многомерных пе, редаточных функций нелинейных систем. Цель изобретения - повьппение точности и снижение трудоемкости измерений - достигается путем формирования когерентных компонент в испытательном сигнале и применения следящего голодрано,"о Фильтра 3 для отслеживанияуходов частоты опорного генератора,что устраняет флуктуации Фазы,обуслов н.нные дестабилизирующими Факторами, и исключает калибровку опорногоканала. Для этого в устройство вве,пены генератор 1 опорной ча тоты имногоканальный синтезатор 2 когерентных частот, выходной сигнал которогочерез сумматор 4 поступает на входизмеряемого объекта и безынерционного нелинейного элемента 5, сигнал свыхода которого, проходя через следящий полосовой Фильтр 3 и переключатель 7, перемножается в умножителеб с выходным си;налом ооъекта 10 измерения. Выходной сигнал умножителяб интегрируется в интеграторе 8 иизмеряется вольтметром 9. 6 ил, 162699Изобретение относится к измерительной технике и может использовать ся для измерения многомерных передаточных Функций нелинейных систем, в частности многополюсников и цепей высокой и сверхвысокой частоты (ВЧ и СВЧ).Целью изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости измерений путем формирования когерентных компонент в испытательном сигнале и применения следящего полосового Фильтра для отслеживания уходов частоты опорного генератора, что устраняет Флуктуации Фазы,обусловленные дестабилизирующими факторами: нестабильностью температуры, питающих напряжений и так далее, и исключает калибровку опорного канала.Иа Фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - структурная схема многоканального синтезатора когерентных частот; на фиг.3 - структурная схема умножителя частоты одного из каналов синтезатора; на Фиг.4 - структурная схема следящего полосового Фильтра; на фиг. 5 и 6 - графики, поясняющие выбор промежуточной частоты, при которой обеспечивается наилучшее подавление (максимальная расстройка) спектральных составляющих паразитных каналов1 О 15 20 25 30 35 Устройство (фиг.1) содержит генератор 1 опорной частоты, выход которого подключен к опорным входам многоканального синтезатора 2 когерент ных частот (ИСКЧ) и следящего полосового Фильтра 3, сумматор 4 гармонических колебаний, Я входов которого подключены к 11 выходам синтезатора 2, а выход подключен к входу безыинерционного нелинейного элемента 5, умножитель 6, опорный вход которого соединен с выходом переключателя 1, первый вход которого подключен к синфаэному у а второй вход к квадратур 50 ному выходам следящего полосового фильтра 3, вход которого подключен к выходу элемента 5. Выход умножителя 6 через интегратор 8 подключен к вольтметру 9 постоянного напряжения, вход исследуемой нелинейной системы 10 подключается к выходу сумматора 4, а выход - к сигнальному входу умножителя. 11 СКЧ 2 состоит из цдецгичц 11 У каи ЛЛОБ 11 ХОДЫ КОтоРЫХ СОСДНЦСЦ 11 С ОПОРным входом синтезатора 2. Каждый изкацалов состоит из последовательносоединенных управляемых умцожителя11 частоты и аттецюатора 12, ца управляющие шины которых подаются циФровые коды, Определяющие коэ 11 фи 1 гиентумножения и и затухаггце Л задающие частоту Г, и амплитуду 11 выходного колебания г-го канала синтезатора 2 (1 = 1,211). Умцожители11 11 ,частоты с регулируемымкоэффициентом умножения, изменяющимся в широких пределах, могут бытьреализованы на известном дискретномкольце Фазовой автоподстроцки частоты(Фиг.3), содержаще 1 г Фазовый детектор13, Фильтр 14 низкой частоты,генератор 15, управляемый напряжением, иделитель 16 с переменным коэффициентом деления, Следящий полосовойфильтр 3 состоит из входного преобразователя 17, сигнальный вход которого является входом Фильтра 3, а выход подключен к входу Фильтра 18 промежуточной частоты, выход которогочерез фазовращатель 19 подключен квходу фазового расщепителя 20,реализованного на трехдецибельцом цаправленном ответвителе на связанных линиях с балластной нагрузкой, выходныесигналы которого сдвинуты ца 90один относительно другого в широкойполосе частот. Выходы фазорасщепителя 20 подключены к сигнальным входам выходных преобразователей 211 и22 частоты, выходы которых являются синфазным и квадратурцым выходами следящего фильтра 3, Опорные входы всех преобразователей Фильтра 3подключены к выходу синтезатора 22комбинационных частот, первый сигнальный вход которого является опорным входом следящего Фильтра 3, авторой вход ггодключен к выходу высокостабильного генератора 23 промежуточной частоты, а на цифровую шинууправления синтезатора 22 подаетсякод комбинационной частоты п 1, Следящий полосовой Фильтр 3 охвачен системой автоматической подстройки Фазы,состоящей из фазового дискриминатора24, входы которого цодклю 11 оц 1,1 к входу и квадратурному выходу следящегофильтра 3, а выход череФцлг,тр 25нижних частот подключен к уравляющему входу фазовращате 1 я 1 О.,(2) де суммировани сем индексным роизводитсторам,5 1 бб 1Усгройство работает следующим образом.1 а цифровые управляющие шины синтезатора 2 подаются коды значений частот компонент испытательного сиг 5 нала иЕ = Р)1,где Е= (Е, ЕЕ),т Й = (ПИдП )и код их амплитуд А, а на управляющую шину Фильтра 3 - код комбинационной составляющей, кГ)д номера гармоники 1)1 КС частоты Гс, которой является исследуемая составляющая, вычисленный по Формуле 1 кс = (ш, - ш,)п,гЕ 1 аВ результате на каждый из М входов сумматора 4 подается гармоническое напряжение частоты Еи на выхоТ (цде сумматора 4 Формируется многочастотный испытательный сигнал Х(с) =,Е Ь,сов(2 НЕ;е + Я ),)Е 8где У Е;, (.; - амплитуда, частотаи начальная Фаза1-й частотной составляющей испытательного сигнала, измерен ные на входе А устройства.Отклик нелинейной системы у(с) на такой сигнал представляет сумму комбинационных составляющих, частоты Е К которых связаны с частотами испь тательного сигнала соотношением комплс.к(.и ) амигит .;)Я составляюшР 6 с част( Г(КОМЛЛРКСНО-СОПРНМЕРг;)а(+ 2ш) х Н +2 (ш) ехР Г с - (ш1.; -н- а, ) (Та (ш ) е ар ) (е (щ, ),где число слагаемых в су(сне па векторам ш определяется количеством композиций целого числа Б из М целых неотрицательных чи( ел и равно С, цВц е числу сочетаний иэ Б+Бпо 5, 1о о(ш +ш,) - пот)ядок комбинацион-гЙной составляющей,С - ) (125)ршТй ц ееТП ,ШШц мультиноминальный козФ(Ъициент; в = )его ж = н, (г,гее( Е г) Е.г, - Е, -Е,гТТ е р-г ЕкЕ 11 р -Ец,,-Е )Т ц ексное с целая часть выражения вскобках;порядок Функциональногополинома, описываюшегооператор передачи исследмой нелинейной системы:(р (ш )=; (ш- ш;)(р -Фаза комбигЕЙнационной составлял тей, обусловленная начальными Фазами частотных компонентов входного сигнала Ф, Ю 11.)Отклик на выходе безынерционного) нелинейного элемента 5 определяется теми же формулами, в которы.; все сечения многомерных передаточных функций являются действительными коэффициентами, поэтому Фазы комплексных составляющих на выходе элемента 5 определяются только начальными Фазами компонент испытательного сигнала на его входе и равнЫ (.10 (шо).Многочастотный с)тектр с выхода безынерционного нелинейного элемента 5 поступает на вход фильтра 3, на .- к,к,)а ЙВ(Оф С Е Оесли опорное колебание умножителя 6поступает с синфазного канала следящего фильтра 3, иК 1,а, (а, ) ),ВЫ)(90 управляющий цифровой вход которого подается цифровой код, задающий коэффициент деления делителя синтезатора 22, соответствующий частоте исследуемой комбинационной составляющей, в результате на выходе синтезатора 22 вырабатывается гетеродинное колебание частоты Е,1- = Е 1( (ш( - Еп, переносящее составляющую частоты Е с(по), действующую на входе фильтра 3, на Еп= Е, где Е, - частота на выходе генератора 23. Ввиду того, что гетеродинное колебание, как и испытательный сигнал, образовано в результате когерентного синтеза из колебания опорного генератора частоты Р, входные колебания преобразователей фильтра 3 когерентны одно другому (нестабильностью частоты генерато 20 ра 23 пренебрегаем), а так как частоты в первом преобразователе 17 фильтра 3 вычитаются одна из другой, нестабильности когерентных колебаний также вычитаются, и нестабильность 25 выходного колебания этого преобразо - вателя не зависит от нестабильности частот испытательного сугнала, а определяется только нестабильностью частоты генератора Е п .30Таким образом, полностью устраняются ошибки фазы опорного колебания измерительной установки, обусловленные нестабильностями частот испытательного сигнала и гетеродина следя. 35 щего фильтра 3. Одновременно существенно снижаются требования к стабильностям частот генераторов измерительной установки.В данном случае фильтр 18 проме жуточной частоты работает с нулевой расстройкой для частоты полезного колебания Ес, так как Фазовая расстройка коэффициентов передачифильтра 3, обусловленная запаздыванием сигнала в его элементах, а также нестабильности Фаз выходных колебаний фильтра 3 практически полностью устраняется кольцом автоматической подстройки фазы (АЛФ). Это50 позволяет полностью исключить операцию калибровки полосового перестраиваемого фильтра, а также значительно повысить точность измерения функций нелинейной системы за счет устранения влияния различных дестабилиэирую55 щих факторов (температуры, питающих напряжений и т.д.) на Фазы выходных колебаний фильтра 3.)(ля определения выхода слеляшего , фильтра 3, к которому следует подключить один из входов фазового детектора кольца АПФ, нужно знать характеристику фазового детектора, Если фазовый детектор 24 имеет характеристику Е(йф = -Есоз(ф, где Дфазы входных колебаний фазового детектора 24, то стационарной точкой устойчивого равновесия системы АПФ является точка Д =(поэтому входы такого фазового детектора 24 следует подключить к входу и квадратурному вь)ходу следящего фильтра (Фиг.4).На выходах следяшего Фильтра 3 выделяются сдвинутые одно относительно другого колебания частоты исследуемой комплексной составляюшей Е с(о), на синфазном выходе следящего фильтра 3+ ),(т)1 и на квадратурномц (с)соз 2 Ес(о) с + +Я (ш ) + - - и 1кс О 2 ) где йс, 1)к - амплитуды выходных колебаний следяшего фильтра 3; Чкс(й)о) с (ш ш ) Я 1 (1)аз а 16 Й комбинационной составляющей частоты на выходенелинейного элемента 5,зависящая только от начальных фаз компонентиспытательного сигнала. В зависимости ог положения переключателя 7 (фиг,1) колебание с син(1)азного или квадратурного выхода подается на опорный вход умножителя 6,на сигнальный вход которого подаетсямногочастотный сигнал с выхода нелинейной системы. В результате на выходе фильтра нижних частот выделяетсяпостоянное напряжениеесли с квадратурцого кгцала следящего фильгрл(К - коэф 1 тциетт 1 еред. чи последотателт ного соединения умно- житель б - фильтр циж цх частот) .11 змерив теличицы К, сс, 1 б .ложно5 определить ко.тлексттую амплитуду составляющей частотой Е,(шо) на выходе системы 1 О а (тт), фаза которой це зависит от начальных фаз компонент1 О испытательного сигнала, а определяется только инерционностью исследуемойнелинейной системы 10. Гто резульгатам проведения М измерений комплексной амплитуды составляющих составля ется система линейных уравнений, иэ решения которой определяются все сечения многомерных передаточных функций,Когерентцый синтез испь;тательцогс20сигнала из колеб ания опорного генератора 1 позволяет эффективто боротт, -ся и с паразитными каналами, присущими Фильтрации, узкополосным фильгром с двойным преобразованием часто ты: сквозным, зеркальным и соседнимиканалами.На Фиг.5 представлен спектр отклика. безынерционного нелинейного элемента 5 на многочастотное воздействие, сформированное при когерентномсинтезе испыгательного сигнала, и отмечены частоты паразитных каналов.Этот спектр образован только гармониками частоты Р , поэтому частотывсех комплексных составляющих отклика заранее известны, что может бытьиспользовано для эффективной борьбыс такими составляющими.Для борьбы с составляющими зеркальтгого и сквозного каналов на входе40первого преобразователя 17 следящего фильтра 3 может быть установлен фильтр высоких частот с частотой среза, равной нижней границе полосы частот исследуемого комбинацион 45 ного спектра, для расширения полосырабочих частот измерительной установки этот Фильтр, выполняющий рольпреселектора, должен быть перестраиваемым по диапазону частот. Для лучшей фильтрации составляющих сквозного канала может быть использован до оттцит с ль ныл 1 т (- (цый ца частоту Г упослетовагелтцо с прс с л,;Дополцительцые вож( ( ( Ч, (с паразигными кацапами (сигналов через филт тр с, в.образованием частоты основ. (; -о.,что все спектральць;е со тавл"на выходе нелинейного элемет,при когерентном синтезе истытатго сигнала ягляются гармоццкамц тоты Р . Если промежуточная чае отп фильтра выбрана из условит Г(1 + 0,5)Р/2, где 1 = 1,2,3,о составляющие зеркального кацапа ттстоят от частоты Гна рассточ(ц +Р /2, сквозного канала - ца р;о - сгояции Р/4 и+ 3/4 Р, и соседих каналов - на расстояцц тРд пт . бВсе этн составлтшие отстроец от частоты Г, поэтому логут б,гь подавлены Фильтром промет(уточтой частоты беэ введения дополнитетьтх Фильтров на входе с дяшего полосового фильтра 3. формул а изобретен;:тУстройство для измерения ттогоерных передаточньх функций цели.ет.ттьхсистем, содержашее суттьатср, выходкоторого подключен к первому входуустройства и входу нелинейного элемента, последовательно соединенныеумножитель, интегратор и вольтметр,а также переключатель, выходом подключенный к опорному входу умножителявходы переключателя соединены с сццфазным и квадратурным выходами полосового фильтра, вход которого соегинен с выходом нелинейного элемента,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности и уменьпениявремени измерений, в него введены многоканальный синтезатор и опорный генератор, а полосовой (1 ильтр выполненследящим за частотой Фильтруемого ко(лебания, причем выход опорг. го гецератора подключен к опорньм входамфильтра и синтезатора, выходы которого подключены к входам сумматора,причем сигнальный вход умножителя является вторым входом устройства, 1626199ГКНТ ССС оиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина Закаэ 2 ВНИИПИ Тираж 410 ПодписноеударственногЬ комитета по иэооретениям и открытиям пр113035, Москва, Ж, Раущская наб., д, 4/5