АНАЛИЗАТОР ГАРМОНИК

Предлагаемая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения спектрального состава периодического сигнала.
Известен анализатор гармоник [Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р., Основы спектрального анализа: Пер. с англ. С.М. Смольского / Под редакцией Ю.А.Гребенко - М.: Горячая линия - Телеком, 2006, стр.22]. В его состав входят перестраиваемый полосовой фильтр, усилитель, детектор, дисплей, а также генератор пилообразного сигнала. Вход полосового фильтра является входом преобразователя, фильтр соединен с усилителем, который имеет связь с детектором, связанным с дисплеем, а генератор пилообразного сигнала соединен с перестраиваемым фильтром и дисплеем.
Однако указанный анализатор гармоник обладает низкой точностью измерения гармоник входного сигнала, так как результат измерения отображается на аналоговом дисплеи.
Кроме того, известен анализатор гармоник [Мейзда Ф., Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, с.243], являющийся прототипом предлагаемой полезной модели. Он содержит фильтр низких частот (ФНЧ), аналого-цифровой преобразователь, а также микропроцессор (МП). Вход фильтра низких частот является входом преобразователя, а его выход соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователем, цифровой выход которого связан с микропроцессором, выход управления последнего соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя. Кроме того микропроцессор имеет цифровой выход данных.
Однако данный анализатор гармоник имеет большой объем памяти, а также требует высокую вычислительную мощность, так как он реализует принцип цифрового преобразования Фурье, где требуется осуществлять умножение кодов с выхода АЦП на соответствующие коды синусоиды и косинусоиды, а так же содержать в памяти коды синусоидального (косинусоидального) сигналов и промежуточные результаты произведения кодов и их сумм.
Задачей предлагаемой полезной модели является сокращение требуемой вычислительной мощности и объемов памяти.
Поставленная задача достигается тем, что в известный анализатор гармоник, содержащий фильтр низких частот, вход которого является входом анализатора, а выход связан с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, вход управления которого соединен с управляющим выходом микропроцессора, имеющий цифровой выход данных, введен набор из n цифровых ключей, информационные входы которых соединены с цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя, их информационные выходы связаны с соответствующими входами микропроцессора, его n выходов управления ключами соединены с соответствующими управляющими входами ключей
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого анализатора гармоник.
Он содержит:
1 - фильтр низких частот (ФНЧ);
2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3 - микропроцессор (МП);
4 - цифровой выход данных;
1
n
5 - K, …, К, где n число ключей (К).
1
n
1
n
В предлагаемом устройстве фильтр низких частот 1 вход, которого является входом анализатора гармоник, а выход связан с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя 2. Выход аналого-цифрового преобразователя 2 соединен с информационными входами ключей 5 (K, …, K) выходы которых имеют связь с соответствующими входами микропроцессора 3. Выходы микропроцессора 3 соединены с соответствующими входами управления ключей 5 (K, …, K) и с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя 2. Кроме того микропроцессор имеет цифровой выход данных 4.
В качестве фильтра низких частот может быть использована цепочка, состоящая из сопротивления и конденсатора. Аналого-цифровой преобразователь может быть, например, типа ADS2806. Ключи могут быть реализованы на основе микросхемы BU4S81G2. В качестве микропроцессора может быть использована микросхема типа Atmega48-24AI.
1
1
2
3
4
Устройство работает следующим образом. Вначале полоса частот исследуемого входного сигнал ограничивается аналоговым ФНЧ 1, для предотвращения наложения спектров. Затем сигнал преобразуется к цифровому виду с помощью АЦП 2, частота выборки которого синхронизирована МП 3. Далее код с выхода АЦП 2 подается на все информационные входы ключей 5. На входы управления ключей 5 подается сигнал с соответствующих выходов МП 3. Так, например, на управляющий вход ключа K подается периодически с соответствующего выхода МП 3 логический сигнал, который открывает (закрывает) ключ 5 (K), причем длительность действия сигнала пропорциональна мгновенному значению синусоидальной составляющей первой гармоники, а на управляющий вход ключа 5 (К) подается с соответствующего выхода 3 логический сигнал, длительность которого пропорциональна косинусоидальной составляющей той же гармоники. То есть используется широтно-импульсная модуляция синусоидального (косинусоидального) сигнала, параметры которой заранее введены в память МП 3. На управляющие входы ключей 5 К и K поступают последовательности пропорциональные синусной и косинусной составляющим второй гармоники, соответственно, и так далее для каждой гармоники, которых всего n/2, n - четное число. Затем МП 3 производит вычисление значения каждой отдельной составляющей гармоник, путем обработки кодов, поступающих на его входы с выходов соответствующих ключей. Вся получаемая при этом измерительная информация хранится в памяти МП 3. Далее для определения модуля гармоники производится вычисление квадратного корня из суммы квадратов ее синусных и косинусных составляющих. Полученные результаты могут быть переданы через цифровой выход данных 4 для дальнейшего использования.
Таким образом, предложенный анализатор гармоник обладает теми же функциональными возможностями, что и прототип, но за счет упрощения алгоритма вычисления гармоник, позволяет реализовать их с меньшей вычислительной мощностью и объемов памяти. Так в рассматриваемом прототипе в ходе определения гармонических составляющих вычисляется произведение кода функции на значение кода синусной/косинусной составляющей для каждой гармоники. Это требует применения большой вычислительной мощности и большого объема памяти в связи с необходимостью хранения как кода программы самого алгоритма умножения, так и промежуточных результатов, которые получаются в ходе таких вычислений. В предлагаемом устройстве фактически исключаются операции умножения кода на код с запоминанием результата умножения, вместо этого производится умножение выходных кодов АЦП на широтно-импульсный сигнал соответствующей гармоники, с последующим сложением кодов попавших в соответствующий широтно-импульсный сигнал. А так как операция суммирования, по сравнению с произведением, более просто реализуется аппаратно, то снижаются требования и к вычислительной мощности рассматриваемого анализатора. Таким образом, в предлагаемой полезной модели осуществляется сокращение вычислительной мощности и объемов памяти по сравнению с прототипом.