Измеритель отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов

 

Изобретение относится к области измерения параметров электрических сигналов. Измеритель содержит фазовращатель, формирователь импульсов, времяамплитудный преобразователь, пиковый детектор, пороговое устройство, два устройства выборки-хранения, блок деления, а формирователь импульсов выполнен на двух компараторах, элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, И-НЕ, НЕ. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерения параметров электрических сигналов, изменяющихся по гармоническому закону, в частности к измерителям отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, частоты которых равны друг другу или имеют близкие значения, и может быть использовано при обработке сигналов звуковых и инфразвуковых частот.

Известны различные устройства измерения отношения двух гармонических сигналов. В основу большинства из них положен принцип преобразования переменных напряжений в постоянные, пропорциональные по величине амплитудам исследуемых сигналов, с последующим измерением отношений этих постоянных напряжений [1].

В зависимости от типов этих устройств погрешность измерения отношения лежит в пределах от долей до единиц процентов. Погрешность измерения значительно возрастает (более чем на порядок), если сигналы искажены в области экстремальных значений.

Известны способы определения отношений двух синфазных сигналов без преобразования их амплитуды, например, в устройстве [2], по которому один из синфазных сигналов сдвигают фазовращателем, суммируют с вторым сигналом, причем фазовый сдвиг сигнала делимого подбирают равным половине фазового сдвига линейной суммы сигналов делимого и делителя, и измеряют фазовый сдвиг суммарного сигнала по отношению к входным синфазным сигналам.

В устройстве предъявляются высокие требования к фазосдвигающим цепям для обеспечения достаточной точности измерения, что сложно обеспечить.

В устройстве [3] к времяимпульсному делителю подключен формирователь пилообразного напряжения, сигнал-делитель с которого поступает на пороговое устройство, где он сравнивается с сигналом делимого, после чего измеряют длительность интервала времени от начала формирования пилообразного напряжения до момента динамической компенсации уровня сигнала, делимого пилообразным напряжением, длительность этого интервала пропорциональна определяемому отношению.

Такое устройство обладает высокой точностью при неискаженных сигналах, однако погрешность существенно возрастает, когда экстремальные значения гармонического сигнала искажены.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по принципу преобразования сигналов путем выделения их мгновенных значений с последующим их делением является устройство [4], содержащее два пиковых детектора, подключенных к входам устройства, и делитель напряжения, выход которого подключен к выходу устройства.

Устройство просто реализовать, оно работает по принципу прямого измерения отношения значений амплитуд исследуемых сигналов, однако погрешность измерения будет значительной при искажениях экстремумов сигналов.

Целью изобретения является увеличение точности измерения отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов.

Цель в измерителе отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, содержащем пиковый детектор и блок деления, выход которого подключен к выходу измерителя, достигается тем, что он дополнительно содержит фазовращатель, формирователь импульсов, времяамплитудный преобразователь, пороговое устройство, два устройства выборки-хранения, причем вход фазовращателя подключен к первому входу измерителя, а выход - к первому входу формирователя импульсов, второй вход которого подключен к второму входу измерителя, первый выход формирователя импульсов подключен к стробирующему входу порогового устройства, второй выход - к управляющему входу пикового детектора, а третий выход - к входу времяамплитудного преобразователя, выход последнего подключен к информационному входу пикового детектора и к второму входу порогового устройства, к третьему входу которого подключен выход пикового детектора, выход порогового устройства подключен к управляющим входам первого и второго устройств выборки-хранения, информационный вход первого из них подключен к выходу фазовращателя, информационный вход второго устройства выборки-хранения подключен к второму входу измерителя, а их выходы подключены к входам блока деления, управляющий вход которого подключен к выходу порогового устройства. Формирователь импульсов содержит первый и второй компараторы, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элементы И-НЕ и НЕ, причем входы первого и второго компараторов являются первым и вторым входами формирователя импульсов соответственно, выход первого компаратора подключен к первому входу элемента И-НЕ, выходы первого и второго компараторов подключены к первому и второму входам элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соответственно, выход последнего подключен к второму входу элемента И-НЕ и к входу элемента НЕ, а выходы первого компаратора, элемента И-НЕ, элемента НЕ являются выходами формирователя импульсов соответственно с первого по третий.

Сущность изобретения заключается в том, что измеритель построен на основе способа определения отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов и позволяет определять отношение значений амплитуд сигналов, которое равно модулю отношения двух мгновенных значений этих сигналов, полученных следующим образом: один сигнал сдвигают по фазе относительно другого и выделяют временной интервал, на котором сигналы не меняют своего знака, мгновенные значения сигналов выбирают в середине этого временного интервала.

Функциональная схема измерителя представлена на фиг. 1; функциональная схема формирователя импульсов - на фиг. 2; временные диаграммы работы представлены на фиг. 3.

Измеритель содержит фазовращатель 1, формирователь 2 импульсов, времяамплитудный преобразователь 3, пиковый детектор 4, пороговое устройство 5, устройства 6 и 7 выборки-хранения, блок 8 деления.

Вход фазовращателя 1 подключен к первому входу измерителя, а его выход подключен к первому входу формирователя 2 импульсов. Второй вход формирователя импульсов подключен к второму входу измерителя, его первый выход подключен к первому (стробирующему) входу порогового устройства 5, второй выход - к управляющему входу пикового детектора 4, а третий выход - к входу времяамплитудного преобразователя 3. Выход последнего подключен к информационному входу пикового детектора 4 и к второму входу порогового устройства 5, к третьему входу которого подключен выход пикового детектора 4. Выход порогового устройства 5 подключен к управляющим входам первого и второго устройств 6 и 7 выборки-хранения. Информационный вход второго из них подключен к выходу фазовращателя 1, информационный вход первого - к второму входу измерителя, а их выходы подключены к входам блока 8 деления, управляющий вход которого подключен к выходу порогового устройства 5, а выход является выходом измерителя.

Входы компараторов 9 и 10 в формирователе 2 импульсов подключены к двум его входам соответственно, выход первого компаратора 9 подключен к первому выходу формирователя импульсов, и к входам элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 11 и элемента И-НЕ 12, выход второго компаратора 10 подключен к второму входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 11. Выход последнего подключен к второму входу элемента И -НЕ 12 и входу элемента НЕ 13, а выходы этих элементов подключены соответственно к второму и третьему выходам формирователя 2 импульсов.

Работа измерителя основана на способе, в соответствии с которым исследуемые сигналы - напряжения U_x и U_y сдвигают по фазе относительно друг друга так, чтобы они не были синфазны или противофазны, выделяют временной интервалτ на одном из полупериодов, общем для обоих сигналов, на котором не происходит изменение знака, проводят измерения значений сигналов в середине выделенного интервала и модуль отношения этих значений будет соответствовать отношению значений амплитуд сигналов.

Сдвиг сигналов производит фазовращатель 1, для чего на его вход подают один из сигналов, например U_x. Величину сдвига фазовращателя 1 устанавливают заранее на определенную величину. Например, при значительных искажениях сигналов (или одного из них), что обычно априори известно, устанавливают сдвиг фаз, близкий к значению, кратному 90^о.

На фиг. 3а приведены исследуемые сигналы U'_x и U_y со сдвигом фаз F_o между ними 90^o < F_o < 180^o. Сигналы U'_x с выхода фазовращателя 1 и U_y поступают на формирователь 2 импульсов, который формирует из них три типа сигналов из импульсов различной длительности, которые, воздействуя на соответствующие блоки измерителя, позволяют выделить значения сигналов в середине временного интервала.

Формирователь 2 импульсов работает следующим образом. Сигнал U'_x поступает на компаратор 9, а сигнал U_y - на компаратор 10, которые являются однопороговыми компараторами положительных и отрицательных напряжений соответственно, поэтому на выходах компараторов 9 и 10 будут значения логической "1" в соответствии с полярностью поступающих на них сигналов (фиг. 3б,в), импульсы напряжений U₉, U₁₀. U_y Импульс логической "1" с компаратора 9 поступает на первый выход формирователя 2 импульсов. Импульсы логической "1" с выходов компараторов 9 и 10 поступают на входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 11. который формирует импульсы логической "1" в те интервалы времени, когда значения напряжений U₉ и U₁₀ не совпадают (фиг. 3г). Эти импульсы U₁₁ поступают на элементы И-НЕ 12 и НЕ 13. Элемент И-НЕ 12 формирует импульсы логического "0" при совпадении значений логической "1" импульсов напряжений U₉ и U₁₁, второй выход формирователя 2 импульсов (фиг. 3д). Логический элемент НЕ 13 инвертирует импульсы U₁₁ (фиг. 3е), и они поступают на третий выход формирователя 2 импульсов, напряжение U₁₃.

Как видно из анализа временных диаграмм, длительность этих импульсов и положение их на временной оси соответствуют временному интервалуτ (фиг. 3а).

Импульсы логической "1" - напряжение U₉ с первого выхода формирователя 2 импульсов (фиг. 3б) поступают на первый вход порогового устройства 5 и закрывают его на время длительности этого импульса, на выходе порогового устройства 5 поддерживается значение логического "0" - напряжения U₅ (фиг. 3ж). Импульсы напряжения U₁₃ с третьего выхода формирователя 2 импульсов поступают на времяамплитудный преобразователь 3, который формирует линейно нарастающее напряжение U₃ (фиг. 3а) в течение длительности импульса U₁₃, т. е. пропорционально длительности временного интервала.

Сигналы пилообразного напряжения U₃ поступают на информационный вход пикового детектора 4 и на второй вход порогового устройства 5, на третий вход которого поступают сигналы U₄ с выхода пикового детектора 4.

Коэффициент передачи пикового детектора 4 устанавливают равным К = 0,5, и по окончании поступающего на его вход сигнала пилообразного напряжения U₃ на его выходе устанавливается постоянное напряжение U₄, величина которого равна половине максимального значения пилообразного напряжения U₃ (фиг. 3и), но в середине интервалаτ в точке τ_о значение напряжения U₃ также равно половине его максимального значения.

По окончании действия стробирующего импульса U₉ пороговое устройство 5 открывается и в момент времени, когда постоянное напряжение U₄ и линейно нарастающее U₃ становятся равными (фиг. 3и), пороговое устройство срабатывает, на его выходе появляется уровень логической "1", являющийся сигналом "Хранение" для устройств 6 и 7, а также сигналом "Измерение" для блока 8 деления (фиг. 3ж). Следующий стробирующий импульс U₉, поступающий на первый вход порогового устройства 5, закрывает его снова, и на его выходе устанавливается логический "0", являющийся сигналом "Выборка" для устройств 6 и 7, а также сигналом, запирающим блок 8 деления. Одновременно импульс U₁₂ с второго выхода формирователя 2 импульсов, возвращает пиковый детектор 4 в исходное состояние.

Сигналы U'_x и U_y поступают на устройства 6 и 7, которые повторяют эти сигналы в режиме "выборка" и сохраняют значения сигналов в памяти в режиме "хранение", когда на их управляющие входы поступает сигнал "Хранение" с выхода порогового устройства 5. Этот сигнал открывает блок 8 деления, на который в этот период времени поступают напряжения U₆ и U₇, поэтому на выходе блока деления появляется сигнал U₈ (фиг. 3к), равный частному от деления напряжений U₆ и U₇ (или равный напряжению, пропорциональному этому частному), соответствующих моменту времени. Значение модуля отношения напряжений в этот момент времени и равно отношению значений амплитуд исследуемых сигналов.

Достоинством предлагаемого измерителя является то, что его методическая ошибка равняется нулю даже в том случае, когда существуют искажения исследуемых сигналов в области (0,707-1) от их экстремальных значений.

Измеритель выполнен на стандартных элементах и позволяет проводить измерения с высокой точностью за счет того, что выбор мгновенных значений сигнала-делимого и делителя производится в стороне от экстремальных значений, где, обычно, искажения максимальны. Инструментальная ошибка такого измерителя, как показывает анализ, составляет десятые доли процента.

Формула изобретения

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОШЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ АМПЛИТУД КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащий пиковый детектор и блок деления, выход которого подключен к выходу измерителя, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фазовращатель, формирователь импульсов, времяамплитудный преобразователь, пороговое устройство, для устройства выборки-хранения, причем вход фазовращателя подключен к первому входу измерителя, а выход - к первому входу формирователя импульсов, второй вход которого подключен к второму входу измерителя, первый выход формирователя импульсов подключен к стробирующему входу порогового устройства, второй выход - к управляющему входу пикового детектора, третий выход - к входу времяамплитудного преобразователя, выход последнего подключен к информационному входу пикового детектора и к второму входу порогового устройства, к третьему входу которого подключен выход пикового детектора, выход порогового устройства подключен к управляющим входам первого и второго устройств выборки-хранения, информационный вход первого из них подключен к выходу фазовращателя, информационный вход второго - к второму входу измерителя, а их выходы - к входам блока деления, управляющий вход которого подключен к выходу порогового устройства.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что формирователь импульсов содержит первый и второй компараторы, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элементы И - НЕ и НЕ, причем входы первого и второго компараторов являются первым и вторым входами формирователя импульсов соответственно, выход первого компаратора подключен к первому входу элемента И - НЕ, выходы первого и второго компараторов - к первому и второму входам элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соответственно, выход последнего подключен к второму входу элемента И - НЕ и к входу элемента НЕ, а выходы первого компаратора, элемента И - НЕ, элемента НЕ являются выходами формирователя импульсов соответственно с первого по третий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3