УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА С ВЫСОКОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ

Область техники
Полезная модель относится к области контрольно-измерительной технике и предназначена для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений электрического сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности.
Цель полезной модели - повышение точности измерения.
Это достигается снижением методической погрешности измерения, обусловленной присутствием помех в продифференцированном сигнале, для чего на входе блока дифференцирования вводится дополнительное форсирующее звено, содержащее параллельно соединенные пятый резистор и четвертый переменный конденсатор, перестраиваемый 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 параллельно 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, 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 измерения.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за аналог, относится низкая помехоустойчивость результатов измерения.
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 подключены последовательно соединенные блок выравнивания уровней сигнала, блок дифференцирования и контрольно-измерительный блок, а также два идентичных блока индикации, первый из которых подключен к выходу блока выравнивания уровней сигналов, а второй - к выходу блока дифференцирования, при этом блок дифференцирования включает в себя три звена запаздывания, образованные первым резистором, подключенным к входу первого инвертирующего усилителя, и параллельно соединенными и подключенными между выходом и входом данного усилителя вторым резистором и первым переменным конденсатором, образующими цепь обратной связи, а также последовательно соединенными третьим резистором и вторым переменным конденсатором, подключенными между выходом первого инвертирующего усилителя и входом второго инвертирующего усилителя, между выходом и входом второго инвертирующего усилителя подключены параллельно соединенные четвертый резистор и третий переменный конденсатор, образующие цепь обратной связи, все конденсаторы блока дифференцирования перестраиваются одновременно.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится его не достаточно высокая помехоустойчивость результатов измерения, обусловленная широким частотным диапазоном относительного усиления помех в продифференцированном сигнале.
Сущность полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении точности измерения.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении полезной модели технического результата, который заключается в снижении методической погрешности измерения, обусловленной присутствием помех в продифференцированном сигнале.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что на входе блока дифференцирования вводится дополнительное форсирующее звено, содержащее параллельно соединенные пятый резистор и четвертый переменный конденсатор, перестраиваемый 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 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 устройстве, изложенном в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленной полезной модели требованию изобретательского уровня, заявителем проведен дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что заявленная полезная модель не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
Перечень фигур чертежей
На фигуре представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемую полезную модель, где 1 - генератор гармонических колебаний; 2 - объект измерения, 3 - блок выравнивания уровней сигналов; 4 - блок дифференцирования; 5 - первый инвертирующий усилитель; 6 - второй инвертирующий усилитель; 7 - первый резистор R1, 8 - второй резистор R2; 9 - первый переменный конденсатор С1; 10 - третий резистор R3; 11 - второй переменный конденсатор С2; 12 - четвертый резистор R4; 13 - третий переменный конденсатор СЗ; 14 - контрольно-измерительный блок; 15 - первый блок индикации; 16 - второй блок индикации; 17 - входная клемма; 18 - выходная клемма; 19 - дополнительное форсирующее звено; 20 - пятый резистор R5; 21 - четвертый переменный конденсатор С4. Все 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, объект 2 измерения, блок 3 выравнивания уровней сигнала, позволяющий с помощью изменения параметров элементов обеспечить одинаковый уровень сигнала на своем выходе, блок 4 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 14, состоящий из параллельно соединенных осциллографа и измерительного блока, в состав которого обязательно должен входить измеритель нелинейных искажений (ИНИ) или спектро-анализатор, который может заменить избирательный вольтметр. Первый 15 и второй 16 блоки индикации идентичны друг другу и обеспечивают наглядность правильности проведения операции дифференцирования, причем вход первого блока 15 индикации соединен с входом блока 4 дифференцирования, а вход второго блока 16 индикации соединен с выходом блока 4 дифференцирования. Между входной клеммой 17 и выходной клеммой 18 подключается объект 2 измерения.
Блок 4 дифференцирования представляет собой непосредственный активный дифференциатор с форсирующим и тремя инерционными звеньями. Пассивное форсирующее звено, выполнено из параллельно соединенных пятого резистора R5 (элемент 20) и четвертого переменного конденсатора С4 (элемент 21). Первое из трех инерционных звеньев выполнено на основе первого инвертирующего усилителя К1 (элемент 5), первого резистора R1 (элемент 7), второго резистора R2 (элемент 8) и первого переменного конденсатора С1 (элемент 9), образующих цепь обратной связи усилителя. Два других инерционных звена выполнены на основе второго инвертирующего усилителя К2 (элемент 6), третьего резистора R3 (элемент 10), второго переменного конденсатора С2 (элемент 11), четвертого резистора R4 (элемент 12) и третьего переменного резистора С3 (элемент 13), при этом все конденсаторы блока перестраиваются одновременно. Коэффициенты усиления инвертирующих усилителей К1 и К2 должны быть много больше единицы. Блок 4 дифференцирования своим входом соединен непосредственно с выходом блока 3 выравнивания уровней сигналов и входом первого блока 15 индикации. Вход блока 4 дифференцирования образован параллельным соединением элементов 20 и 21, выход - параллельным соединением элементов 12, 13 и выходом элемента 6.
В исследуемом сигнале присутствуют различного рода помехи, неизбежно возникающие в объекте 2 измерения. Их присутствие усугубляется выполнением операции дифференцирования, в основе которой заложен принцип усиления высокочастотных составляющих сигнала, в том числе и высокочастотных помех, по сравнению с низкочастотными составляющими. Уменьшить методическую погрешность измерения, обусловленную присутствием помех, можно резким ограничением спектра исследуемого сигнала сразу после значимых для измерения составляющих, т.е. уменьшением коэффициента и частотного диапазона относительного усиления помех в блоке 4 дифференцирования.
ф
1
2
Задачу повышения помехоустойчивости результатов измерения, можно решить введением на входе блока 4 дифференцирования устройства-прототипа дополнительного пассивного форсирующего звена 19, что обусловит уменьшение частотного диапазона относительного усиления помех в продифференцированном сигнале. Объясняется это тем, что в дифференциаторе, имеющим хотя бы одну постоянную времени форсирования Т и несколько постоянных времени запаздывания Т, Т и т.д., приближенное дифференцирование осуществляется путем вычитания запаздывающего сигнала из сигнала, опережающего по фазе исследуемый. 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 дифференцирования.
Сравним помехоустойчивость результатов измерения, проводимых с помощью блоков дифференцирования прототипа и предлагаемого устройства, обратившись к таким показателям, как
- максимальный коэффициент относительного усиления помех
,
П
где ω - частота помехи;
В
ω - верхняя частота рабочего диапазона дифференцирования;
В
Пмакс
- отношение , характеризующее ширину диапазона частот, в котором происходит усиление высокочастотных составляющих сигнала относительно сигнала частотой ω, где ω - максимальная частота помехи, попадающей в зону относительного усиления.
А
В
В
Сравнение проведем для различных значений относительной амплитудной погрешности δ(ω) дифференцирования исследуемого сигнала на частоте ω.
В прототипе используется непосредственный активный дифференциатор с тремя звеньями запаздывания, имеющий один нуль и три полюса в передаточной функции. Его АЧХ имеет вид
,
4
2
2
1
1
3
2
2
4
3
3
2
1
где Т=RCR/R, Τ=RC, Т=RC и Т=RC при коэффициентах усиления первого и второго инвертирующих усилителей К1 и К2 много больше единицы.
1
2
3
При установке равными значений постоянных времени запаздывания всех звеньев Τ=Т=Т обеспечивается уменьшение зоны усиления помех, а АЧХ устройства-прототипа имеет вид
.
1
Относительная амплитудная погрешность дифференцирования исследуемого сигнала при ωТ<0,2 определяется выражением
.
Ширина диапазона частот относительного усиления помех составляет
.
ф
1
4
В заявляемом устройстве предлагается подключить на вход непосредственного дифференциатора с тремя звеньями запаздывания дополнительное форсирующее звено. Тогда передаточная функция дифференциатора будет иметь одну постоянную форсирования Т, один нуль и четыре полюса, соответствующие постоянным времени запаздывания Т-Т.
1
2
3
4
Для повышения помехоустойчивости результатов измерения целесообразно установить значения постоянных времени попарно одинаковыми Τ=Т и Т=Т, с учетом чего АЧХ предлагаемого дифференциатора будет иметь вид
,
4
2
ф
5
4
1
3
3
2
4
3
3
5
1
1
5
1
4
5
1
1
где Τ=RC; Т=RC; Τ=RC; T=RC; T=RRC/(R+R); T=(R+R)C, при коэффициентах усиления первого и второго инвертирующих усилителей К1 и К2 много больше единицы.
ф
1
3
Относительная амплитудная погрешность дифференцирования исследуемого сигнал при ωТ<0,4и ωТ, ωТ<0,2 определится выражением
.
А
в
ф
1
3
А
В
ф
1
3
А
В
ф
1
3
В выражение погрешности δ(ω) входят составляющие со знаками «плюс» и «минус» и, выбирая значения постоянных времени Т, Т и Т, можно получить как отрицательные так и положительные значения погрешности δ(ω)или же обеспечить ее минимум в широком диапазоне частот. Наибольший выигрыш по точности и помехоустойчивости можно получить при Т>2(Т+Т), а минимум погрешности δ(ω) достигается при Т>(Т+Т). В последнем случае дифференцирование сигнала на нижних частотах рабочего диапазона осуществляется с положительными погрешностями, а на верхних - с отрицательными.
Пмакс
В
1
А
В
ф
3
1
2
3
4
В таблицу сведены результаты расчетов зависимостей величин максимального коэффициента относительного усиления помех К=0,56/ωТ и диапазона частот  относительного усиления помех от величины погрешности δ(ω) дифференцирования на частоте для устройства-прототипа и заявляемого устройства при наиболее оптимальных соотношениях постоянных времени Т=2Т и Τ=Т>Т=Т.
А
В
Пмакс
А
В
Сравнивая данные таблицы, можно отметить, что введение дополнительного форсирующего звена в блок 4 дифференцирования позволяет резко повысить помехоустойчивость результатов измерения. Так при погрешности δ(ω)=0,05% диапазон частот  относительного усиления помех сужается в 16 раз при одновременном шестикратном уменьшении К. Данные показывают, что преимущество в сужении частотного диапазона  особенно существенно при малых значениях погрешности δ(ω).
Из вышеизложенного следует, что введение в блок дифференцирования дополнительного пассивного форсирующего звена, содержащего параллельно соединенные резистор и переменный конденсатор, перестраиваемый одновременно с другими конденсаторами блока, обеспечивает повышение помехоустойчивости блока дифференцирования, а значит и всего устройства, что обеспечивает снижение методической погрешности проводимых с его помощью измерений.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующих условий:
- устройство, воплощающие заявленную полезную модель при его 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 полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Авторское свидетельство SU 1318926 A1, G01R 23/20. Опубликовано: 23.06.1987, бюл. №23.
2. Патент РФ на изобретение №2477492 (RU 2477492 С2). МПК G01R 23/20 (2006.01). Заявка №2010126710/28 (038007) 29.06.2010. Опубликовано: 10.03.2013, бюл. №7 - прототип.