DE4134473A1 - Anordnung zum automatischen messen von nichtlinearen verzerrrungen eines messobjektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum automatischen Messen von nichtlinearen Verzerrungen eines Meßobjektes nach dem Intermodulations- oder Differenzton-Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Das Messen von nichtlinearen Verzerrungen in der Elek­ troakustik ist für das Differenzton-Verfahren nach DIN 45 403 Bl. 3 und für das Intermodulations-Verfahren nach Blatt 4 geregelt. Beim Differenzton-Verfahren werden zwei Signale gleicher Amplitude mit den Frequenzen f1 und f2 und einem vorgegebenen Frequenzabstand am Eingang des Meßobjektes eingespeist, durch die unsymmetrischen Verzerrungen des Meßobjektes entstehen Differenztöne, die im Abstand von einem ganzen Vielfachen des Frequenz­ abstandes von der Frequenz Null liegen. In den DIN-Vor­ schriften ist genau definiert, wie der Differenztonfaktor gerader Ordnung bzw. ungerader Ordnung gemessen wird. Beim Intermodulationsverfahren wird ein Signal niedriger Frequenz f1 und großer Amplitude und ein Signal hoher Frequenz f2 und kleiner Amplitude am Eingang des Meßob­ jektes eingespeist. Am Ausgang des Meßobjektes entstehen außer den ursprünglichen Signalen noch zusätzliche Modulationsfrequenzen, die nach Frequenz und Amplitude gemessen werden. Aus den gemessenen Effektivwerten der einzelnen Seitenfrequenzen und des Meßtones höherer Frequenz wird nach der DIN-Vorschrift der Intermodula­ tionsfaktor errechnet.

Die Messung der für das Differenzton- bzw. Intermodula­ tions-Verfahren erforderlichen Frequenzkomponenten erfolgt bisher meist in analoger Meßtechnik, beispielsweise mittels eines Suchton-Analysators, mit welchem sämtliche Komponenten des Frequenzspektrums nach Frequenz und Amplitude gemessen werden, aus den so gemessenen Effek­ tivwerten kann dann der Differenztonfaktor bzw. der Intermodulationsfaktor berechnet werden. Es ist auch bekannt, diese Verfahren in digitaler Meßtechnik auszu­ führen, beispielsweise durch Berechnung des Gesamtspek­ trums nach der Fast-Fourier-Transformation (FFT). Bei allen bekannten analogen oder digitalen Messungen ist jedoch immer eine vorbestimmte Meßfolge notwendig, was zu langen Meßzeiten führt. Ein automatisches Messen und Erkennen der Frequenzlage der einzelnen Frequenzkompo­ nenten ist mit den bekannten Verfahren nur mit langer Meßzeit möglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, mit der diese Messungen nach dem Differenzton- bzw. Intermodulations-Verfahren automatisch und schneller durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich­ nende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen jeweils angepaßt auf das Differenzton- bzw. Intermodu­ lations-Verfahren ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die vollauto­ matische Messung von nichtlinearen Verzerrungen eines Meßobjektes nach dem Differenzton- bzw. Intermodula­ tions-Verfahren, da die erfindungsgemäße Anordnung vollautomatisch jeweils die Erkennung der beiden am Eingang des Meßobjektes eingespeisten Frequenzkomponenten ermöglicht, aus denen dann in bekannter Weise diejenigen Frequenzkomponenten des Meßsignales bestimmt werden können, deren Effektivwert gemessen werden muß, um aus diesen Werten dann den Differenztonfaktor bzw. den Inter­ modulationsfaktor nach DIN-Vorschrift zu berechnen. Eine erfindungsgemäße Anordnung kann dabei sowohl in Analog­ technik als auch in Digitaltechnik aufgebaut sein. In der Analogtechnik werden als Frequenzanalysatoren bei­ spielsweise übliche Suchtonanalysatoren benutzt, die es ermöglichen, die gewünschten Frequenzkomponenten f1 und f2 nach Frequenz und Amplitude zu bestimmen und die es auch ermöglichen, aus dem ursprünglichen Eingangssignal diese Frequenzkomponenten auszukoppeln und das verblei­ bende Restsignal ohne diese Frequenzkomponenten zu erzeugen.

Besonders einfach ist es jedoch, eine erfindungsgemäße Anordnung in Digitaltechnik aufzubauen. Als Frequenz­ analysatoren sind in diesem Fall handelsübliche Geräte geeignet, die nach einem bekannten Frequenztransforma­ tionsverfahren, beispielsweise nach der FFT arbeitet und die es ermöglichen, aus dem digitalisierten Eingangs­ signal wiederum die Frequenzkomponenten maximaler Ampli­ tude zu erkennen, auszusondern, deren Frequenz zu messen und schließlich das verbleibende Restsignal als Digital­ signal ohne diese Frequenzkomponente zu erzeugen und für die weitere Auswertung zur Verfügung zu stellen. Hierfür sind im Prinzip alle bekannten Frequenztransfor­ mationsverfahren geeignet, wie sie beispielsweise beschrieben sind in H.W. Schüßler: "Digitale Systeme zur Signalverarbeitung", Springer-Verlag, 1973, insbe­ sondere S. 165 bis 170.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht nicht nur das vollautomatische Messen von Differenztonfaktoren bzw. Intermodulationsfaktoren, sondern ermöglicht auch eine wesentlich schnellere Messung, da die Messungen parallel durchgeführt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Messen der Differenztonfaktoren nach dem Differenzton-Verfahren gemäß DIN 45 403, Bl. 3. Die Meßanordnung besteht aus zwei in Reihe geschalteten Frequenzanalysatoren 1 und 2, die so ausgebildet sind, daß der erste Analysator 1 aus dem ihm vom Ausgang 3 des Meßobjektes 4 zugeführten Meßsignal die Frequenz­ komponente f1 erkennt, die in diesem Meßsignal maximale Amplitude besitzt. Da bei dem Differenzton-Verfahren am Eingang des Meßobjektes 4 zwei Frequenzen f1 und f2 eingespeist werden, die gleiche Amplitude besitzen, wird der Frequenzanalysator 1 eine dieser beiden gleich großen Komponenten als Maximum erkennen, in dem dargestellten Beispiel f1. Der Frequenzanalysator 1 ist ferner so aus­ gebildet, daß er nicht nur die maximale Frequenzkomponente erkennt, sondern gleichzeitig auch noch deren Frequenz mißt. Am Ausgang 5 des ersten Frequenzanalysators 1 entsteht also ein Digitalsignal, das dem Wert der Frequenz f1 von maximaler Amplitude des Meßsignales entspricht. Der Frequenzanalysator 1 ist ferner so ausgebildet, daß er aus dem ursprünglichen Meßsignal diese Frequenzkom­ ponente f1 auskoppelt und ein Restsignal erzeugt, das diese Frequenzkomponente f1 nicht mehr enthält. Dieses Restsignal wird dann dem in gleicher Weise wie der Analysator 1 aufgebauten Frequenzanalysator 2 zugeführt, der aus dem Restsignal wiederum die Frequenzkomponente maximaler Amplitude, in diesem Beispiel f2 erkennt, deren Frequenz mißt und am Ausgang 6 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stellt. Gleichzeitig wird wiederum das diese Frequenzkomponente f2 nicht mehr enthaltende Restsignal erzeugt, das am Ausgang 7 zur weiteren Aus­ wertung zur Verfügung steht.

Aus den gemessenen Frequenzwerten f1 und f2 wird in einer Addierschaltung 8 die Differenz D = f2-f1 gebildet. Nachdem laut DIN-Vorschrift der Differenztonfaktor zweiter Ordnung dem Effektivwert des Differenztones f2-f1 ent­ spricht ist es zur Messung des Differenztonfaktors zweiter Ordnung nur noch erforderlich, einen Bandpaß 9 auf diese Frequenz D = f2-f1 einzustellen und an dem diesen Bandpaß 9 zugeführten Restsignal bei dieser Frequenz mittels eines Effektivwertmessers 10 den Effektivwert dieser Frequenzkomponente zu messen. Am Ausgang des Meßobjektes wird außerdem über einen Effektivwertmesser 11 der Effektivwert des gesamten Frequenzgemisches am Ausgang 3 als Spannung U_a gemessen, aus dem im Effektivwertmesser 10 gemessenen Effektivwert der Frequenzkomponente f2-f1 und dem Effektivwert U_a wird dann in einem nicht dage­ stellen Rechner nach der DIN-Vorschrift der Differenz­ tonfaktor zweiter Ordnung berechnet.

In gleicher Weise kann beispielsweise auch der obere und untere Differenztonfaktor dritter Ordnung berechnet werden, dazu sind zwei abstimmbare Bandpässe 12 und 13 vorgesehen. Der eine Bandpaß 12 wird auf die Frequenz 2f1-f2 eingestellt. In einem Addierer 14 wird die Differenz zwischen der in der Frequenz kleineren Fre­ quenzkomponente f1 und der Differenz D der beiden Fre­ quenzkomponenten f2-f1 gebildet, dazu ist den Ausgängen 5 und 6 der Frequenzanalysatoren entweder eine zusätzliche Erkennungsschaltung zugeordnet, die feststellt, welche der beiden Frequenzen f1 und f2 die jeweils größere ist. Diese Feststellung erfolgt jedoch vorzugsweise bereits unmittelbar in den Frequenzanalysatoren 1 und 2, so daß definitionsgemäß der Ausgang 5 die in der Frequenz kleinere Frequenzkomponente und der Ausgang 6 die in der Frequenz größere Frequenzkomponente f2 liefert.

In gleicher Weise wird in einem Addierer 15 die Summe zwischen der frequenzmäßig größeren Frequenzkomponente f2 und dieser Differenz D gebildet und auf diese Frequenz der Bandpaß 13 eingestellt. Die somit automatisch auf die Frequenzkomponenten zur Bestimmung des Differenz­ tonfaktors dritter Ordnung eingestellten Bandpässe 12 und 13 filtern aus dem Restsignal am Ausgang 7 die entsprechenden Frequenzkomponenten aus und über Effektiv­ wertmesser 16 und 17 werden wieder die entsprechenden Effektivwerte dieser Frequenzkomponenten gemessen, aus denen dann über die in Fig. 1 angegebenen Formeln unter Berücksichtigung von U_a der obere und untere Differenz­ tonfaktor dritter Ordnung über den nicht dargestellten Rechner berechnet wird.

Diese im wesentlichen in Analogtechnik dargestellte Anordnung nach Fig. 1 wird vorzugsweise vollständig in Digitaltechnik verwirklicht und zwar beispielsweise unter Verwendung eines üblichen FFT-Analysators, der sowohl die Funktion der Frequenzanalysatoren 1 und 2 als auch die einstellbaren Bandpässe 9, 12 und 13 ersetzt. Durch Digitalisierung des Ausgangssignales des Meßobjektes 4 wird damit die oben beschriebene Messung der Frequenz­ komponenten f1 und f2, die Bildung des jeweiligen Rest­ signales, die Einstellung der Bandpässe 9, 12 und 13 auf die jeweils gewünschten Frequenzkomponenten rein digital durch Frequenztransformation beispielsweise nach dem FFT-Verfahren durchgeführt, so daß sich ein besonders einfacher Aufbau ergibt.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum automatischen Messen von nichtlinearen Verzerrungen an einem Meßobjekt 4 nach dem Intermodulationsverfahren. Dazu sind wieder die beiden in Reihe geschalteten Frequenzanalysatoren 1 und 2 vor­ gesehen, beim Intermodulationsverfahren werden zwei Signale f1 und f2 unterschiedlicher Amplitude eingespeist, damit wird automatisch am Ausgang 5 des ersten Frequenz­ analysators die Frequenzkomponente f1 erkannt und über den Analysator 2 am Ausgang 6 die in der Amplitude kleinere Frequenzkomponente f2. In einer Addierschaltung 8 wird wieder die Differenz f2-f1 gebildet, in einer zweiten Addierschaltung 20 die Summe f2+f1, über den Addierer 8 wird wieder automatisch ein Bandpaß 21 auf diese Frequenz f2-f1 eingestellt, über den Addierer 20 ein Bandpaß 22 auf die Summe f2+f1. Diese Frequenzkom­ ponenten werden wieder mittels Effektivwertmesser 23 und 24 gemessen und aus diesen gemessenen Effektivwerten kann dann beispielsweise wieder nach der DIN-Vorschrift der Intermodulationsfaktor zweiter Ordnung errechnet werden. Dazu ist noch ein weiterer Effektivwertmesser 25 vorgesehen, mit dem der Effektivwert von f2 gemessen wird. Durch entsprechende Bildung der Differenz und Summe der Frequenzen f1 und f2 können auf diese Weise auch die Intermodulationsfaktoren dritter und höherer Ordnung gemessen werden, es sind dazu nur entsprechend einstell­ bare Bandpässe erforderlich. Auch diese Anordnung nach Fig. 2 kann in Analogtechnik oder in reiner Digitaltechnik aufgebaut sein.

Claims (4)

1. Anordnung zum automatischen Messen von nichtlinearen Verzerrungen eines Meßobjektes (4) durch Auswerten des bei Einspeisung von zwei Signalen (f1, f2) unter­ schiedlicher Frequenz am Ausgang (3) des Meßobjektes entstehenden Frequenzspektrums, gekenn­ zeichnet durch zwei in Reihe geschaltete Frequenzanalysatoren (1, 2), die so ausgebildet sind, daß der erste (1) aus dem ihm vom Ausgang (3) des Meßobjektes (4) zugeführten Meßsignal die Frequenz­ komponente (z. B. f1) maximaler Amplitude erkennt, deren Frequenz (f1) feststellt und diese Frequenz­ komponente aus dem Meßsignal auskoppelt und so ein Restsignal erzeugt, das dem Eingang des zweiten Frequenzanalysators (2) zugeführt wird, der seinerseits so ausgebildet ist, daß er aus diesem Restsignal die Frequenzkomponente (f2) maximale Amplitude erkennt, deren Frequenz (f2) feststellt und diese Frequenz­ komponente wiederum aus dem Restsignal auskoppelt, wobei aus diesen gemessenen Frequenzen (f1, f2) maximaler Amplitude nach den Vorschriften des Inter­ modulations- bzw. Zweiton-Verfahrens diejenigen Fre­ quenzkomponenten (z. B. Frequenzkomponente D = f2-f1 nach dem Differenzton-Verfahren) bestimmt werden, bei denen dann am Meßsignal (7) der Effektivwert zu messen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zum Messen des Differenz­ tonfaktors zweiter Ordnung nach dem Differenzton-Ver­ fahren durch Einspeisen von zwei Signalen (f1, f2) unterschiedlicher Frequenz jedoch gleicher Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß am Restsignal (7) des zweiten Frequenzanalysators (2) bei der Frequenz (D) der Differenz (f2-f1) zwischen den beiden Frequenzkomponenten maximaler Amplitude der Effektivwert gemessen wird (Bandpaß 9, Effektiv­ wertmesser 10).

3. Anordnung nach Anspruch 1 zum Messen des Differenz­ tonfaktors dritter Ordnung nach dem Differenzton-Ver­ fahren durch Einspeisen von zwei Signalen (f1, f2) unterschiedlicher Frequenz jedoch gleicher Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß am Restsignal (7) des zweiten Frequenzanalysators (2) sowohl bei der Frequenz (2f2-f1) der Differenz zwischen der in der Frequenz kleineren der beiden Frequenz­ komponenten (f1) und der Differenz (D) zwischen den beiden Frequenzkomponenten (f1, f2) maximaler Amplitude der Effektivwert gemessen wird (Bandpaß 12, Effektiv­ wertmesser 16) als auch bei der Frequenz (2f2-f1) der Summe zwischen der in der Frequenz größeren der beiden Frequenzkomponenten (f2) und der Differenz (D) zwischen den beiden Frequenzkomponenten (f1, f2) der Effektivwert gemessen wird (Bandpaß 13, Effektiv­ wertmesser 17).

4. Anordnung nach Anspruch 1 zum Messen des Intermodu­ lationsfaktors zweiter Ordnung nach dem Intermodula­ tions-Verfahren, bei dem ein erstes Signal niedriger Frequenz (f1) und großer Amplitude und ein Signal hoher Frequenz (f2) und kleiner Amplitude am Eingang des Meßobjektes (4) eingespeist wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Restsignal (7) des zweiten Frequenzanalysators (2) sowohl bei der Frequenz (f2-f1) der Differenz zwischen den beiden Frequenz­ komponenten (f1, f2) maximaler Amplitude der Effektiv­ wert gemessen wird (Bandpaß 21, Effektivwertmesser 23) als auch bei der Frequenz (f2+f1) der Summer der beiden Frequenzkomponenten (f1, f2) maximaler Amplitude der Effektivwert gemessen wird (Bandpaß 22, Effektiv­ wertmesser 24).