Анализатор спектра

 

Изобретение может быть использовано для исследования эксплуатационной вибрации со сложным энергетическим спектром. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей анализатора. Анализатор спектра содержит полосовые фильтры 4, измерители 5 дисперсии, коммутатор 6 и индикатор 24. В устройство введены управляемый узкополосный фильтр 1, инвертор 2, двухвходовый сумматор 3, аналого-таиФровой преобразователь 7, ключи 8, 14 и 16, блоки и 21 паьш- THj преобразоватепи 10 и 3 код - временной интервал, генератор 15 гармонических сигналоз, преобразователь 17 частота - код и вьгчислительньй блок 22. Кроме того, в описании представлепа конкретная схема выполнения индикатора 24 и образованы новые функциональные связи. Это позволяет вь делить в составе сложного ижрскополосного случайного сигнала гармонические компоненты и опредепить их фовень и частоту. 3 ил. 1S % .i ftar J ш,

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦМЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 С 01 R 23 16

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ (21) 3913933/24-21 (22) 19.06.85 (46) 07.07.87. Бюл. В 25 (72) 3.А.Баширов, А.Г.Баширова, А.Ç.Шапиро и В.А.Уппит (53) 621.3 17.757 (088.8) (56) Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. -M. Энергия, 1972, с. 244. (54). АНАПИЗАТОР СПЕКТРА (57) Изобретение может быть использовано для исследования эксплуатационной вибрации со сложным энергетическим спектром. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей анализатора. Анализатор спектра содержит полосовые фильтры 4, измерителы 5 дисперсии, коммутатор 6 и индикатор 24. В устройство введены управляемый узкополосный фильтр 1. к1вертор 2, двухвходовый сумматор 3. аналого-цифровой преобразователь ключи 8, 14 и !6, олокы 19 ы 21 и;,мяты, преобразовзтелы 10 и . 3 код временной интервал, генератор 15 гармонических сигналов, преобразователь 17 частота — код и вычислительный блох 22. Кроме того, н описании представле1ы конкретная схема выполнения индикатора 24 и образованы новые функциональные связи. Это позволяет выделить в составе с.::ожного ш»вЂ” рокополосного случайного сигнала гармонические компоненты и определить

ых уровень и частоту. 3 ил.

13221

Изобретение относится к анализу спектра широкополосных случайных сигналов, содержащих гармонические компоненты, и может быть использовано для исследования эксплуатационной вибрации со сложным энергетическим спектром.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей анализатора спектра, а именно выделение в 10 составе сложного широкополосного случайного сигнала гармонических компонент с определением их уровней и частот.:

На фиг.1 представлена функциональ- 15 ная схема анализатора спектра; на фиг.2 и 3 — спектрограммы, поясняющие работу анализатора.

Анализатор спектра содержит последовательно соединенные управляемый 20 узкополосный фильтр 1, иивертор 2, двухвходовый сумматор 3, параллельные каналы анализа, каждык из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра 4 и измерите-,25 ля 5 дисперсии, выходы которых подI ключены к соответствующим входам коммутатора 6, выход которого подключен через последовательно соединенные

АЦП 7, первый ключ 8, первый блок 9 памяти, и первый преобразователь 10 код — временной интервал к суммато-ру 11, выход которого подключен к модулятору (например, красного цвета) цветной телевизионной трубки 12. К 35 другому модулятору (например „синего цвета) подключен выход второго прербразователя 13 код — временной интервал, вход которого через третий ключ 14 подключен к выходу AItii 7. Вы- <0 ход перестраиваемого по частоте генеч нератора 15 гармонических сигналов подключен к управляющему входу управляемого узкополосного фильтра 1 и к последовательно соединенным второму ключу 16„преобразователю 17 частота — код, схеме 18 сравнения кодов, к другому входу которой подключен счетчик 19 номера канала, и блоку 20 формирования метки, выход которого подключен к другому входу сумматора 11. Выход второго блока 21 памяти подключен к первому входу вычислительного блока 22, выход которого подключен к входу блока 23 формирова- 55 ния символов, выход которого подключен к третьему входу сумматора 11.

Второй, третий и четвертый входы вы71 2 числительного блока 22. соединены со-. ответственно с выходами преобразователя 17 частота — код, первого блока 9 памяти и АЦП 7. Второй выход счетчика 19 номера канала подключен к управляющим входам коммутатора 6 и первого блока 9 памяти.

Первый преобразователь 10 код— временной интервал, сумматор 11, цветная телевизионная трубка 12, второй преобразователь 13 код — временной интервал, схема 18 сравнения кодов, счетчик 19 номера канала, блок 20 формирования метки, блок 23 формирования символов входят в состав индикатора 24, при этом первым входом последнего является вход первого преобразователя 10 код — временной интервал, вторым входом - второй вход схемы 18 сравнения кодов, третьим входом — вход второго преобразователя 13 код — временной интервал, а четвертым входом — вход блока 23 формирования символов.

Анализатор спектра работает следующим образом.

Входной широкополосный сигнал, содержащий узкополосные случайные и гармонические компоненты (фиг.2 а) поступает на вход управляемого уэкополосного фильтра 1 и на второй вход двухвходового сумматора 3. Первоначально частота настройки управляемого узкополосного фильтра 1 находится эа . пределами частотного диапазона анализатора спектра, т.е„ f „ c f„, где

- начальная частота настройки упон равляемого узкополосного фильтра 1, а — нижняя рабочая частота аналин затора спектра. В этом случае на выходе управляемого фильтра 1 сигнал отсутствует, и на выход двухвходовогс сумматора 3 через его второй вход проходит весь входной сигнал без изменений, спектр которого соответствует фиг. 2 а. Широкополосный сигнал разбивается полосовыми фильтрами 4 параллельных каналов измерений на ряд узкополосных сигналов, поступающих на входы измерений 5 дисперсий. .)

С выхода последних сигналы в виде постоянных напряжений, пропорциональных дисперсиям узкополосных сигналов, поступают на соответствующие входы коммутатора 6 .

С выхода коммутатора б сигналы поступают на вход АЦП 7, где осуществляется преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. С выхода АЦП 7 сигнал в цифровой форме поступает через замкнутый в исходном состоянии первый ключ 8 в первый блок 9 памяти, при этом ключи 14 и 16 разомкнуты и управление первым блоком 9 памяти и коммутатором 6 осу,, ществляется с выхода счетчика 19 номера канала. С выхода первого блока 9 памяти сигнал поступает через 10 первый преобразователь 10 код — временной интервал 10 и сумматор 11 на модулятор цветной телевизионной трубки 12 (например, красного цвета) .

При этом на экране телевизионной 15 трубки 12 результаты параллельного спектрального анализа высвечиваются в виде светящихся столбцов красного цвета по числу параллельных каналов измерения, уровни которых соответ- 20 ствуют дисперсиям сигналов в соответствующих полосах частот.

Таким образом по окончании времени спектрального анализа в первом блоке 9 памяти находятся результаты параллельного спектрального анализа и одновременно эти результаты высвечиваются на экране телевизионной трубки 12 в виде столбцов красного цвета.

Затем ключ 8 размыкается,а ключ 14 30 замыкается, с выхода генератора 15 гармонического сигнала гармонический сигнал переменной частоты поступает на управляющий вход управляемого узкополосного фильтра 1 и перестраива- 35 ет его по частоте. При этом частота гармонического сигнала изменяется оператором от f äî Е, где Е„и соответственно нижняя и верхняя границы частотного диапазона анализато- 40

1ра спектра.

С выхода управляемого узкополосного фильтра 1 узкополосный сигнал через инвертор 2 поступает на первый

45 вход двухвходового сумматора 3, на второй вход которого поступает измеряемый широкополосный сигнал. В результате противофазного суммирования (вычитания) узкополосного и широкопо50 лосного сигналов, на выходе двухвходового сумматора 3 появляется разностный сигнал, причем на частоте настройки управляемого узкополосного фильтра 1 происходит полное вычита55 ние сигналов, так как коэффициент усиления цепи управляемый узкополосный фильтр 1 — инвертор 2 равен единице, а суммарный фазовый сдвиг

1322171 4 сигнала 180 . Таким образом, с помощью управляемого узкополосного фильтра 1 осуществляется режекция сигнала в узкой полосе частот. В процессе перестройки управляемого узкополосного фильтра 1 осуществляется плавное сканирование частоты настройки и последовательное подавление всех частот анализируемого широкополосного сигнала.

С выхода двухвходового сумматора 3 широкополосный сигнал поступает на параллельные каналы 4 анализа. С выхода измерителей 5 дисперсий сигналы поступают через коммутатор 6 на вход

АЦП 7, с выхода которого сигнал в цифровой форме через замкнутый третий ключ 14 поступает на вход второго преобразователя 13 код — временной . интервал, и далее на модулятор цветной телевизионной трубки 12 (синего цвета). На экране цветной телевизионной трубки 12 продолжают отображаться результаты первого спектрального . анализа с выхода первого блока 9 памяти °

В процессе сканирования частоты настройки управляемого узкополосного фильтра 1 и совпадения ее частоты с частотой гармонической компоненты происходит полное подавление последней, что отражается на экране индикатора цветной телевизионной трубки 12 (фиг, 2 б), а при совпадении частоты настройки управляемого узкополосного фильтра 1 с центральной частотой узкополосной случайной компоненты полного подавления последней не происходит, и на экране индикатора цветной телевизионной трубки 12 появляется отображение в виде, представленном на фиг. 2 в.

В момент, когда частота генератора 15 гармонического сигнала совпада. ет с частотой гармонической компонен ты, о чем судят по изображению на эк ране цветной телевизионной трубки 12 (фиг. 2 б), оператор останавливает перестройку частоты генератора 15 гармонического сигнала и замыкает второй ключ 16.

При этом гармонический сигнал с выхода генератора 15 гармонического сигнала поступает через замкнутый второй ключ 16 на вход преобразователя 17 частота — код, с выхода которого сигнал в цифровой форме (характеризующей значение частоты гармо

1322171

A (f ) @

Ап (f ) ее, -1 е(° ) где А (f ° ) — амплитуда сигнала на п выл выходе и-го анализирующего фильтра на

i-й частоте.

Для уменьшения статистической погрешности оценки амплитуды гармонической компоненты вычисление амплитуды гармонической компоненты осуществнического сигнала) поступает на первый вход схемы 18 сравнения кодов и на второй вход вычислительногq блока 22. На второй вход схемы 18 сравнения кодов поступает сигнал в цифро- 5 вой форме со второго выхода счетчика 19 номера канала. При совпадении кодов на первом и втором входах схемы 18 сравнения кодов (что указывает на совпадение значений частоты гар- 10 монического сигнала с частотой, вырабатываемой счетчиком 19 номера канала) на его выходе появляется сигнал, который поступает на вход блока 20 формирования метки, с выхода последнего сигнал поступает через сумматор 11 на модулятор цветной телевизионной трубки 12 (красного цвета) .

При этом на соответствующем месте растра индикатора появляется метка, 20 характеризующая местоположение на частотной оси значения частоты генератора 15 гармонического сигнала

I (или, что тоже самое, место на час-. тотной оси частоты настройки управляе- мого узкополосного фильтра 1).

Одновременно на первый, третий и четвертый входы вычислительного блока 22 поступают сигналы соответствен»о с выходов второго блока 21 памяти, 30 первого блока 9 памяти и АЦП 7. Во втором блоке 21 памяти хранятся информация об амплитудно-частотных характеристиках анализирующих фильтров .и программа вычислений.

По значению частоты гармонического сигнала, поступающего на второй вход вычислительного блока 22, определяется номер (n) анализирующего фильтра, в полосе которого находится 40 гармоническая компонента f; и значение коэффициента передачи k (f;) фильтра на этой частоте. Известное соотношение, связывающее вход и выход анализирующего фильтра, позволяет оценить истинное значение амплитуды гармонической компоненты ляется с использование, откликов ана-. лизирующих фильтров, соседних с и-м анализирующим фильтром. Оценка амплитуды гармонической компоненты осуществляется путем усреднения по формуле

n+2. А (f ) — выл ,t

1..Z k (;)

А () — — — — — ——

С выхода вычислительного блока 22 сигнал, характеризующий значение амплитуды гармонического сигнала на

1-й частоте, поступает на вход блока 23 формирования символов. С выхода последнего сигнал, несущий информацию о значении уровня гармонической компоненты, сформированный для отображения на экране индикатора цветной телевизионной трубки 12 в виде надписи в соответствующем месте растра (например, s правом верхнем углу), поступает через сумматор 11 на модулятор цветной телевизионной трубки 12 (например, красного цвета) ° При этом в правом верхнем углу растра высвечивается уровень гармонической компоненты в виде надписи, например, "Ур. гарм. 25 дБ".

После этого оператор размыкает второй ключ 1б и продолжает перестройку частоты генератора 15 гармонического сигнала, при этом прекращаются вычисление в вычислительном блоке 22 и исчезает надпись в правом верхнем углу растра цветной телевизионной трубки 12. Управляемый узкополосный фильтр 1 при поступлении на его управляющий вход гармонического сигнала переменной частоты изменяет соответственно свою частоту настройки„ и процесс определения гармонических компонент в исследуемом сигнале продолжается аналогично указанному.

Рассматривают более общий случай оценки уровня и частоты гармонической компоненты при наличии не только узкополосной случайной компоненты, но и широкополосного случайного сигнала в виде йекоторой равномерной подставки в частной области (фиг.3 а).

При наличии широкополосного случайного сигнала в полосе частот в окрестности частоты гармонической компоненты, несмотря на полную режекцию гармонической компоненты, на экране ° индикатора цветной телевизионной

1322171

f5

50

55 трубки 12 остается остаточный уровень сигнала на частоте режекции (фиг,За, б,в) . Это объясняется тем, что полосы пропускания анализирующих фильтров 4 имеют конечное значение (относительно широкое), а полное вычитание сигнала происходит лишь на одной .-й частоте. Поэтому в процессе вычисления уровня гармонической компоненты необходимо учитывать остаточный уровень широкополосного сигнала.

Вычисление оценки уровня гармонической компоненты в этом случае осуществляется по формуле:

j =n-2, k > (f; )

А () — — -- вхср 5

«j.üÈ АЬ 4 — и (к дк )

j=n-г п аf k (f;) (1)

4 где Dj „„(Е,,ЬЕ ),hf> — соответственно дисперсия широкополосного случайного сигнала и полоса пропускания

j-ro анализирующего фильтра 4 °

В формуле (1) суммирование осуществляется по разному числу анализирующих фильтров (5 и 4), так как оценка спектральной плотности широкополос ного сл учайного сигнала ос уществляется по выходу анализирующих фильтров 4 после режекции, поэтому на и-й анализирующий фильтр 4, в полосе которого осуществлена режекция, проходит только часть широкополосного случайного сигнала и следовательно оценка спектральной плотности ао его выходу недостоверна. В связи с; этим значение дисперсии на выходе п-ro анализирующего фильтра 4 формула не учитывает.

Формула и з о 6 р е т ения

Анализатор спектра, содержащий набор полосовых фильтров, к выходу каждого из которых подключены измерители дисперсии, выходы которых подключены к коммутатору, индикатор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены последовательно соединенные управляемый узкополосный фильтр, инвертор, двухвходовый сумматор, выход которого подо ключен к входам полосовых фильтров, последовательно соединенные аналогоцифровой преобразователь, первый

8 ключ и первый блок памяти, подключенный к первому входу индикатора, вычислительный блок, второй блок памяти, подключенный к первому входу вычислительного блока, последовательна соединенные перестраиваемый по частоте генератор гармонического сигнала „второй ключ и преобразователь частота — код, выход которого подключен к второму входу вычислительного блока и второму входу индикатора, третий ключ, включенный между выходом аналого-цифрового преобразователя и третьим входом индикатора, входом анализатора является вход управляемого узкополосного фильтра, который соединен также с вторым входом двухвходового сумматора, .к управляющему входу управляемого узкополосного фильтра подключен выход генератора гармонического сигнала, третий вход вычислительного блока подключен к выходу первого блока памяти, четвертый вход вычислительного блока подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, управляющий выход индикатора подключен к управляющим входам коммутатора и первого блока памяти, выход вычислительного блока подключен к четвертому. входу индикатора, который выполнен на цветной телевизионной трубке с блоком развертки и содержит последовательно соединенные счетчик номера канала, схему сравнения кодов, блок формирования метки и сумматор, выход которого подключен к модулятору цветной телевизионной трубки, например, красного цвета, причем второй вход схемы сравнения является вторым входом индикатора, блок формирования символов, вход которого является четвертым входом индикатора. а выход подключен к другому входу сумматора, первый преобразователь код — временной интервал, вход которого является первым входом индикатора, а выход подключен к третьему входу сумматора, второй преобразователь код — временной интервал, вход которого является третьим входом индикатора, а выход подключен к модулятору цветной телевизионной трубки, например, синего цвета, при этом другой выход счетчика номера канала является управляющим выходом индикатора, 1322171

Составитель В.Смолин

Редактор И.Горная Техред Л.Олийнык Корректор Л.Патай

Заказ 2858/40 Тираж 730 ПодписнЬе

ВИИИПИ. Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород,, ул . Проектная, 4