УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ
MEASUREMENT DEVICE OF NON-LINEAR DISTORTIONS OF ELECTRIC SIGNAL WITH INCREASED INTERFERENCE RESISTANCE

Область техники
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности.
Цель изобретения - повышение точности измерений путем снижения методической погрешности, обусловленной присутствием помех в исследуемом сигнале.
Это достигается повышением помехоустойчивости устройства за счет сужения частотного диапазона относительного усиления помех в блоке дифференцирования, что обеспечивается введением дополнительного звена запаздывания в блок дифференцирования.
Описание аналогов
Известно устройство для осуществления способа измерения нелинейных искажений электрического сигнала, основанного на применении операции дифференцирования в отношении выходного сигнала объекта измерений перед дальнейшим разложением спектра сигнала на основную и высшие гармоники и сравнении их интенсивностей, в результате чего определяются взвешенные коэффициенты гармоник [1]. Устройство содержит последовательно соединенные генератор гармонических колебаний, объект измерений, блок дифференцирования, к выходу которого подключен контрольно-измерительный блок, состоящий из параллельно соединенных осциллографа и измерительного блока.
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 [2], являющееся усовершенствованным устройством по отношению к устройству, описанному в [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 параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока, а также 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 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.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства для измерения нелинейных искажений электрического сигнала, принятого за прототип, относится то, что устройство обладает невысокой помехоустойчивостью, обусловленной широким частотным диапазоном относительного усиления помех в продифференцированном сигнале, что снижает точность измерений нелинейных искажений электрического сигнала.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности измерений путем снижения методической погрешности, обусловленной присутствием помех в исследуемом сигнале.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в повышении помехоустойчивости устройства за счет сужения частотного диапазона относительного усиления помех в блоке дифференцирования.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в блок дифференцирования вводится дополнительное звено запаздывания, конденсатор которого перестраивается одновременно с другими конденсаторами блока.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, 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 устройстве, изложенном в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявителем проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
Перечень чертежей
На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, где 1 - генератор гармонических колебаний; 2 -объект измерения, 3 - блок выравнивания уровней сигналов; 4 - аттенюатор; 5 - регулируемый измерительный усилитель; 6 - блок дифференцирования; 7 - первый блок индикации, 8 - первая схема сравнения; 9 - первый генератор эталонного сигнала; 10 - первый индикатор; 11 - второй блок индикации; 12 - вторая схема сравнения; 13 - второй генератор эталонного сигнала; 14 - второй индикатор; 15 - контрольно-измерительный блок; 16 - осциллограф; 17 - измерительный блок; 18 - входная клемма; 19 - выходная клемма; 20 - резистор R1; 21 - переменный конденсатор С1; 22 - резистор R2; 23 - переменный конденсатор С2; 24 - резистор R3; 25 - резистор R4; 26 - переменный конденсатор С3. Конденсаторы перестраиваются одновременно.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного технического результата, заключаются в следующем.
В состав устройства входят последовательно соединенные генератор 1 гармонических колебаний, объект 2 измерения, блок 3 выравнивания уровней сигнала, состоящий из последовательно соединенных аттенюатора 4 и регулируемого измерительного усилителя 5, причем вход аттенюатора 4 является входом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а выход регулируемого измерительного усилителя - его выходом, блок 6 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 15, состоящий из осциллографа 16 и измерительного блока 17, которые параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока 15, а также идентичные первый 7 и второй 11 блоки индикации, состоящие из схемы 8 сравнения, первый вход которой является входом блока 7 индикации, генератора 9 эталонного сигнала, соединенного со вторым входом схемы 8 сравнения, индикатора 10, соединенного с выходом схемы 8 сравнения, причем вход первого блока 7 индикации соединен с выходом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока 11 индикации соединен с выходом блока 6 дифференцирования, входная 18 и выходная 19 клеммы. Блок 6 дифференцирования представляет собой непосредственный активный дифференциатор с тремя звеньями запаздывания: первое звено выполнено на основе инвертирующего усилителя К2 и элементов R3 (24), R4 (25) и С3 (26), два других выполнены на основе инвертирующего усилителя К1 и элементов R1 (20), С1 (21), R2 (22) и С2 (23), при этом конденсаторы блока являются переменными и перестраиваются одновременно. Коэффициенты усиления усилителей К1 и К2>>1. Блок 6 дифференцирования своим входом соединен непосредственно с выходом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а также с выходом первого блока 7 индикации. Вход блока 6 дифференцирования образован элементом 24, подключенным своим входом к выходу первой схемы 8 сравнения и выходу регулируемого измерительного усилителя 5.
В исследуемом сигнале присутствуют наложенные на него помехи и шумы активных приборов, входящих в схему дифференциатора, которые отрицательным образом влияют на результаты измерений, обусловливая погрешность измерений. Выполнение точного дифференцирования электрического сигнала при наличии высокочастотных помех представляет собой значительную сложность, т.к. существует противоречие между точностью и помехоустойчивостью дифференциатора, что заложено в самом способе дифференцирования, проводимого с помощью технического средства.
Добиться существенного улучшения качественных характеристик дифференциатора, влияющих на точность проведения операции дифференцирования и помехоустойчивость, можно только при оптимизации структуры и параметров схемы дифференциатора как по критерию точности, так и по критерию помехоустойчивости.
в
п
в
А
в
в
Задачу повышения помехозащищенности результатов измерений можно решить введением на входе блока дифференцирования устройства-прототипа дополнительного активного инерционного звена, что обусловит уменьшение частотного диапазона относительного усиления помех в продифференцированном сигнале, т.е. уменьшение зоны, лежащей выше верхней частоты ωрабочего диапазона - ω>ω. При этом относительная амплитудная погрешность δ(ω) дифференцирования гармонического сигнала на частоте ω не должна превышать допустимых значений.
в
.
Для сравнительной оценки двух устройств найдем для каждого из них ширину диапазона частот , в котором происходит усиление высокочастотных составляющих помех относительно сигнала частотой ω
В прототипе используется непосредственный активный дифференциатор с двумя звеньями запаздывания. Его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяется выражением, отражающим наличие одного нуля и двух полюсов в передаточной функции устройства
2
1
1
1
1
2
2
2
где T=RC, T=RC и Т=RC при K1>>1.
1
2
Относительная амплитудная погрешность дифференцирования гармонического сигнала прототипом при ωT, ωT<<0,2 определяется выражением
.
1
2
При установке равных значений постоянных времени запаздывания звеньев T=Т прототип имеет
, .
в
пмакс
При этом диапазон частот ω÷ω, на котором помехи усиливаются относительно исследуемого сигнала, у прототипа составляет
.
В заявляемом устройстве предлагается использовать непосредственный активный дифференциатор с тремя звеньями запаздывания, имеющий один нуль и три полюса в передаточной функции. Тогда его АЧХ будет иметь вид
2
1
4
3
1
1
1
2
2
2
3
4
3
где T=RCR/R, T=RC и Т=RC и T=RC при К2>>1.
1
2
3
При установке равных значений постоянных времени запаздывания всех звеньев T=Т=Т АЧХ заявляемого устройства будет иметь вид
1
2
3
Относительная амплитудная погрешность дифференцирования гармонического сигнала заявляемым устройством при ωT, ωT, ωT <0,2 определится выражением
Ширина диапазона частот относительного усиления помех у заявляемого устройства составит
A
в
п макс
Таким образом, введение дополнительного звена на входе дифференциатора привело к некоторому увеличению относительной амплитудной погрешности δ(ω) дифференцирования гармонического сигнала, однако при этом крутизна спада АЧХ заявляемого устройства выше совпадающих полюсов стала больше, что сократило диапазон частот ω÷ω, на котором помехи усиливаются относительно сигнала.
A
в
в
В таблицу 1 сведены результаты расчетов зависимостей величины диапазона частот  относительного усиления помех от величины погрешности δ(ω) дифференцирования на частоте ω для устройства-прототипа и заявляемого устройства.
Таблица 1
<img file="00000012.tif" he="12" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
δ<sub>A</sub>(ω<sub>в</sub>)
0,0005
0,001
0,005
0,01
0,05
Прототип
1999
999
199
99
19
Заявляемое устройство
401
239
72,4
43,7
14,9
A
в
A
в
A
в
Данные показывают, что при введении третьего звена запаздывания преимущество в сужении частотного диапазона  относительного усиления помех особенно существенно при малых значениях погрешности δ(ω). Например, при δ(ω)=0,005 (0,5%) получается почти трехкратное, а при δ(ω)=0,0005 (0,05%) - пятикратное повышение помехоустойчивости заявляемого устройства по сравнению с прототипом. Также следует отметить, что дифференциатор с более крутым спадом АЧХ в области высоких частот является более помехоустойчивым и при расширении диапазона  рабочих частот.
Из вышеизложенного следует, что введение в блоке дифференцирования дополнительного активного звена запаздывания 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.
Выводы, сделанные выше, относятся к дифференцированию гармонического сигнала. Заявляемое устройство предназначено для измерения взвешенных коэффициентов гармоник , что предполагает дифференцирование периодических сигналов сложной формы.
1
c
с
Рассмотрим влияние повышения помехоустойчивости устройства на точность измерений , которую отразим следующими погрешностями: относительной амплитудной погрешностью дифференцирования i-й гармоники -  и относительной погрешностью измерения взвешенных коэффициентов гармоник в присутствии помех , где  - отношение частоты ω совпадающих полюсов к частоте iω различных гармоник исследуемого сигнала; ω - частота исследуемого сигнала.
1
При этом дадим амплитудной погрешности оценку сверху - найдем суммарную относительную амплитудную погрешность , т.е. предположим, что с погрешностью, с которой дифференцируется наивысшая значимая гармоника, интенсивность которой измеряется и для которой погрешность максимальна, дифференцируются все гармоники, где  - отношение частоты ω совпадающих полюсов к частоте наивысшей n-й гармоники; n - количество гармоник, присутствующих в сигнале на входе дифференциатора.
дБ
Погрешности измерений  также дадим оценку сверху, учитывая наихудшее значение отношения шум/сигнал L на входе дифференциатора, встречающееся в практической звукотехнической аппаратуре, приняв его L=-45 дБ, что учтем в числовых примерах.
Подадим на вход дифференциатора периодический сигнал сложной формы
п
i
i
где S - постоянная составляющая, которая при измерениях не подвергается оценке; i - номер гармоники; S- среднеквадратическое значение i-й гармоники; φ - начальная фаза i-й гармоники.
Выражение для определения относительной амплитудной погрешности дифференцирования сложного сигнала в функции от ρ(i) запишем как
вых
вых0
где S - среднеквадратическое значение сигнала на выходе реального дифференциатора; S - среднеквадратическое значение сигнала на выходе идеального дифференциатора
Среднеквадратическое значение периодического сигнала на выходе дифференциатора прототипа определяется выражением
Тогда суммарная относительная амплитудная погрешность
дифференцирования прототипом составит
вх, ξ
Предположим, что на вход дифференциатора помимо исследуемого сигнала подается белый шум s(t), некоррелированный с этим сигналом.
Спектральную плотность шума запишем следующим образом
ξ
c
1
c
m
где S - среднеквадратическое значение шумового сигнала, измеренное в полосе частот 0÷ρω, где ρ=ω/ω, m=1, 2, … - целое число.
Отношение шум/сигнал на выходе дифференциатора прототипа определяется выражением
Среднеквадратическое значение периодического сигнала на выходе дифференциатора заявляемого устройства составит
Относительная амплитудная погрешность  дифференцирования заявляемым устройством составит
Отношение шум/сигнал на выходе дифференциатора заявляемого устройства составит
Определим относительную погрешность  измерения взвешенных коэффициентов гармоник в присутствии помех как
Покажем на числовых примерах влияние повышения помехоустойчивости устройства на методические погрешности измерений  и .
n
-3
Зададимся значениями величин: ρ=16; n=4; ρ=16/4=4; L=5,56×10 (-45 дБ); m=2;  (5%). Результаты расчетов сведем в табл.2.
Таблица 2
<img file="00000040.tif" he="7" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000041.tif" he="9" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000042.tif" he="7" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
Прототип
0,084
27,4×10<sup>-3</sup>
0,14
Заявляемое устройство
0,122
9,65×10<sup>-3</sup>
0,018
Полученные результаты демонстрируют следующее. Увеличение суммарной относительной амплитудной погрешности  измерений у заявляемого устройства незначительно, причем погрешность  является оценкой сверху, в предположении, что с наибольшей погрешностью, с которой дифференцируется наивысшая n-я гармоника, дифференцируются все гармоники. При этом отношение шум/сигнал заявляемого устройства  улучшилось в 2,84 раза (на 9,1 дБ). Это, в свою очередь, повлияло в сторону существенного уменьшения (почти на порядок) погрешности  измерений взвешенных коэффициентов гармоник, что демонстрирует значительное снижение методической погрешности измерений, обусловленной присутствием помех в исследуемом сигнале.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в контрольно-измерительной технике для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре, в частности в предварительных усилителях и усилителях мощности;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. SU 1120253 A, G01R 23/20, опубл. 23.10.1984, бюл. №39.
2. SU 1318926 A1, G01R 23/20, опубл. 23.06.1987, бюл. №23 - прототип.