Анализатор спектра

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ СВИ ЬСТВУ/24-2157. Бюл. У 4т электродинамики зм ть и нализ ыми у зобре йко, В.Е.Ефремов,кий, М.В.Козлов лиза я(088.8)ое свидетельство СССРС 01 К 23/16, 1979р. Автокомпенсационные е устройства переменно.Энергия, 1977, с. 223,нальнык поставл ны рато мер о ока; М 1 1(21) 3840454 (22) 09.01.8 (46) 30.01.8 (71) Институ АН УССР (72) В.В.Бра О.Л.Карасинс и С.Г,Тарано (53) 621.317 (56) Авторск У 883772, клАлиев и д измерительнь СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК(51)4 С 01 К 23 1 НИЯ, "Я, ,;.АНАЛИЗАТОР СПЕКТРАзобретение относится к элекерительной технике. Может спользовано для спектрального а периодических сигналов с ма ровнями высших гармоник. Цель тения - повышение точности ан ра и расширение его функциовозможностей, Для достижениенной цели в устройство ввеычитающее устройство 4 гене компенсирующего сигнала, тель 14 действующих значений говые элементы 9 и 1 О, а уси 128 лите.пь 3 выпапесе 1 рРГули 1)уРмым, Уст - ройство также содержит вычитающее устройство 1, генератор 2 компенсирующего сигнала первой гармоники, блок т 6 выделения артогонатсьных составляющих гармоник, пороговые элементы 7 и 8, арифметическое устройство 11, блок 12 синхронизации, блок 13 индикации, В материалах изобретения приведены схемы ряда блоков устройства, которые содержат цифроаналоговые преобразователи 15, 16, :17, 18, 20, 22, 44, ключи 23, 24, 25, 26, 31,32, 33, 34, интеграторы 27 - 30, запоминающее устрой 7033ство 38, преобразователь када 36,задатчик 35, операционньсй усилитель19, сумматоры 37 и 45, резистор 21,блок 39 формирования констант, регистр 40 с индикаторам 41, фгзовращатель 43, переключатель 42, фильтр46 нижних частот, умножитель 47,распределитель 48 импульсов. Устройство позволяет измерять уровни высших гармоник по отношению к амплитуде первой гармоники, а также коэффициент гармоник и сдвиг фаз высшихгармоник относительно нуль-переходапервой гармоники. 4 з . и .Ф-лы,3 ил, Изобретение относится к электраизмерительпой технике и может бытьиспользатзано цття спектрагьпога анаЛИЗа ПЕРИОДИЧЕСКИХ С 1 СГСсаттаст С МаЛЫмп уровнями высших гарматтик, в частности, для измерения высших гармоникнапряжений электрической сети,Цель изобретения ; повышение точности анализатора и расширение егаФункциональных возможностей, связанных с обеспечением измерения уровней высших гармоссик па отношению камплитуде первой гармоники, каэффссциента гармоник и сдвсп а фаз высшихгармоник ОтнассстРльега нуль - пе 1 ехадяпервой гарссассгскгс,На фиг. 1 приведена структурнаясхема анализатора спектра; на Фиг. 2и 3 - временные диаграммы его рабаты.Анализатор спектра садержсст последовательно соединенные вычитающсеустройство 1, ко второму входу которого подключен генератор 2 компенси рующего сигнала первой гармоники,регулируемый усилитель 3, вычитаощееустройство 4, к второму входу которо.го подключен генератор 5 компенсирующего сигнала высшей гармоники,блок6 выделения ортоганальных составляющих первой и высшей гармоник с пороговыми элементамн 7 - 10 на выходах и арифметическое устройство 11,Выходы арифметического устройства11 подключены к генераторам 2 и 5,регулируемому усилителю 3, блоку6 выделения артаганальных составляющих, блоку 12 синхронизации и блоку 13 индикации, Вход блока синхрогнизации соединен с входом анализатора спектра, Блок 12 синхронизацииуправляет работой генераторов 2 и5, регулируемого усилителя 3, блока6 выделения ортогональных составляющих, арифметического устройства11 и блока 13 индикации. К выходуусилителя 3 также подключен измеритель 14 действующего значения напряжения.Генераторы 2 и 5 имеют идентич -ную структуру и образованы каскаднымсоединением двух цифроаналоговых преобразователей 15,16 и 17,18 соответственно,Цифроаналоговые преобразователи 15 и 17 используются в качестверегулируемых источников настоянныхнапряжений,Преобразователи 16 и 18, выполненные на базе циФроаналоговых преобразователей множительного типа, используются.в качестве перемножителей.11 оследнее также относится к функциям и реализации всех цифроаналоговых н,входящих в анализатор, Все цифроаналоговые преобразователи, используемые в анализаторе спектра, имеют встроенные ре,гистры, предназначенные для приемаи хранения кодовой информации, поступающей в преобразователи по цифровым входам. Генераторы компенсиру3 12870 ющих сигналов формируют сигналы, амплитуда которых определяется кодами преобразователей 15 и 17, а форма сигналов задается посредством кодовых последовательностей на цйфровых входах преобразователей 16 и 18,Регулируемый усилитель образован операционным усилителем 19, в цели обратной связи которого включен цифроаналоговый преобразователь 20. На 10 входе операционного усилителя расположен резистор 21. Коэффициент передачи регулируемого усилителя 3 обратно пропорционален величине кода цифроаналогового преобраэовате ля 20. Измеритель действующего значения напряжения представляет собой детектор среднеквадратического значения напряжения и является типовым элементом измерительной техни ки. Блок 6 выделения ортогональных составляющих реализован на базецифроаналогового преобразователя 22, к выходу которого посредством ключей соответственно 23 - 26 подклю чены интеграторы 27 - 30. Интеграторы формируют напряжения синусных и косинусных ортогональных составляющих первой и высшей гармоник.Цифроаналоговый преобразователь 22 ис пользуется в режиме разделения времени, что достигается поочередной коммутацией входов интеграторов с одновременной сменой вида опорных сигналов (синусный или косинусный) на 35 цифровом входе преобразователя.Благодаря этому интеграторы избирательно накапливают выборки входного сигнала с весами, изменяющимися по законам синуса и косинуса первой и выс шей гармоник. Режим разделения времени дает экономию количества перемножителей в блоке 6 выделения ортогональных составляющих. Информацией, управляющей работой арифметического 45 устройства 11, являются знаки напряжений ортогональных составляющих, формируемые на выходах пороговых элементов 7 - 10 и поступающие в арифметическое устройство соответст венно через ключи 31 34, а также код номера измеряемой высшей гармоники, формируемый задатчиком 35 номера гармоники. С выходов ключей 31-34 и задатчика 35 номера гармоники управляющая информация через преобразователь 36 кода поступает на вход сумматора 37, выход и второй вход которого соединены с входом и зз 4выходом оперативного запоминающего устройства 38, управляющая информа- ция поступает в арифметическое устройство последовательно в режиме разделения времени, Преобразователь кода 36 выполняет три функции: при поступлении управляющего сигнала из блока 12 синхронизации преобразователь 36 формирует на своем выходе код, равный единице; при поступлении кода номера гармоники с задатчика 35 преобразователь 36 кода пропускает сигналы задатчика без изменения, а при поступлении информации о знаках ортогональных составляющих преобразователь кода формирует в зависимости от знака код, равный +1 или -1, что соответствует формированию единицы в прямом или дополнительном коде. В ячейках оперативного запоминающего устройства 38 хранятся текущие значения регулируемых параметров и вспомогательная информация, необходимая для функционирования анализатора. Запоминающее устройство не только воспроизводит второе слагаемое сумматора 37, но и осуществляет фиксацию результатов суммирования. Блок 39 формирования констант представляет собой постоянное запоминающее устройство, в котором зафиксирована таблица синусов и коосинусов от нуля до 360 . Аргумент этой таблицы задается кодом оперативного запоминающего устройства 38,Вход блока 39 формирования констант подключен к выходу запоминающего устройства 38, а выход - к цифроаналоговым преобразователям 16, 18 и 22. При последовательном опросе адресов блока 39 констант на его выходе формируются последовательности цифровых сигналов, изменяющиеся по законам синуса и косинуса. Блок 13 индикации содержит каскадно соединенные регистр 40 с индикатором 41, Переключатель 42 осуществляет выбор информации, записываемой в регистр 40 для отображения на индикаторе 41. Блок 12 синхронизации содержит последовательно соединенные 90-градусный фаэовращатель 43 первой гармоники, цифроаналоговый преобразователь 44, сумматор 45, второй вход котоРого соединен с входом фазовращателя 43, фильтр 46 нижних частот, умножитель 47 частоты и распределитель 48 импульсов. Фильтр 46 имеет частоту среза, которая поз"5 12воляет выделить первую гармоникувходного сигнала. Умножитель частоты запускается нуль-переходами первой Гармоники и делит ее период наМ равных частей. Коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя 44 изменяется в диапазоне от -1до + 1. Выход запоминающего устройства помимо блока 39 подключен к вхо. -дам цифроаналоговых преобразователей 15, 17,20,. 44 и регистра 40.Выходы распределителя 48 импульсовподключены к входам записи цифроаналоговых преобразователей 15, 16, 17,18, 20, 22, 44, управления ключами23, .24, 25, 26, 3 1, 32, 33, 34, сброса интеграторов 27 - 30, управленияэадатчиком 35, преобразователем 36кода, блоком 39 Формирования констант, запоминающим устройством 38 ик входам переключателя 42. Задатчпк35 номера гармоники в простейшемслучае представляет собой обычныйпереключатель. В более сложных вариантах исполнения он может содержать переключатель с дешифраторомна выходе и управляющее переключателем программное устройство с таймером, Цифроаналоговые преобразователи 16, 18, 22, 44 могут быть выполнены на основе перемножающих цифроаналоговых преобразователей микросхем 572 серии, В качестве постоянного запоминающего устройства блока39 формирования констант могут бытьиспользованы микросхемь 1 556 серии,Распределитель 48 импульсов полностью описывается временными диаграммами выходных импульсов,ными ца Фиг, 2, В течение периодаТ входного сигнала импульсы П Формируются И Раз через интерваль 1 времени равные Т/К. Импульсы Б, осуществляют запись кодовой информациив цифроаналоговый преобразователь22. В течение длительности импульсовЬ 1Ьг Ъф Ьг зП происходит соответственно от крйвание ключей 3-25, 31-34, В течение импульса Б осуществляетсясброс интеграторов 28 - 30. ИмпульсБ, переводит блок 39 формированияконстант,из режима воспроизведениякосинусов в режим воспроизведеш 1 ясинусов, В течение импульсов Б иП происходит соответственно перевод преобразователя 36 кода в режимвоспроизведения кода равного единице и считывание информации задатчи 87033 6ка 35 номера высшей гармоники. Импульсы Б осуществляют запись выходных кодов сумматора 37 в оперативное запоминающее устройство 38. Импульсы БЬ Бьг, Ц Ь определяют адреса рабочих ячеек запоминающегоустройства 38, Импульсы Ц Пкг,Бк осуществляют записьЦкодовой информации соответственно 10 в цифроаналоговые преобразователи15 - 18, 44. Импульс Ц , осуществляет запись кода сдвига фазы высшей гармоники в регистр 40 блока13 индикации.15 Устройство работает следующим образом. При поступлении на вход анализатора спектра сигнала с периодом Тблок 6 выделяет ортогональные составляющие сигналов некомпенсации первойи высшей гармоник. Сигналы некомпенсации являются разностными сигналами измеряемых гармоник (первой и 5 высшей) входного сигнала и выходныхсигналов генераторов 2 и 5 компенсации, Равенство нулю выходных сигналов блока выделения ортогональныхсоставляющих свидетельствует о пол ной компенсации соответствующих гармоник, Анализатор спектра использует полярно-координатный метод компенсации, когда генератор компенсирующего сигнала перестраивается поФазе и амплитуде. Пороговые элементы выделяют состояние неравенстванулю и знак неравенства ортогональных составляюших. Неравенство нулюсинусных составляющих свидетельст вует о наличии фазового сдвига между гармоникой и сигналом компенсации, а неравенство нулю косинусныхсоставляющих при отсутствии фазовых сдвигов - о неравенстве ампли туд этих сигналов. Алгоритм компенсации заключается в определении знаков ортогональных составляющих сигналов некомпенсации, осуществляемомв течение периода входного сигнала, 50 и в формировании управляющих воздействий на параметры генераторовс последующим изменением значенийфаз и амплитуд генераторов компенсации, производимым в конце периода, 55 Процесс компенсации являетсл итерационным, т.е. описанная последовательность операций повторяется вовремени, обеспечивая следящий режим за параметрами входного сигна1287033 8 5 О 15 20 фазы генератора 2 в указанных пределах. Управпение фазой генератора 2компенсирующего сигнала первой гармоники производится путем временного сдвига управляющих импульсов расгде ющих регулируемый фазовращатель перкоторого определяется коэффициентом передачи цифроаналогового преобразователя 44. На фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов, соответствующие максимальному (пунктирная линия) и минимальному значению коэффициента передачи преобразователя 44. Знак синусной составляющей блока выделения ортогональных составляющих первой гармоники управляеткоэффициентом передачи преобразователя 44. Знак косинусной составляющей первой гармоники, изменяя выходное напряжение цифроаналогового прегармоники осуществляется посредством ла. Формирование управляющих воздействий осуществляется с помощьюсумматора 37, который суммируетединичные приращения параметров ге-нераторов компенсации с текущимизначениями этих параметров, хранящимися в запоминающем устройстве38; Знаки приращений определяютсязнаками ортогональных составляющих.Нуль-переход первой гармоники навходе анализатора спектра в общемслучае не совпадает с нуль-переходом входного сигнала. Это связанос наличием высших гармоник в вход -ном сигнале. Этот фазовый сдвиг всамом неблагоприятном случае дажепри коэффициенте гармоник, достигающем величины 403, не превышает величины 30 градусов. Последнее обусловливает необходимость регулировки пределителя 48. Этот сдвиг достигается совместным использованием 90 градусного фазовращателя 43,цифроаналогового преобразователя 44,сумматора 45 и фильтра 46, образувой гармоники. Иллюстрация принципа работы этого фазовращателя приведена на фиг. З,где П- вход - ной сигнал анализатора, П, 3 П- выходные сигналы цифроаналогового преобразователя 44, сумматора 45 и фильтра 46 соответственно. Благодаря такому построению блока 12 синхронизации достигается знакопеременный фазовый сдвиг, величина образователя 15, управляет амплитудой генератора 2 компенсации первойгармоники. Перестройка фазы высшей синусной ортогональной составляющей высшей гармоники и реализуется посредством суммирования кода приращения фазы с текущей фазой высшей гармоники. При этом опрос таблицы синусных кодов блока 39 формирования констант начинается по иному адресу, Смещенному на величину кода приращения. Перестройка генератора 5 компенсации высшей гармоники по амплитуде производится путем регулировки выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 17.посредством косинусной ортогональной составляющей высшей гармоники блока 6.Формирование текущих фаз синусоидальных компенсирующих и опорных сигналов высшей и первой гармоник производится сумматором 37 в виде2 япК ариФметических выражений 74 в ++ ри2 ТпИ/4 - коли 11/4чество квантов на период входного сигнала, при воспроизведении синусоид генераторов компенсации, определяемое умножителем частоты, 1( - номер измеряемой высшей гармоники, формируемый задатчиком 35, и - номер импульса умножителя частоты,отсчитываемый от начала периода, Ч - сдвиг фазы высшей гармоники. Умножитель частоты запускается нуль-переходами выходного сигнала регулируемого фазовращателя (блоки 43-46). Результатом управления фазовращателем является совпадение нуль-перехода сигнала на его выходе с нуль- переходом первой гармоники на входе анализатора спектра. Это обстоятельство дает возможность измерения сдвига фаз высших гармоник относительно первой путем считывания в регистр 40 текущей фазы высшей гармоники в начале (конце) периода в момент прохождения первой гармоникой через нуль. Возможность измерения нелинейных искажений реализуется измерителем 14 действующего значения, на вход которого поступа" ет пронормированный входной сигнал с подавленной первой гармоникой.По этой же причине возможно измерение относительных уровней любой из высших гармоник. Высокая точность нормирования достигается использованием цифроаналогового преобразователя 20, в который поступает код амплитудь первой гармоники. 25 30 35 40 45 50 55Формула изобретения 1.Анализатор спектра, содержащий каскадно соединенные вычитающее устройство, первыи вход которого является входом устройства, а к второму входу которого подключен генератор компенсирующего сигнала, регулируемый усилитель, блок вьделения ортогональных составляющих, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами двух пороговых элементов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым информационными входами арифметического устройства, выход, которого соединен с входами блока индикации, генератора компенсирующего сигнала, а также связанный с входом устройства блок синхронизации, о т и и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в анализатор дополнительно введены второе вычитающее устройство, второй генератор компенсирующего сигнала, измеритель действующих значений и два пороговых элемента,а усилитель выполнен регулируемым, причем выход регулируемого усилителя соединен с входом измерителя действующих значений и второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго генератора компенсирующего сигнала, вьжод вычитающего устройства соединен с первым входом блока выделения ортогональных составляющих, к третьему и четвертому выходу которого подключены соответственно два дополнительных пороговых элемента, выходы которых подключены к третьему и четвертому информационным входам арифметического устройства первый выход которого соединен с управляющими входами второго генератора компенсирующего сигнала, регулируемого усилителя, блока. синхронизации,второй выход арифметического устройства соединен с вторыми управляющими входами блока вьделения ортогональных составляющих, первого и второго генераторов компенсирующего сигнала, выход блока синхронизации соединен с первыми и вторыми входами синхронизации первого и второго генераторов компенсирующего сигнала, регулируемого усилителя, блока вьделения ортогональных составляющих, арифметического устройства и блока индикации.2. Анализатор по п. 1, о т л и 5 ч а ю щ и й с я тем, что блок выделения ортогональных составляющихсодержит цифроаналоговый преобразователь, четыре ключа и четыре интегратора, причем входы ключейобъединены и соединены с выходомцифроаналогового преобразователя,выход каждого ключа соединен с входом соответствующего интегратора,выходы интеграторов являются выходом блока выделения ортогональныхсоставляющих, входы синхронизациицифроаналогового преобразователякаждого ключа, каждого интеграторасоединены с выходом блока синхронизации, первый вход цифроаналоговогопреобразователя является первым входом блока, второй вход цифроаналогового преобразователя является вторым входом блока выделения ортогональных составляющих.3. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что генератор компенсирующего сигнапа содержит два последовательно соединенныхцифроаналоговых преобразователя, первый вход первого цифроаналоговогопреобразователя является первым управляющим входом генератора, второйуправпяющий вход второго цифроанаЗ 5 логового преобразователя являетсявторым управляющим входом генератора, входы синхронизации каждого цифроаналогового преобразователя являются входами синхронизации генератора,4. Анализатор по п, 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что арифметическое устройство содержит четыре4 ключа, блок формирования констант,сумматор, оперативное запоминающееустройство, преобразователь кода,задатчик номера гармоники, при этомвходы ключей являются информационными входами арифметического устройства, выходы ключей объединены междусобой и соединены с входами задатчика номера гармоник и преобразователякодов, выход которого соединен с55вторым входом сумматора., первый входкоторого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства, выходсумматора соединен с информационнымвходом оперативного запоминающегоустройства, выход которого соединен с входом блока Формирования констант, выход которого является вторым выходом арифметического устройства,выход оперативного запоминающего уст ройства является первым выходом арифметического устройства, выход блока синхронизации соединен с входами синхронизации ключей, задатчика номера гармоники, преобразователя кодов, 10 блока формирования констант и с четырьмя входами синхронизации оперативного запоминающего устройства.5. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что блок синхронизации содержит последовательно соединенные фазовращатель, цифроаналоговый преобразователь, сумматор, Фильтр нижних частот, умножитель частоты, распределитель импульсов, 20 выход которого соединен с вторым входом цифроаналогового преобразователя, третий вход которого является вторым управляющим входом блока,второй вход сумматора объединен свходом фазовращателя и соединен свходом блока синхронизации, причемвыходы распределителя импульсовявляются выходами блока синхронизации. 6. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что регулируемый усилитель содержит операционный усилитель, вход которого через резистор соединен с входом регулируемого усилителя, в цепи обратной связи, которого включен цифроаналоговый преобразователь, управляющий вход которого является управляющим входом регулируемого усилителя,а вход синхронизации является входом синхронизации регулируемого усилителя, а выход операционного усилителя является выходом регулируемого усилителя.Тираж 730 осударственн ам иэобретен Москва, ЖПодп митета С ткрытий ская наб