Устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала с повышенной помехоустойчивостью

Область техники
Полезная модель относится к области контрольно-измерительной технике и предназначена для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности сигналов звуковой частоты.
Цель полезной модели - повышение помехоустойчивости устройства.
Это достигается путем сужения частотного диапазона относительного усиления помех в блоке дифференцирования, что обеспечивается введением в блок дифференцирования, содержащего три звена запаздывания, дополнительного звена, для чего на входе блока дифференцирования вводится форсирующе-инерционное звено, состоящее из параллельно соединенных пятого резистора и четвертого конденсатора, перестраиваемого одновременно с другими конденсаторами блока.
Описание аналогов
Известно устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала [1].
Устройство содержит последовательно соединенные генератор гармонических колебаний, объект измерения, блок выравнивания уровней сигнала, состоящий из последовательно соединенных аттенюатора и регулируемого измерительного усилителя, причем вход аттенюатора является входом блока выравнивания уровней сигналов, а выход регулируемого измерительного усилителя - его выходом, блок дифференцирования, содержащий два звена запаздывания, включающих в себя одновременно перестраиваемые конденсаторы, контрольно-измерительный блок, состоящий из осциллографа и измерительного блока, которые подключены к входу контрольно-измерительного блока, а так же идентичные первый и второй блоки индикации, состоящие из схемы сравнения, первый вход которой является входом блока индикации, генератора эталонного сигнала, соединенного со вторым входом схемы сравнения, индикатора, подключенного к выходу схемы сравнения, причем вход первого блока индикации соединен с выходом блока выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока индикации соединен с выходом блока дифференцирования, входную и выходную клеммы для подключения объекта измерений.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относится низкая точность измерений, обусловленная методическими погрешностями.
Описание прототипа
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков является устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала с повышенной помехоустойчивостью [2].
Устройство содержит входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения, генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к входной клемме, к выходной клемме подключен блок выравнивания уровней сигнала, состоящий из последовательно соединенных аттенюатора и регулируемого измерительного усилителя, причем вход аттенюатора является входом блока выравнивания уровней сигналов, а выход регулируемого измерительного усилителя - его выходом, блок дифференцирования, содержащий три звена запаздывания, включающих в себя первый резистор, образующий вход блока дифференцирования и подключенный ко входу первого инвертирующего усилителя, параллельно соединенные между собой второй резистор и первый конденсатор, подключенные между входом и выходом первого инвертирующего усилителя и образующие цепь обратной связи, последовательно соединенные второй конденсатор и третий резистор, подключенные между выходом первого инвертирующего усилителя и входом второго инвертирующего усилителя, а также параллельно соединенные между собой четвертый резистор и третий конденсатор, подключенные между входом и выходом второго инвертирующего усилителя и образующие цепь обратной связи, при этом конденсаторы блока дифференцирования перестраиваются одновременно, к выходу второго инвертирующего усилителя, образующего выход блока дифференцирования, подключен контрольно-измерительный блок, состоящий из осциллографа и измерительного блока, которые своими входами подключены к входу контрольно-измерительного блока, кроме того в состав устройства входят идентичные первый и второй блоки индикации, состоящие из схемы сравнения, первый вход которой является входом блока индикации, генератора эталонного сигнала, соединенного со вторым входом схемы сравнения, индикатора, соединенного с выходом схемы сравнения, причем вход первого блока индикации подключен к выходу блока выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока индикации подключен к выходу блока дифференцирования. Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что устройство обладает относительно низкой помехоустойчивостью, обусловленной широким частотным диапазоном относительного усиления помех в продифференцированном сигнале, что снижает точность измерений нелинейных искажений электрического сигнала.
Сущность полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении помехоустойчивости устройства.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении полезной модели технического результата, который достигается путем сужения частотного диапазона относительного усиления помех в блоке дифференцирования, что обеспечивается введением в блок дифференцирования, содержащего три звена запаздывания, дополнительного звена.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что на входе блока дифференцирования вводится форсирующе-инерционное звено, состоящее из параллельно соединенных пятого резистора и четвертого конденсатора, перестраиваемого одновременно с другими конденсаторами блока.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна».
Перечень фигур чертежей
На фигуре представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемую полезную модель, где 1 - генератор гармонических колебаний; 2 - входная клемма; 3 - объект измерения; 4 - выходная клемма; 5 - блок выравнивания уровней сигналов; 6 - аттенюатор; 7 - регулируемый измерительный усилитель; 8 - блок дифференцирования; 9 - первый резистор R1; 10 - второй резистор R2; 11 - переменный первый конденсатор С1; 12 - первый инвертирующий усилитель; 13 - переменный второй конденсатор С2; 14 - третий резистор R3; 15 - четвертый резистор R4; 16 - переменный третий конденсатор С3; 17 - второй инвертирующий усилитель; 18 - контрольно-измерительный блок; 19 - осциллограф; 20 - измерительный блок; 21 - первый блок индикации, 22 - первая схема сравнения; 23 - первый генератор эталонного сигнала; 24 - первый индикатор; 25 - второй блок индикации; 26 - вторая схема сравнения; 27 - второй генератор эталонного сигнала; 28 - второй индикатор; 29 - пятый резистор R5; 30 - переменный четвертый конденсатор С4. Конденсаторы блока дифференцирования перестраиваются одновременно.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением указанного технического результата, заключаются в следующем.
В состав устройства входят последовательно соединенные генератор 1 гармонических колебаний, входная клемма 2 и выходная клемма 4 для подключения объекта 3 измерения, к выходной 4 клемме подключен блок 5 выравнивания уровней сигнала, состоящий из последовательно соединенных аттенюатора 6 и регулируемого измерительного усилителя 7, причем вход аттенюатора 6 является входом блока 5 выравнивания уровней сигналов, а выход регулируемого измерительного усилителя 7 - его выходом, к которому подключен блок 8 дифференцирования, содержащий первый резистор 9, образующий вход блока 8 дифференцирования и подключенный ко входу первого инвертирующего усилителя 12, параллельно соединенные между собой второй резистор 10 и первый конденсатор 11, подключенные между входом и выходом первого инвертирующего усилителя 12 и образующие цепь обратной связи, последовательно соединенные второй конденсатор 13 и третий резистор 14, подключенные между выходом первого инвертирующего усилителя 12 и входом второго инвертирующего усилителя 17, а также параллельно соединенные между собой четвертый резистор 15 и третий конденсатор 16, подключенные между входом и выходом второго инвертирующего усилителя 17 и образующие цепь обратной связи, при этом конденсаторы блока дифференцирования перестраиваются одновременно, к выходу второго инвертирующего усилителя 17, образующего выход блока 8 дифференцирования, подключен контрольно-измерительный блок 18, состоящий из осциллографа 19 и измерительного блока 20, которые подключены к входу контрольно-измерительного блока 18, кроме того к выходу блока 5 выравнивания уровней сигналов подключен первый блок 21 индикации, состоящий из первой схемы 22 сравнения, один из входов которой является входом блока 21 индикации, первого генератора 23 эталонного сигнала, соединенного с другим входом первой схемы 22 сравнения, первого индикатора 24, соединенного с выходом первой схемы 22 сравнения, к выходу блока 8 дифференцирования подключен второй блок 25 индикации, состоящие из второй схемы 26 сравнения, один из входов которой является входом второго блока 25 индикации, второго генератора 27 эталонного сигнала, соединенного с другим входом второй схемы 25 сравнения, второго индикатора 28, соединенного с выходом второй схемы 25 сравнения.
Блок 8 дифференцирования устройства-прототипа представляет собой непосредственный активный дифференциатор с тремя звеньями запаздывания, имеющий один нуль и три полюса в передаточной функции
4
2
2
1
1
3
2
2
4
3
3
2
1
где T=RCR/R; Т=RC; Т=RC и T=RC при коэффициентах усиления напряжения первого и второго инвертирующих усилителей К1 и К2>>1.
1
2
3
Для уменьшения зоны относительного усиления помех устройства-прототипа постоянные времени запаздывание устанавливаются равными друг другу: Т=Т=Т. В таком случае АЧХ и ФЧХ блока 8 дифференцирования имеют вид
1
ϕ(ω)=(π/2)-3arctg ωT=(π/2)-Δϕ(ω),
2
2
1
1
1
где γ(ω)≈1.5ω T (при ωТ<0,2); Δϕ(ω)=3arctg ωT.
Присутствие в исследуемом сигнале помех и шумов активных приборов, входящих в схему блока 8 дифференцирования, отрицательным образом влияют на результаты измерений, обусловливая погрешность измерений, что заложено в самом способе дифференцирования, проводимого с помощью технического средства. Повысить помехоустойчивость дифференциатора, а значит и всего устройства, можно путем оптимизацией структуры и параметров схемы дифференциатора.
ф
В частности, эту задачу можно решить введением на входе блока 8 дифференцирования устройства-прототипа дополнительного форсирующе-инерционного звена, имеющего постоянную времени форсирования Т, и состоящего из параллельно соединенных пятого резистора R5 (29) и переменного четвертого конденсатора С4 (30), перестраиваемого одновременно с другими конденсаторами блока 8 дифференцирования. Приближенное дифференцирование будет осуществляться путем вычитания запаздывающего сигнала из сигнала, опережающего по фазе исследуемый сигнал. При этом временной сдвиг или разность фаз между вычитаемыми сигналами могут быть относительно большими (в пределах десятых долей периода исследуемого сигнала), чем и обусловливается снижение относительного влияния помех на точностные характеристики блока 8 дифференцирования, а значит повысить помехоустойчивость его работы.
ф
1
4
Передаточная функция предлагаемого устройства будет включать один ноль, постоянную форсирования Т и постоянные времени запаздывания Т-Т:
4
2
Ф
5
4
1
3
3
2
4
3
3
5
1
1
5
1
4
2
1
2
5
1
где T=R С; Т=R С; T=R С; T=R С; T=R RC/(R+R); T=R С; R=R+R (при К1 и К2>>1).
1
2
3
4
Для повышения помехоустойчивости следует устанавливать значения Т=Т, и Т=Т. С учетом чего АЧХ и ФЧХ блока 8 дифференцирования будут иметь вид
ф
1
3
ϕ(ω)=(π/2)+arctg ωТ-2arctg ωT-2arctg ωТ=(π/2)+Δϕ(ω),
2
2
2
2
2
2
ф
1
3
ф
1
3
ф
1
3
где γ(ω)≈(ω Т/2)-ωT-ω Т (при ωТ<0,4; ωТ, ωТ<0,2); Δϕ(ω)=arctg ωТ-2arctg ωT-2arctg ωТ.
ф
1
3
В погрешности γ(ω) и Δϕ(ω) входят составляющие с разными знаками («+» и «-»), поэтому, выбирая соответствующие значения постоянных времени Т, Т и Т, можно получить как положительные, так и отрицательные значения погрешностей γ(ω) и Δϕ(ω) или же обеспечить минимальные значения этих погрешностей в широком диапазоне частот.
Набольший выигрыш по точности и помехоустойчивости обеспечивается при выполнении неравенств:
ф
1
3
Т > (T+Т) - для минимизации амплитудной погрешности γ(ω),
ф
1
3
Т > 2(T+Т) - для минимизации фазовой погрешности Δϕ(ω).
ф
1
3
В этом случае дифференцирование сигнала на нижних частотах рабочего диапазона будет производиться с положительными значениями погрешностей γ(ω) или Δϕ(ω), а на верхних - с их отрицательными значениями. Конкретные значения постоянных времени Т, T и Т должны рассчитываться по форме АЧХ или ФЧХ таким образом, чтобы амплитудная или фазовая погрешности не превышали по модулю допустимых пределов во всем диапазоне рабочих частот устройства.
в
в
ф
3
1
3
В таблицу сведены результаты расчетов зависимостей ширины диапазона частот относительного усиления помех  от величины погрешности γ(ω) дифференцирования на верхней частоте рабочего диапазона дифференцирования ω для устройства-прототипа и заявляемого устройства. Зависимости получены при наиболее оптимальных соотношениях между значениями постоянными времени: Т=2Т и T<Т.
в
в
Данные таблицы показывают, что введение дополнительного форсирующе-инерционного звена в схему блока 8 дифференцирования позволяет резко сократить ширину диапазона частот относительного усиления помех, чем повысить помехоустойчивость устройства. В частности при γ(ω)=0.05% диапазон частот  сужается в 19 раз. При увеличении погрешности выигрыш в помехоустойчивости снижается, однако даже при γ(ω)=1% обеспечивается ослабление помех в 7.5 раз.
Из вышеизложенного следует, что введение в блок 8 дифференцирования дополнительного форсирующе-инерционного звена с конденсатором, одновременно перестраиваемым вместе с другими конденсаторами блока, обеспечивает повышение помехоустойчивости блока дифференцирования, а значит и всего устройства, что обеспечивается за счет сужения частотного диапазона относительного усиления помех в исследуемом сигнале.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующих условий:
- устройство, воплощающие заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для использования в контрольно-измерительной технике для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности.
- для заявленной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- устройство, воплощающее заявленную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству. Литература
1. SU 1318926 A1, G01R 23/20, опубл. 23.06.1987, бюл. №23.
2. Патент на изобретение 2477492 (RU 2 477 492 С2). Российская Федерация, МПК G01R 23/20 (2006.01). Устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала с повышенной помехоустойчивостью [Текст] / Тихонова Л.С.; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения. - Заявка №2010126710/28, 29.06.2010. Опубл.: 10.03.2013 Бюл. №7 (прототип).