PL153768B1

PL153768B1 - Sposób i układ do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych

Info

Publication number: PL153768B1
Application number: PL26563487A
Authority: PL
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1987-05-11
Publication date: 1991-05-31
Also published as: PL265634A1

Description

RZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 153 768

POLSKA

Patent dodatkowy do patentu nr---—

Zgłoszono: 87 05 11 (P. 265634)

Pierwszeństwo--Int. Cl.5 _G01R 23,2« iinniu

PATENTOWY

RP

URZĄD

Zgłoszenie ogłoszono: 88 11 24

Opiz patentowy opublikowano: 1992 02 28

Twórcy wynalazku: Ludwik Spiralski, Dorota Rabceuk

Uprawniony z patentu: Politechnika Gdańska,

Gdańsk (Polska)

Sposób i układ do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych. Wynalazek jest przeznaczony do pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych zwłaszcza wzmacniaczy szerokopasmowych wysokiej klasy.

Znany np. z książki B. Oliver J. Cage „Pomiary i przyrządy elektroniczne, W-wa, 1978 str. 462 bardzo popularny sposób pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych polega na pomiarze stosunku wartości skutecznej napięcia ξ/ΰ²^ sygnału na wyjściu czwórnika badanego po odfiltrowaniu składowej o częstotUwo^i s^ygnato po^bu^dzaj^ące^go, ^do wartoto skutecznej nap^ięria V sygnału wyjściowego bez odfiltrowania tej składowej, h= gdzie, h oznacza współczynnik zniekształceń nieliniowych, u_Wy(t) oznacza sygnał wyjściowy z badanego czwórnika bez odfiltrowywania składowej o częstotliwości sygnału pobudzającego, a u(t) oznacza sygnał . wyjściowy z badanego czwórnika po odfiltrowaniu tej składowej.

Sposób jest szybki . i prosty, ale nie nadaje się do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych, gdyż jest obarczony dużym błędem spowodowanym szumami własnymi badanego czwórnika i toru pomiarowego. Sposoby, które nadają się do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych można podzielić na dwie grupy. Sposoby pomiaru zaliczane do pierwszej grupy, znane z książki B. Oliver J. Cage „Pomiary i przyrządy elektroniczne, Warszawa 1978 str. 462 charakteryzują się tym, że dokonuje się wąskopasmowej filtracji każdej harmonicznej, a następnie mierzy się wartość skuteczną sygnału na wyjściu każdego z filtrów. Współczynnik zniekształceń nieliniowych oblicza się ze wzoru

153 768

Μ ^ιΛ

3> ? [UkCOSkWlt + Unk(t)]² h= —_______

M [Uk-coskcwt + u_nn<(t)]²

- . . k=l . ··.

gdzie, h oznacza współczynnik zniekształceń nieliniowych, Uk amplitudę k-tej harmonicznej, ωι = 2irfi pulsację sygnału pobudzającego, M - liczbę harmonicznych na wyjściu wzmacniacza badanego, Unk(t) - szum w paśmie filtracji k-tej harmonicznej. Sposób ten nadaje się do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych, ponieważ zmniejsza wpływ szumów własnych czwórnika badanego i toru pomiarowego na wynik pomiaru. Wadą jest niepełna eliminacja wpływu szumów ze względu na skończone pasmo filtracji.

Do drugiej grupy zalicza się sposoby istotą których jest obróbka w torze pomiarowym całego sygnału będącego sumą harmonicznych i szerokopasmowych szumów bez odfiltrowywania poszczególnych harmonicznych.

Do drugiej grupy zalicza się znany z polskiego opisu patentowego nr 135424, korelacyjny sposób pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych, w którym wyznacza się stosunek pierwiastka z funkcji autokorelacji sygnału wyjściowego po odfiltrowaniu składowej o częstotliwości sygnału pobudzającego, do pierwiastka z funkcji autokorelacji sygnału wyjściowego 'bez odfiltrowywania tej składowej dla argumentu będącego krotnością okresu sygnału pobudzającego. Sposób ten zapewnia eliminację wpływu szumów własnych i toru pomiarowego na wynik pomiaru. Wadą sposobu korelacyjnego jest fakt, że czas pomiaru rośnie z kwadratem stosunku wartości średniokwadratowej szumów u%z(t) do wartości średniokwadratowej harmonicznych u²H(t), a zatem dla

U²sz(t) j u^(t) może osiągać znaczne wartości.

Układ do pomiaru współczynnika zniekształceń metodą filtracji harmonicznej, znany z książki B. Oliver J. Cage „Pomiary i przyrządy elektroniczne, Warszawa 1978 str. 462, składa się z generatora sinusoidalnego sygnału pobudzającego, badanego wzmacniacza i jednego z dwóch układów dołączonych do jego wyjścia: analizatora widma lub woltomierza selektywnego. Urządzenia te są skomplikowane i drogie.

Układ do pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych metodą pomiaru wartości średniokwadratowej napięcia sygnału wyjściowego, znany z książki B. Oliver J. Cage „Pomiary i przyrządy elektroniczne, Warszawa 1978 str. 462, składa się z kaskadowego połączenia generatora sinusoidalnego sygnału pobudzającego, wzmacniacza badanego, filtru eliminującego podstawową harmoniczną, miernika wartości i układu ekspozycji wyniku oraz klucza elektronicznego wyłączonego między wyjście układu badanego, a wejście miernika. Układ jest nieskomplikowany, tani i dlatego popularny, ale nadaje się do pomiaru tylko stosunkowo dużych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych, dla których nie należy spodziewać się wpływu szumów na wynik pomiaru.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 135 424, układ do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych metodą korelacyjną, składa się z połączonych kaskadowo generatora sygnału sinusoidalnego, badanego czwórnika i układu wejściowego połączonych, przy pomocy przełącznika, bezpośrednio lub za pośrednictwem układu eliminującego składową o pulsacji sygnału pobudzającego, z miernikiem korelacji składającym się z kaskadowo połączonych przełącznika zakresów, korelatora i układu ekspozycji wyniku. Korelator w wyniku analogowym jest urządzeniem skomplikowanym, w wykonaniu cyfrowym mniej skomplikowanym. Układ nadaje się do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych przy stosunkowo długim czasie pomiaru.

153 768

Sposób według wynalazku, pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych metodą liniowego, synfazowego dodawania, w którym czwórnik badany pobudza się sygnałem sinusoidalnym, polega na tym, że wyznacza się przy pomocy mikroprocesora, według zadanego algorytmu, wartość skuteczną wartości średnich próbek pobranych z wyjścia układu eliminującego składową o częstotliwości sygnału pobudzającego, oddalonych od siebie o całkowitą wielokrotność okresu sygnału pobudzającego po wyeliminowaniu składowej o częstotliwości sygnału pobudzającego

A= (γΣ [u(Arj)]²j = l gdzie L oznacza liczbę próbek pobieranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego, u(t) oznacza sygnał na wyjściu filtru eliminującego składową o częstotliwości sygnału pobudzającego, u oznacza wartość średnią próbek sygnału u(t) oddalonych od siebie o całkowitą wielokrotność okresu sygnału pobudzającego, a Ar oznacza krok próbkowania. Następnie przez jeden okres Ti sygnału pobudzającego wyznacza się, przy pomocy mikroprocesora, wartość skuteczną próbek pobranych z wyjścia czwórnika badanego, bez wyeliminowania tej składowej a-1 u_wy ²(Arj) j = l gdzie, L oznacza liczbę próbek pobieranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego, uwy(t) oznacza sygnał na wyjściu czwórnika badanego, a Ar oznacza krok próbkowania. Również za pomocą mikroprocesora tworzy się pierwiastek ze stosunku obu tych wartości

który jest miarą wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych i jest odczytywany bezpośrednio z układu ekspozycji wyniku.

Układ według wynalazku, do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych, zawierający czwórnik badany pobudzany z generatora sygnału sinusoidalnego, układ eliminujący składową o pulsacji sygnału pobudzającego, układ ekspozycji wyniku oraz dwa przełączniki, charakteryzuje się tym, że do wyjścia czwórnika badanego przyłączone są połączone kaskadowo układ eliminujący składową o częstotliwości sygnału pobudzającego wzmacniacz pomiarowy, układ próbkująco-pamiętający, przetwornik analogowo-cyfrowy, mikroprocesor i układ ekspozycji wyniku. Równolegle do układu eliminującego składową o częstotliwości sygnału pobudzającego włączony jest przełącznik pierwszy. Między wyjście czwórnika badanego, a linię danych mikroprocesora włączone są szeregowo połączone przełącznik drugi i układ wyznaczania kroku próbkowania. Linia sterująca mikroprocesora połączona jest z wejściami sterującymi przetwornika analogowo-cyfrowego, układu próbkująco-pamiętającego, przełącznika pierwszego i drugiego.

Zaletą rozwiązania według ' wynalazku jest to, że zapewnia ono eliminację wpływu szumów własnych badanego czwórnika i toru pomiarowego, a zatem nadaje się do pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych o bardzo małej wartości. Inną zaletą wynalazku jest wykorzystanie techniki mikroprocesorowej prostej w realizacji i coraz tańszej.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych.

153 768

Układ według wynalazku, jest zbudowany w ten sposób, że czwórnik badany 2 jest pobudzany z generatora sygnału sinusoidalnego 1. Do wyjścia czwómika badanego 2 przyłączone są połączone kaskadowo układ eliminujący składową o częstotliwości sygnału pobudzającego 3, wzmacniacz pomiarowy 4, układ próbkująco-pamiętający 5, przetwornik analogowo-cyfrowy 6, mikroprocesor 7 i układ ekspozycji wyniku 8. Równolegle do układu eliminującego składową ó częstotliwości sygnału pobudzającego 3 włączony jest, przełącznik pierwszy PI. Między wyjście czwómika badanego 2, a linię danych mikroprocesora 7 włączone są szeregowo połączone przełącznik drugi P2 i układ wyznaczania kroku próbkowania 9. Linia sterująca mikroprocesora 7 połączona jest z wejściami sterującymi przetwornika analogowo-cyfrowego 6, układu próbkująco-pamiętającego 5, przełącznika pierwszego PI i drugiegoP2. . .. - Sposób według wynalazku, najogólniej polega na tym, że liniowe synfazowe dodawanie sygnału, po odfiltrowaniu w układzie 3 składowej o częstotliwości sygnału pobudzającego poprawia stosunek wartości średniokwadratowej napięcia sumy harmonicznych do wartości średniokwadratowej napięcia towarzyszących im szumów.

Badany czwórnik pobudza się sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości fi. Sygnał wyjściowy Uw/t) zawiera składową o częstotliwości sygnału pobudzającego czyli podstawową harmoniczną, wyższe harmoniczne i szum. Próbki sygnału pobiera się z wyjścia, czwómika badanego 2 przez jeden okres

Tⁱ = J_ fi sygnału pobudzającego i oblicza się ich wartość skuteczną D, równą

gdzie, L oznacza liczbę próbek pobieranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego, a Δτ oznacza krok próbkowania. Następnie z sygnału wyjściowego z czwómika 2 odfiltrowuje się składową o częstotliwości sygnału pobudzającego. Sygnał u(t) występujący na wyjściu układu eliminującego 3 jest sumą harmonicznych uh(0 sygnału pobudzającego i szerokopasmowych szumów un(t) u(t) = u_H(t) + u„(t) (2) gdzie, (3)

Μ M

Uh(0= Σ uk(t)= Σ Uk'cos(27rlrfi+0>k) k=2 k=2 gdzie, M oznacza liczbę harmonicznych sygnału pobudzającego w paśmie badanego czwómika, fi jest częstotliwością sygnału sinusoidalnego z generatora pobudzającego 1, a ę>k fazą k-tej harmonicznej na wyjściu czwómika 2. Sygnał wyjściowy z badanego czwómika 2 po odfiltrowaniu składowej o częstotliwości sygnału pobudzającego próbkuje się w układzie próbkująco- pamiętającym 5 i oblicza się wartość średnią u{t) próbek oddalonych od siebie o całkowitą wielokrotność okresu sygnału pobudzającego,

N u(Arj)= J_ u(^Arj + TU)

N 1=1 (4) gdzie, N oznacza liczbę okresów sygnału pobudzającego, przez które pobiera się próbki. Następnie oblicza się wartość skuteczną A kwadratów wartości średnich próbek oddalonych od siebie o wielokrotność okresu sygnału pobudzającego.

153 768

j = l (5) gdzie L oznacza liczbę próbek pobieranych w jednym okresie sygnału pobudzającego.

Po podstawieniu wzoru (2) i (3) do (5) otrzymuje się

A = χ/Η + B + C gdzie (6)

(7) a wielkość B oraz C są składowymi błędu pochodzącego od szumów un(t).

Jeżeli w okresie podstawowej harmonicznej Τι mieści się całkowita liczba L kroków próbkowania

L= _L_ <N Δγ (8) to pierwszy składnik sumy (6) wyraża w przyvliOeniu wartość średniokwadratową harmonicznych po odfiltrowaniu składowej o częstotliwości sygnału pobudzającego

H = uH²(t) (9) gdzie, UH²(t) oznacza wartość średniokwadratową harmonicznych.

Przybliżenie to polega na tym, że wartości średniokwadratowe harmonicznych o numerach:

- nL gdzie nfN, gdy L jest nieparzyste n^Kdzie n£N, gdy L jest parzyste obliczone są ze wzoru (7) z błędem (nie większym niż 100%).

Należy zatem wybrać L tak, aby wpływ harmonicznej o numerze

- L, gdy L jest nieparzyste gdy L jest parzyste na wartość średniokwadratową sumy harmonicznych Uh²0) był nieznaczny. Cyfrowy tor pomiarowy z mikroprocesorem najłatwiej zbudować przyjmując L = 100.

W rozwiązaniu według wynalazku współczynnik zniekształceń nieliniowych h wyznacza się ze wzoru (10)

Błąd pomiaru Ah współczynnika zniekształceń nieliniowych sposobem według wynalazku jest równy

Ah = χ/η + B + c—

(11)

Jeżeli B potraktuje się jak zmienną losową i obliczy się jej parametry, to minimalizacja wariancji B, a zatem i błędu Ah wymaga spełnienia warunku L>2M. Warunek ten można łatwo zrealizować dopasowując pasmo wzmacniacza pomiarowego 4 do częstotliwości sygnału pobudzającego z generatora 1.

153 768

Całkowitą liczbę próbek NL, dla której na określonym poziomie ufności wartości B oraz C są na tyle małe, żeby nie został przekroczony założony błąd pomiaru Ali wyznacza się z zależności

NL = R ^u ^2(t)

UH²(t) (12) gdzie, R oznacza współczynnik uzależniony od poziomu ufności, założonego, błędu pomiaru, liczby próbek pobranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego i korelacji próbek, u_n ²(t) oznacza wartość średniokwadratową szumów, uH(t) oznacza wartość średniokwadratową harmonicznych sygnału pobudzającego.

W sposobie według wynalazku, całkowita liczba próbek NL zależy wprost proporcjonalnie od stosunku wartości średniokwadratowej szumów do wartości średniokwadratowej harmonicznych. Zatem sposób według wynalazku jest efektywniejszy, tj. zapewnia krótszy czas pomiaru od sposobu korelacyjnego dla wartości średniokwadratowej szumów większej od wartości średniokwadratowej harmonicznych u„²(t) > UH²(t) (13) a mniej efektowny od sposobu korelacyjnego dla wartości średniokwadratowej szumów mniejszej od wartości średniokwadratowej harmonicznych m?(t) (14)

Zgodnie z powyższym sposób według wynalazku realizuje się w omawianym układzie tak, że sygnał z wyjścia badanego czwórnika 2 poddaje się próbkowaniu w układzie próbkującopamiętającym 5 i oblicza się wartość skuteczną D próbek pobranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego. Następnie z sygnału wyjściowego z czwórnika 2 eliminuje się w układzie 3 składową o częstotliwości sygnału pobudzającego. Sygnał bez tej składowej poddaje się próbkowaniu w układzie 5 i oblicza się wartość skuteczną A wartości średnich próbek oddalonych od siebie o całkowitą wielokrotność okresu sygnału pobudzającego. Współczynnik zniekształceń nieliniowych h wyznacza się dzieląc pierwiastek z drugiej z obliczonych powyżej wartości przez pierwiastek z pierwszej. W najprostszym rozwiązaniu układu pomiarowego dane wejściowe to jest liczba próbek L pobieranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego i liczba okresów N, przez które należy pobierać próbki znajdują się w pamięci mikroprocesora 7.

Przed przystąpieniem do pomiaru sygnał sterujący z mikroprocesora 7 ustawia przełącznik drugi P2 w pozycji 1, gdzie następuje wybranie kroku próbkowania. W pierwszym etapie pomiaru sygnał sterujący ustawia przełącznik P2 w pozycji 2 i przełącznik Pl w pozycji 1. W drugim etapie pomiaru sygnał sterujący ustawia przełącznik P2 w pozycji 2 i przełącznik Pl w pozycji 2. W obu etapach pomiaru sygnał sterujący wyznacza momenty pobierania próbek sygnału. Mikroprocesor 7 dokonuje na wartościach próbek operacji arytmetycznych zgodnie z algorytmem sposobu według wynalazku. Wynik pomiaru odczytuje się z pola odczytowego układu ekspozycji wyniku 8.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń niellniowych meeodą synfazowego, liniowego dodawania, w którym czwórnik badany pobudza się sygnałem sinusoidalnym, znamienny tym, że wyznacza , się przy pomocy mikroprocesora (7), według zadanego algorytmu, wartość skuteczną wartości średnich próbek pobranych z wyjścia układu eliminującego składową o częstotliwości sygnału pobudzającego (3), oddalonych od siebie o całkowitą wielokrotność okresu sygnału pobudzającego po wyeliminowaniu składowej o częstotliwości sygnału pobudzającego

153 768 gdzie, L oznacza liczbę próbek pobieranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego, u(t) oznacza sygnał na wyjściu filtru eliminującego składową o częstotliwości sygnału pobudzającego, u(t) oznacza wartość średnią próbek sygnału u(t) oddalonych od siebie o całkowitą wielokrotność okresu sygnału pobudzającego, a Δτ oznacza krok próbkowania, następnie przez jeden okres Ti sygnału pobudzającego wyznacza się, przy pomocy mikroprocesora (7), wartość skuteczną próbek pobieranych z wyjścia czwórnika badanego (2), bez wyeliminowania tej składowej gdzie, L oznacza liczbę próbek pobieranych w ciągu jednego okresu sygnału pobudzającego, uwy(t) oznacza sygnał na wyjściu czwórnika badanego (2), a Δτ oznacza krok próbkowania, z kolei za pomocą mikroprocesora (7), tworzy się pierwiastek ze stosunku obu tych wartości ! D który jest miarą wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych i jest odczytywany bezpośrednio z układu ekspozycji wyniku (8).

2. Układ do pomiaru bardzo małych wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych zawierający czwórnik badany pobudzany z generatora sygnału sinusoidalnego układ eliminujący składową o pulsacji sygnału pobudzającego, układ ekspozacji wyniku oraz dwa przełączniki, znamienny tym, że do wyjścia czwórnika badanego (2) przyłączone są, połączone kaskadowo, układ eliminujący składową o częstotliwości sygnału pobudzającego (3), wzmacniacz pomiarowy (4), układ próbkująco-pamiętający (5), przetwornik analogowo-cyfrowy (6), mikroprocesor (7) i układ ekspozycji wyniku (8), równolegle do układu eliminującego składową o częstotliwości sygnału pobudzającego (3) włączony jest przełącznik pierwszy (PI), ponadto między wyjście czwórnika badanego (2), a linię danych mikroprocesora (7) włączone są szeregowo połączone przełącznik drugi (P2) i układ wyznaczania kroku próbkowania (9), z kolei linia sterująca mikroprocesora (7) połączona jest z wejściami sterującymi przetwornika analogowo-cyfrowego (6), układu próbkująco-pamiętającego (5), przełącznika pierwszego (PI) i drugiego (P2).