Устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре. Цепь изобретения - повьшение точности измерений . Устройство содержит генератор 1 гармонических колебаний, блок 6 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 15, включающий осциллограф 16 и измерительный блок I7. Введение блока 3 выравнивания уровней сигналов, блоков 7 и П индикации и использование одновременно перестраиваемых конденсаторов 21 и 23 в блоке 6 дифференцирования обеспечивает повышение точности измерения -взвешенных коэффициентов гармоник путем снижения методических погрешностей измерений. 2 ил. с
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ci + ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,"„ : -:--:..; Ц К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для выявления и оценки раз(21} 3979985/24-21 (22) 26.11.85 (46) 23.06,87. Бюп. В 23 (71) Ленинградский институт киноинженеров (72) А.Е.Галушкин, В.М.Журавлев и Л,.С.Тихонова (53) 621,317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР 9 1120253, кл. G 01 К 23/20, 1983. личных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре. Цель изобретения — повышение точности измерений. Устройство содержит генератор l гармонических колебаний, блок 6 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 15, включающий осциллограф 16 и измерительный блок 17. Введение блока 3 выравнивания уровней сигналов, блоков 7 и ll индикации и использование одновременно перестраиваемых конденсаторов 21 и 23 в блоке 6 дифференцирования обеспечивает повышение точности измерения взвешенных коэффициентов гармоник путем снижения методических погрешностей измерений. 2 ил. Ж 1 131 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для выявления и оценки раэлич ных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре. Целью изобретения является повышение точности измерений путем снижения методических погрешностей. На.фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения нелинейных искажений электрического сигнала;-на фиг. 2 — амплитудно-частотные характеристики блока дифференцирования. Устройство содержит генератор 1 гармонических колебаний, объект 2 измерения, блок 3 выравнивания уровней сигналов, содержащий аттенюатор 4 и регулируемый измерительный усилитель 5, блок 6 дифференцирования, первый блок 7 индикации, содержащий первую схему 8 сравнения, первый генератор 9 эталонного сигнала, первый индикатор 10, второй блок 11 индикации, содержащий вторую схему 12 срав1 нения, второй генератвр 13 эталонного сигнала, второй индикатор 14, измерительный блок 15, содержащий осциллограф 16 и измерительный блок 17, входную 18 и выходную 19 клеммы. В состав устройства входят последовательно соединенные генератор 1 гармонических колебаний, объект 2 измерения, блок 3 выравнивания уровней сигналов, состоящий иэ последовательно соединенных аттенюатора 4 и регулируемого измерительного усилителя 5, причем вход аттенюатора 4 является входом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а выход регулируемого измерительного усилителя — его выходом, блок 6 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 15, состоящий иэ осциллографа 16 и измерительного блока 17, которые параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока 15, а также идентичные первый 7 и второй 11 блоки индикации, состоящей из схемы 8 сравнения, первый вход которой является входом блока 7 индикации генератора 9 эталонного сигнала, соединенного .с вторым входом схемы 8 сравнения, индикатора 10, соединенного с выходом схемы-сравнения 8, причем вход первого блока 7 индикации соединен с выходом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а вход второго 8926 2 55 дающих полюсов, которое соответству5 50 блока 11 индикации соединен с выходом блока 6 дифференцирования. Частотные свойства блока 6 дифференцирования можно отразить с помощью амплитудно-частотных характеристик (фиг. 2), где кривая а — характеристика блока Ь дифференцирования при разомкнутой петле обратной связи; кривые б, в — возможные положения характеристик при замкнутой петле обратной связи и различных номиналах элементов: резистора 20 (К„), конденсатора 21 (С ), резистора 22 (R ), конденсатора 23 (С );. кривая г - идеальная форма характеристики. Допустим, что коэффициент усиления К и входное сопротивление дифференцирующего усилителя при разомкнутой петле обратной связи достаточно велики и их влиянием на параметры при разомкнутой петле обратной связи можно пренебречь. Наиболее оптимальным с точки зрения ограничения высокочастотных шумов и помех в исследуемом сигнале является положение характеристики, соответствующее кривой в, когда произведения величин номиналов схемы R C u R С, определяющие положения полюсов функции передачи блока дифференцирования при замкнутой петле обратной связи, будут равны (R C,-= =R C ), а положения полюсов будут совпадать. Этим достигается уменьшение методической погрешности, обусловленной присутствием шумов и помех в исследуемом сигнале. В то же время, наиболее оптимальной с точки зрения близости формы характеристики к идеальной кривой 2 является характеристика, соответствующая кривой d и для уменьшения амплитудной погрешности дифференцирования должно выполняться условие К„С, R,C . Таким образом, наиболее целесообразным представляется выбор формы характеристики блока 6 дифференцирования, соответствующей кривой g что обеспечит снижение методической погрешности, вызванной присутствием шумов и помех в исследуемом сигнале, но при одновременном аппаратурном обеспечении такого положения совпает получению приемлемой величины методической амплитудной погрешности. Подаем на вход блока 6 дифференцирования сигнал вида 1318926 S =K о,быг 6 (6) 10, (7) S-KS 1 ос o,6bw6 P 6г6 (2) 15 (8) (3) 35 где S, S S6 г) =86гбб cos(u, t+ q ), (1) где S — среднеквадратическое зна6х 6 чение сигнала; м, — его частота; начальная фаза, При идеальной форме амплитудночастотной характеристики блока, соответствующей кривой 2 (что на практике неосуществимо), можно записать выражение для среднеквадратического значения сигнала на выходе идеального блока дифференцирования < г rpe Р= — — отнбшение частоты 1 шг = — —,— = — —,— совпадаКг "г ющих полюсов к частоте 20 сигнала (1); ос R2 К = — — модуль коэффициента nepeR1 дачи блока дифференциpoBBHHH lIpH замкнутой петле обратной связи. При реальной форме амплитудно-частотной характеристики блока дифференцирования, соответствующей кривой 6, можно записать выражение для среднеквадратического значения сигнала на выходе реального блока дифференцирования, Р ос S = — — --К S Р 66щ6 (1+Рг ) 6" 6 Выражение для относительной амплитудной погрешности дифференцирования запишется как So быгГБР 6ыгь P 2 я = 1 (4) При измерении взвешенных коэффициентов гармоник сигнал на входе блока 6 дифференцирования является сложным периодическим сигналом, содержащим первую и высшие гармоники ()=8„+2 S; 72 cos(iv„t+ Р;) (5) 6г 6 50 постоянная составляющая, которая при измерениях не подвергается оценке, поэтому в дальнейшем будет опускаться, номер гармоники; среднеквадратическое значение 1-й гармоники; 4 Р. — начальная фаза i-й гармо1 ники . Выражение для среднеквадра гического значения сложного сигнала на выходе идеального блока дифференцирования запишется как а на выходе реального S =K Р,быхб (1+Р (1)1 " г где P(i)= —.-— - = 1 Р— отношение часто2. У„ ты совпадающих полюсов к частотам различных гармоник, Выражение для относительной амплитудной погрешности дифференцирования сложного сигнала в функции от P(i) запишется как сл сл 1сл 1p f ° 1 80 быг6 SP,Âûã 6 С наибольшей погрешностью дифференцируется п-я, последняя гармоника сигнала, для которой P(i), равное P(n), принимает наименьшее значение. Если положить, что с наибольшей погрешностью, равной погрешности дифференцирования последней гармоники, дифференцируются все гармоники, то оценку сверху для амплитудной погрешности дифференцирования сложного сигнала можно записать следующим образом: d (n,P(п)) =оп 1 — — — + — — . (9) сл Г Р п) г " (-)) После дифференцирования наибольшему воздействию на свою интенсивность подвергается первая гармоника, для которой P(i), равное Р(1), принимает наибольшее значение. Если положитьг что все гармоники притерпевают изменения своих интенсивностей P oc в масимальное число раз — — — К (1+Р) то можно записать выражение для оценки сверху величины изменения среднеквадратического значения сигнала на выходе реального блока дифференцисл рования (S, „,„,) по отношению к сред5 131 ! неквадратическаму значению сигнала на его входе (S " ) которую необхоSx6 димо обеспечить в процессе измерений для выполнения операции дифференцирования с заданной амплитудной погреш ностью сл Р ос сл P(n)n S — — — К S ---- ч e,s1,ixI, (1+P I) " (I+C P(n) nf) ь (10) и ape S - Q S; 1=1 Таким образом, учитывая максимально возможное практическое число и гармоник исследуемого сигнала из выражения (9), следует определить величины Р(п), P(n)n, а затем Р(п) и ос — - — — — К, последняя из кото.11+(Р(п)пЯ рых укажет на то изменение величины сл,сл Я„по отношению к величине ЬВ,1 6 Р ВЫ1 6 которое необходимо обеспечить в процессе измерений для получения диффе. ренцирования сложных сигналов с амб плитуднои погрешностью не превышающей некоторой, наперед заданной величины 8" " "Рп, Р(п)7, являющейся оценкой погрешности сверху. Исследуемые сигналы имеют широкий диапазон значений и частот, так как при измерениях возникает необходимост определения зависимостей взвешенных коэффициентов гармоник от амплитуды и частоты испытательного сигнала, как это делается при исследовании нелинейности объекта измерений обычным методом гармоник, к тому же оЦенке нелинейности подвергаются объекты с различными уровнями выход— ных сигналов. Поэтому для выполнения основной обработки сигнала — дифференцирования, с заданной погрешностью предлагается ввести блок дополнительной обработки сигнала — блок выравнивания уровней сигналов, и блоки индикации для контроля правиль.ности выполнения основной и дополнительной обработок сигнала. Устройство работает следующим образом. Гармонический сигнал от генератора 1 подается на объект 2 измерений, Далее сигнал с помощью блока 3 выравнивания уровней сигналов подвергается дополнительной обработке — уровни всех сигналов приводятся к некоторому оптимальному уровню. Блок 3 содержит два последовательно соединенных 8926 6 устройства: для грубой регулировки уровня служит аттенюатор Й, а плавную регулировку осуществляет регулируемый измерительный усилитель 5. Для суждения о правильности настройки блока 3 — о достижении сигналом оптимального уровня, введен. блок 7 индикации, подключенный к выходу блока 3 параллельно входу блока 6 10 дифференцирования. Информация о величине оптимального уровня, заложенная в выходном напряжении генератора 9 эталонного сигнала, подается на один иэ выходов схемы 8 сравнения, а информация об истинной величине уровня выходного сигнала блока 3 подается на другой вход схемы 8 сравнения. На выход схемы 8 сравнения подключен индикатор 10, с помощью которого фиксируется достижение правильности настройки блока 3, т.е. выравнивание уровней на входах схемы 8 сравнения, Настройка блока 3 (настройка по напряжению) требует25 cH IIpH изменении уровня сигнала HB входе объекта 2 измерений. Возможное изменение частоты испытательного сигнала в широких пределах требует соответствующего изменения положения, 30 совпадающих полюсов функции передачи блока 6 дифференцирования для обеспечения заданной величины погрешности. Поэтому блок 6 дифференцирования содержит перестраиваемые конденсаторы 21 и 23, причем их од35 новременная перестройка обеспечивает сохранение совпадения полюсов, а значит ограничение шумов и помех в исследуемом сигнале, лежащих по частоте выше различимых продуктов ис40 кажений. 0 правильности выбора положения совпадающих полюсов свидетельствует достижение рассчитанного в соответствии с заданной амплитудной погрешностью изменения уровня сигна45 ла на выходе блока 6 дифференцирования по отношению к уровню сигнала на его входе. Введение второго блока ll индикации позволяет вынести суждение о достижении правильности на50 стройки блока 6 дифференцирования (настройка по постоянной времени), Информация о требуемой величине изменения уровня сигнала после дифференцирования заложена в величине вы55 ходного сигнала второго генератора 13 эталонного сигнала и подводится к одному из входов второй схемы 12 сравнения. К другому входу схемы 12 сравнения подводится сигнал с выхода Формула изобретения м» =га Я1 Составитель В.Величкин Редактор Л. Гратилло Т ехред М. Ходанич Корректор Г.Решетник Заказ 2505/38 Тираж 730 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, . Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 7 131892 блока 6 дифференцирования, 0 достижении равенства сигналов на входах схемы 12 сравнения свидетельствует индикатор 14, подключенный к выходу схемы 12 сравнения. После настройки всего устройства по напряжению и постоянной времени продифференцированный сигнал с помощью контрольноизмерительного блока 15, содержащего осциллограф 16 и измерительный блок 10 17, подвергается визуальному наблюдению формы кривой и количественной оценке взвешенных коэффициентов гармоник, ! Введение блока выравнивания уровней сигналов, двух блоков индикации и применение одновременно перестраиваемых конденсаторов в блоке диффе-ренцирования обеспечивают повышение точности измерения взвешенных коэффициентов гармоник путем снижения методических погрешностей измерений. Устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала, содержащее входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения,— генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к входной клемме, а также блок дифференцирова6 8 ния и контрольно-измерительный блок подключенный к выходу блока дифференцирования, состоящий из осциллографа и измерительного блока, которые параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, — в него дополнительно введен блок выравнивания уровней сигналов, вход которого подключен к выходной клемме, содержащий последовательно соединенный аттенюатор и регулируемый измерительный усилитель, причем входом блока выравнивания уровней сигналов является вход аттенюатора, а выходом" выход регулируемого измерительного усилителя, а также два идентичных блока индикации, состоящих из схемы сравнения, первый вход которой является входом блока индикаций, генератора эталонного сигнала соединенноУ го с вторым входом схемы сравнения, и индикатора, соединенного с выходом схемы сравнения, причем выход объекта измерений через блок выравнива-ния уровней сигналов соединен с входом блока дифференцирования и входом первого блока индикации, а выход блока дифференцирования соединен с входом второго блока индикации, в блоке дифференцирования конденсаторы выполнены перестраиваемыми.
