Анализатор гармоник

(5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ(57) Изобретение относится к радио тельной технике, в частности к спек му анализу электрических сигнал ,И. Покрас . изобретения - повышениеточностиния - достигается введением ци фильтра 6, блока 8 коррекции, пул равления, блока 4 управления, изм ного блока 1, измерителя 2 в периода и дешифратора 3. Анализа моник также содержит блок 7 прес ния Фурье и цифровое отс устройство 9. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. измери- тральнов. Цель иэмерефрового та 5 уп- ерительходного тор гар- разова- четное л. М 26в, А.К. Кр СССР976.СССР1987. идетельст 01 В 23/20 идетельст 01 й 23/1(54) АНАЛИЗАТОР ГАРМО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к спектральному анализу электрических сигналов. Изобретение может быть использовано при создании цифровых средств анализа гармонического спектра и измерителей коэффициента гармоник сигнала в широком частотной диапазоне.Целью изобретения является повышение точности измерения.На фиг, 1 представлена структурная схема анализатора гармоник; на фиг. 2 - структурная схема возможной реализации блока управления; на фиг, 3 - временные диаграммы работы устройства в режиме записи информации; на фиг. 4 - временные диаграммы режима цифровой фильтрации; на фиг. 5 - временные диаграммы работы блока преобразования Фурье.Анализатор гармоник содержит измерительный блок 1, измеритель 2 входного периода, дешифратор 3, блок 4 управления, пульт 5 управления, цифровой фильтр 6, блок 7 преобразования Фурье, блок 8 коррекции и цифровое отсчетное устроиство 9, Измерительный блок 1 состоит из входного фильтра 10 нижних частот и подключенных к его выходу аналого-цифрового преобразователя 11 и умножителя 12 частоты, выход которого соединен со входом пуска аналогоцифрового преобразователя 11, Первый, второй и третий выходы измерительного блока 1 образованы выходами аналого-цифрового преобразователя 11, фильтра 10 нижних частот и умножителя 12 частоты. Вход установки кода умножителя 12 частоты образует установочный вход, а вход считывания информации аналого-цифрового преобразователя 11 - вход считывания кода измерительного блока 1. Цифровой фильтр 6 содержит оперативное запоминающее устройство 13 и накапливающий сумматор-вычитатель 14, информационные входы-выходы и управляющие входы которых подключены к одноименным входам- выходам и входам цифрового фильтра 6 соответственно. Блок 7 преобразования Фурье включает оперативное запоминаю 166357110 15 20 25 30 35 40 щее устройство 15, постоянное запоминающее устройство 16, умножитель 17 и накапливающий сумматор-вычитатель 18, причем соединенные информационные входы-выходы этих узлов образуют информационный выход, а их входы управления - управляющий вход блока 7. Блок 8 коррекции содержит постоянное запоминающее устройство 19 и умножитель 20, входы управления которых образуют управляющий вход блока 8, а информационные входы-выходы умножителя 20, соединенные с выходами постоянного запоминающего устройства 19 - информационные входы-выходы блока 8 коррекции.Вход анализатора гармоник образован входом измерительного блока 1, первый выход которого через шину данных соединен с информационными входами-выходами цифрового фильтра 6, блока 7 преобразования Фурье, блока 8 коррекции и цифрового отсчетного устройства 9, Ко второму выходу измерительного блока 1 подключены последовательно соединенные измеритель 2 входного периода и дешифратор,З, выход которого подключен к установочному входу измерительного блока 1 и второму входу блока 4 управления. Первый вход блока 4 управления соединен с третьим выходом измерительного блока 1, а третий и четвертый входы - соответственно с первым и вторым выходами пульта 5 управления, Выходы блока 4 управления подключены ко входу считывания кода измерительного блока 1, ко входам оперативных запоминающих устройств 13, 15, постоянных запоминающих устройств 16 и 19, ко входам умножителя . 17, накапливающих сумматоров-вычитателей 14, 18, ко входам умножителя 20 и цифрового отсчетного устройства 9,На фиг. 2 представлена структурная схема блока 4 управления, который содержит элемент 21 задержки, генератор 22 тактовых импульсов, ЯЯ-триггер 23, коммутатор 24, счетчик 25, дешифратор 26, постоянное запоминающее устройство 27 и элементы 2 И 28 - 34. Первые вход и выход блока 4 управления образованы входом и выходом элемента 21 задержки, который подключен к первому входу коммутатора 24, Второй и третий входы коммутатора 24 подключены к генератору 22 тактовых импульсов и выходу ЙЯ-триггера 23, а выход - к соединенным вторым входам элементов 28 - 34 и синхровходу С счетчика 25, вход В сброса которого, соединенный с Я-входом ЯЯ-триггера 23, образует четвертый вход блока 4 управления - вход "Пуск", При этом выход счетчика 25 соединен с первым входом постоянного запоминающегоустройства 27. Разные входы дешифратора 26 образуют второй и третий входы блока 4 управления, которые представляют собой соответственновход установки кода Й количества небходимых цифровых отсчетов на период сигнала и вход задания номера К определяемой гармоники. Выход дешифратора 26 подключен ко второму входу постоянного запоминающего устройства 27, первый выход которого соединен с Й-входом КЯ-триггера 23, а остальные - с соответствующими выходами блока 4 управления,причем второй, шестой, десятый, четырнадцатый, восемнадцатый, двадцать четвертый и двадцать седьмой выходы постоянного запоминающего устройства 27 подключены к выходам блока 4 управления через элементы 2 И 28 - 34,Анализатор гармоник работает следующим образом. Входной сигнал через фильтр 10 нижних частот поступает на вход измерителя 2 входного периода, выходной код которого управляет дешифратором 3. На выходе дешифратора 3 формируется код й коэффициента умножения частоты, который поступает на установочный вход умножителя 12 частоты и второй вход блока 4 управления. По сигналу "Пуск" на втором выходе пульта 5 управления блок 4 управления переходит в режим записи информации (см. фиг, За). При этом происходит обнуление счетчика 25, ЯЯ-триггер 23 переходит в единичное состояние (см, фиг. Зв), а выходная частота умножителя 12 частоты поступает на вход пуска аналого-цифрового преобразователя 11 (см, фиг. Зг), а также через элемент 21 задержки и коммутатор 24 на синхровход С счетчика 25 (счет производится по положительному Фронту) и соединенные вторые входы элементов 2 И 28-,34. Элементы 2 И предназначены для формирования тактирующих сигналов, поступающих на синхровходы С различных блоков анализатора гармоник. В соответствии с кодом М коэффициента умножения частоты на первых четырех выходах блока 4 управления и 50 первом выходе постоянного запоминающего устройства 27 формируются последовательности импульсов, посредством которых осуществляется соответственно считывание кода аналого-цифрового преобразователя 11 (см. фиг, Зд), формирование М импульсов записи кода из преобразователя 11 в устройство 13 (см. фиг. Зе), формирование сигнала записи и адресов оперативной памяти, а также сброс ВЯ-триггера 23 по К-входу(см, фиг. Зб, ж, э), В результате цикла записи в оперативное запоминающее ус 1663571(4) тройство 13 синхронно с периодом исследуемого сигнала заносится Й цифровых отсчетов,По окончании цикла записи на выходе ВЯ-триггера 23 устанавливается нулевой уровень, и на синхровход С счетчика 25 через коммутатор 24 поступает частота генератора 22 тактовых импульсов. В этом режиме происходит обработка результатов измерений.На первом этапе обработки производится цифровая фильтрация записанных отсчетов сигнала путем вычисления скользящего среднего в соответствии со следующим выражением:1 Д"Уч (1) =, х (1 - г)Я, (1)г=Огде х(1-г) - (1-г)-й отсчет входного. сигнала;уч(1) - 1-й отсчет на выходе цифрового фильтра;1= 1.И - параметр дискретного времени;В - количество входных отсчетов, по которым производится усреднение сигнала;ц - количество циклов фильтрации сигнала (порядок цифрового фильтра).Для периодического сигнала, имеющего линейчатый спектр, амплитудно-частотная характеристика соответствующего нерекурсивного фильтра определяется следующим образом;лКВ31 пЯ ( )ч , (2)дКигде К - номер гармоники исследуемого сигнала;М - количество отсчетов на период сигнала.Подобная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) является колебательной убывающей функцией параметра К, однако в полосе К 0; - ) характеристика являетпся монотонной и фильтры, описываемые выражениями (1) и (2), могут использоваться для подавления высших гармоник. Порядок ц фильтра и количество В усредняемых отсчетов определяются из следующих условий:где Я - частотная характеристика нерекурсивного цифрового фильтра ц-го порядка;щ = 0,1;М - номер цифрового фильтра; Р 1, Р 2 Рм - коэффициенты децимации; М - количество произведенных децимаций;цщ - порядок гп-го фильтра; где К макс - максимальный номер гармоники,которую должен измерять анализатор (фактически, К макс определяет полосу пропуска 5 ния).Ко - номер гармоники, выше которои коэффициент передачи АЧХ цифрового фильтра близок к нулю (Ко определяет границуполосы задерживания фильтра),10 Я макс, Я мин - максимальный и минимальный уровни АЧХ фильтра на частотах,соответствующих гармоникам Кмакс и Ко.Выражения (3) и (4) дают возможностьрассчитать порядок ц фильтра и длину В15 усредняемой реализации при заданных остальных параметрах, При этом необходимоучесть, что Ко, Кмакс. ц и В должны бытьцелыми числами. Выполнение условияйгде Ко означает, что величинойгармоник с порядковыминомерами, превышающими Ко, можно пренебречь, создаетпредпосылки для сокращения объема отсчетов. Поэтому после первого цикла фильтра 25 ции производится децимация(прореживание) отсчетов сигнала в Р раз ипроводится повторная цифровая фильтрация прореженных выборок в соответствии свыражением (1), при этом количество обрэ 30 ибатываемых отсчетов равно - , ЦиклическиРпроводймая децимация отсчетов приводитк существенному сокращению операцийфильтрации.35 Первый этап повторяется до тех пор,пока полоса пропускания суммарной амплитудно-частотной ха рактеристики цифрового фильтра не уменьшится до величины,обеспечивающей устойчивое разрешение40 заданного количества гармоник спектра исследуемого сигналаЙщ - количество усредняемых отсчетов п 1-гофильтра.На первом этапе цифровой обработкиработа устройства сводится к следующему: с учетом кода й, установленного на втором 5 входе блока 4 управления, на его выходах формируются управляющие сигналы для оперативного запоминающего устройства 13 и накапливающего сумматора-вычитателя 14, которые входят в состав цифрового 10 фильтра 6 (см. временные диаграммы режима цифровой фильтрации на фиг. 4). Тактирование счетчика 25 производится по переднему фронту сигнала, а устройства 13 и накапливающего сумматора-вычитателя 15 14 - по заднему фронту на их синхровходах С (см. фиг. 4 а, б, в). На диаграмме цифрами обозначены адреса ячеек памяти, при этом ячейки, в которые заносятся обработанные отсчеты обозначены О, 1, 2 и т.п, В ходе 20 первого этапа обработки реализуется алгоритм цифровой фильтрации, представленный выражением (1), а в оперативное запоминающее устройство 13 заносятсяп 25 М 1 = Р Р Р отсчетов профильтроаанР 1 Р 2 , Р Много сигнала, Масштабирование суммы В отсчетов входного сигнала, накопленной в накапливающем сумматоре-вычитателе 14, осуществляется посредством операции 30 сдвига вправо (см. фиг. 4 г). Масштабный коэффициент, эквивалентный определенному количеству сдвигов, целесообразно закладывать меньшим, чем номинальный множи 1 35 тель -- (см. 1), так как при этом не происходит потери младших разрядов накопленной суммы, оказывающих влияние на точность последующих вычислений.Таким образом, в результате первого 40 этапа число отсчетов, подлежащих последующей обработке, существенно уменьшается (й 1 й). затем полученный массив обработанных данных у(1) переносится из оперативного запоминающего устройства 45 13 в запоминающее устройство 15.На втором этапе обработки в блоке 7 преобразования Фурье производится вычисление амплитуды гармоники, номер К кФ торой поступает на второй вход 50 дешифратора 26,блока управления 4 с первого выхода пульта 5 управления, При реализации алгоритма ДПФ используются следующие выражения:- ь - " . - 2(1 Ч 11, (6)3 1(К 2 л, ЯЬ= - Х.(15 Ъ -= - , Я 1 Ч 61, (7)к,;В 1 где а и Ь - косинусная и синусная составляющие к-й гармоники входного сигнала;у(1) - отсчеты сигнала, полученные на первом этапе обработки (т,е. после цифрово и, ф ил ьтрд ци и)И 1 - количество отсчетов сигнала после децимации;ф =сов 1, у 4=з 1 п 12 лК 2 К111 Й 1 ортогональные составляющие К-й гармоники.Функционирование анализатора спектра в режиме вычисления амплитуд гармоник входного сигнала иллюстрируется временными диаграммами на фиг. 5, где приведены также подробные пояснения последовательности выполняемых операций. По сигналам на выходах блока 4 управления в умножитель 17 записывается отсчет у из оперативного запоминающего устройства 15, а также код соответствующей ортогональной функции ркиз постоянного запоминающего устройства 16, после чего происходит цикл перемножения. Полученное произведение из умножителя 17 поступаетв накапливающий сумматор-вычитатель 18 где формируетсясумма произведений,1, у(1) р (1) . После соответствующего масштабирования код вычисленного коэффициента К-й гармоники записы ва ется в опе рати вное запомина ющее устройство 15, Исходя из вычисленных значений а и Ь, определяется квадрат амплитуды К-й гармоники+(8)2Вычисления производятся посредством тех же узлов блока 7 преобразования Фурье, что и выражения (6) и(7).Временные диаграммы для реализации формулы (8) неприводятся.Величина Ак существенно отличается от истинного значения квадрата к-й гармоники, Это связано с.тем, что амплитудно-частотная характеристика Я цифрового фильтра нижних частот (2) существенно отличается от прямоугольной. То же самое от- . носится и к суммарной амплитудно-частотной характеристике Зь определяемой из выражения (6), Для вычисления точного значения квадрата амплитуды к-й гармоники Ак необходимо домножить величину Ак на корректирующий частотный коэффициент Ок:(10) 20 25 30 35 40 45 На третьем этапе обработки результатов измерений блок.8 коррекции производит коррекцию квадрата амплитуды к-й гармоники Ак в соответствии с выражением (9). Величины корректирующих коэффициентов Ок, соответствующие определенному количеству Й отсчетов на период входного сигнала и заданному номеру к гармоники, хранятся в постоянном запоминающем устройстве 19. По сигналам на выходах 4, 10, 11, 22-26 блока 4 управления в умножитель 20 блока 8 коррекции записывается код квадрата амплитуды к-й гармоники А из устройства 15 и значение квадрата корректирующего коэффициента Ок из постоянного запоминающего устройства 19, после чего вычисляется их произведение согласно выражению (9), Точное значение квадрата амплитуды к-й гармоники Ак по сигналу на 27 выходе блока 4 управления пересылается иэ умножителя 20 в цифровое отсчетное устройство 9, снабженное устройством извлечения квадратного корня, В результате на индикаторе устройства 9 отображается скорректированное значение Ак амплитуды к-й гармоники.Посредством взаимодействия пульта 5 управления и блока 4 управления можно организовать поочередную запись в устройство 15 нескольких частотных отсчетов АЕ, а затем последовательный вывод их на цифровое отсчетное устройство 9.Формула изобретения 1, Анализатор гармоник, содержащий входной Измерительный блок, блок преобраэования Фурье, информационные входы- выходы которого соединены через шину данных с кодовым выходом измерительного блока, а также цифровое отсчетное устройство, подключенное к шине данных, о тл ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены цифровой фильтр, блок коррекции, последовательно соединенные пульт управления и блок управления, а также подключенные к первому выходу измерительного блока последовательно соединенные измеритель входного периода и дешифратор, выход которого соединен с установочным входом измерительного блока, информационные входы-выходы цифрового фильтра и блока коррекции подключены к шине данных, третий вход блока управления соединен со вторым выходом измерительного блока,четвертый вход - с выходом дешифратора, а выход блока управления подключен к первому входу измерительного блока и к управляющим входам цифрового фильтра, блока преобразования Фурье, блока коррекции и цифрового отсчетного устройства. 2. Анализатор по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что цифровой фильтр выполнен в виде оперативного запоминающего устройства и накапливающего сумматоравычитателя, информационные входы-выходы и управляющие входы которых подключены к одноименным входам-выходам и входам цифрового фильтра соответственно,3. Анализатор по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок коррекции выполнен в виде постоянного запоминающего устройства и умножителя, входы уп равления которых соединены с управляющим входом блока коррекции, а информационные входы-выходы умножителя, соединенные с выходами постоянного запоминающего устройства, соединены с информационными входами-выходами блока коррекции."ю орректор Т, Ко Тираж 426 Государственного комитета по и 113035, Москва, Ж.Подписноебретениям и открытиям при ГКНаушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ууЮ Сже амЮбУд "ОЛУХр, ФбЯ б 1 УЮЮгоба,б,гбУ 4 ЮзулУ Составитель Л, УстиноРедактор В, Фельдман Техред М.Моргентал ьъъ Ь