УСТРОЙСТВО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ЗАШУМЛЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использована для спектрального анализа в системах цифровой обработки сигналов.
7
Из существующего уровня техники известен цифровой анализатор спектра (Пат. 2099720 Российская Федерация, МПК G01R 23/16. Цифровой анализатор спектра / Кондращенко В.Н, Макаров Г.В., Токарев А.Б. - 94028881/09; заявл. 02.08.1994; опубл. 20.12.1997; Бюл. №5) [1], состоящий из усилителя по входу, аналого-цифрового преобразователя, контроллера быстрого преобразования Фурье, буфера хранения данных.
7
Известен автономный анализатор спектра реального времени (Пат.4950999 US, МПК G01R 23/16. Автономный анализатор спектра реального времени / опубл. 21.08.1990) [2], содержащий контроллер быстрого преобразования Фурье и аналого-цифровой преобразователь с управляемой частотой дискретизации.
Недостатком перечисленных аналогов является отсутствие аналогового фильтра низких частот перед аналого-цифровым преобразователем, что снижает точность измерения спектрального состава зашумленных электрических сигналов. Высокочастотные составляющие помехи при дискретизации вызовут искажения в спектре сигнала, возникающие из-за эффекта наложения.
7
Известен анализатор гармоник (Пат. 131496 Российская Федерация, МПК G01R 23/16. Анализатор гармоник / Пасынков Ю.А., Аравенков А.А. - №2012118134/28; заявл. 03.05.2012; опубл. 20.08.2013; Бюл. №23) [3], 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, имеющего цифровой выход данных.
Недостатком указанного аналога является низкая помехозащищенность при воздействии импульсных помех.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является анализатор спектра (Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, с. 243) [4], принятый за прототип, содержащий усилитель, вход которого является входом анализатора, а выход соединен с входом фильтра низких частот, выход которого связан с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, также содержащий буфер хранения данных, информационный выход которого соединен с информационным входом контроллера быстрого преобразования Фурье.
Недостатком указанного прототипа также является низкая помехозащищенность при воздействии импульсных помех.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения спектрального состава зашумленных электрических сигналов.
Техническим результатом является повышение помехозащищенности устройства в условиях действующих помех.
Техничекий результат достигается тем, что в устройство спектрального анализа зашумленных электрических сигналов между аналого-цифровым преобразователем и частотным фильтром устанавливается медианный фильтр.
Существо полезной модели поясняется фиг. На фиг. изображена структурная схема устройства спектрального анализа зашумленных электрических сигналов.
Устройство спектрального анализа зашумленных электрических сигналов состоит из последовательно соединенных усилителя 1, вход которого является входом устройства, фильтра низких частот 2 (далее - ФНЧ), аналого-цифрового преобразователя 3 (далее - АЦП), медианного фильтра 4, частотного фильтра 5, дециматора 6, буфера хранения данных 7, контроллера быстрого преобразования Фурье 8 (далее - БПФ), микропроцессора 9, преобразователя интерфейсов 10, цифровой вход которого связан с цифровым выходом передачи данных микропроцессора 9, а его цифровой первый выход соединен с цифровым вторым входом приема данных микропроцессора 9, группа управляющих выходов I, II, III, IV, V которого соединены соответственно с входами управления АЦП 3, медианного фильтра 4, частотного фильтра 5, буфера хранения данных 7 и контроллера БПФ 8. Второй цифровой выход преобразователя интерфейсов 10 является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
На вход устройства поступает зашумленный электрический сигнал, амплитуда которого масштабируется усилителем 1 к верхней границе диапазона АЦП 3. Сигнал с выхода усилителя 1 поступает на вход ФНЧ 2, который ограничивает его частотный диапазон. Далее, полученный сигнал поступает на вход АЦП 3, работающий на избыточной частоте дискретизации, многократно превышающей частоту среза ФНЧ 2.
Оцифрованный сигнал с выхода АЦП 3 проходит через медианный фильтр 4 для устранения импульсных помех. Таким образом, достигается эффект помехоустойчивости к кратковременно действующим помехам.
Далее, сигнал проходит через последовательно соединенные частотный фильтр 5 и дециматор 6. В результате из сигнала удаляются высокочастотные помехи выше частоты среза ФНЧ 2 и понижается частота дискретизации. В результате, улучшается отношение сигнал/шум и повышается точность измерения. Дополнительно снижаются требования к крутизне амплитудно-частотной характеристики ФНЧ 2, что упрощает его реализацию.
Сигнал с выхода дециматора 6 записывается в буфер хранения данных 7, организованный по принципу FIFO (англ. first in, first out - «первым пришел - первым вышел»).
Накопленные данные извлекаются контроллером БПФ 8, который вычисляет энергетический спектр сигнала на основе дискретного преобразования Фурье.
Расчетные данные с выхода контроллера БПФ 8 поступают на вход микропроцессора 9, который накапливает спектральные оценки сигнала и вычисляет их средние значения. Таким образом, снижается дисперсия шума в спектре и повышается точность измерения амплитуд гармонических составляющих зашумленного сигнала.
Усредненные значения энергетического спектра через преобразователь интерфейса 10 транслируются микропроцессором 9 на выход устройства для передачи в системы верхнего уровня. Так же микропроцессор 9 осуществляет общую синхронизацию устройства.
Предлагаемое устройство спектрального анализа зашумленных электрических сигналов успешно прошло опытные испытания в составе стационарных систем виброконтроля газоперекачивающих агрегатов на технологических площадках компрессорных станций ООО «Газпром трансгаз Уфа».