УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ
DEVICE FOR MEASURING HARMONIC DISTORTIONS OF ELECTRIC SIGNAL AND DERIVATIVES THEREOF

Область техники
Изобретение относится к области контрольно-измерительной технике и предназначено для выявления и оценки гармонических искажений сигнала, вносимых усилителями сигналов звуковой частоты, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и набора определяемых коэффициентов гармонических искажений.
Это достигается за счет введения таких функций устройства, как возможность исключить дифференцирование сигнала для определения суммарного и частичных коэффициентов гармоник сигнала, для чего в устройство введен первый выключатель, шунтирующий блок дифференцирования, а также возможность осуществить повторное дифференцирование сигнала для определения суммарного и частичных коэффициентов двукратно взвешенных гармоник второй производной сигнала, для чего в устройство введены блок повторного дифференцирования, идентичный блоку дифференцирования и подключенный между выходом блока дифференцирования и входами контрольно-измерительного блока и второго блока индикации, и шунтирующий его второй выключатель, при этом конденсаторы обоих блоков дифференцирования перестраиваются одновременно.
Описание аналогов
Известно устройство, реализующее способ измерения нелинейных искажений сигнала, включающий дифференцирование, разложение спектра сигнала на основную гармонику и гармоники высших порядков и сравнение их интенсивностей [1]. Устройство содержит последовательно соединенные генератор гармонических колебаний, клеммы для подключения объекта измерения, блок дифференцирования и контрольно-измерительный блок, состоящий из параллельно соединенных осциллографа и измерительного блока [1, п.2 ф-лы].
К недостаткам известного устройства относится то, что оно обладает не широкими функциональными возможностями, что обусловливает узкий набор определяемых коэффициентов нелинейности, к тому же устройство обладает невысокой точностью измерений, что вызвано методическими погрешностями его работы.
Описание прототипа
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков является устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала, являющееся усовершенствованным устройством по отношению к устройству, описанному в [1], за счет обеспечения более высокой точности измерений [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, 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, в блоке дифференцирования конденсаторы выполнены перестраиваемыми.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится отсутствие функциональных возможностей, позволяющих расширить набор коэффициентов нелинейности, определяемых с его помощью.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей устройства и набора определяемых коэффициентов гармонических искажений.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в введении таких функций устройства, как возможность исключить дифференцирование сигнала для определения суммарного и частичных коэффициентов гармоник сигнала и возможность осуществить повторное дифференцирование сигнала для определения суммарного и частичных коэффициентов двукратно взвешенных гармоник второй производной сигнала.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройство введены первый выключатель, шунтирующий блок дифференцирования, блок повторного дифференцирования, идентичный блоку дифференцирования и подключенный между выходом блока дифференцирования и входами контрольно-измерительного блока и второго блока индикации, и второй выключатель, шунтирующий блок повторного дифференцирования, при этом конденсаторы обоих блоков дифференцирования перестраиваются одновременно.
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 фигур чертежей
На фигуре 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 - блок повторного дифференцирования; 21 - резистор R1; 22 - переменный конденсатор С1; 23 - резистор R2; 24 - переменный конденсатор С2; 25 - резистор R3; 26 - переменный конденсатор С3; 27 - резистор R4; 28 - переменный конденсатор С4; 29 - первый выключатель; 30 - второй выключатель. Конденсаторы блоков 6 и 20 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 5 - его выходом, блок 6 дифференцирования, блок 20 повторного 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 20 повторного дифференцирования, входная 18 и выходная 19 клеммы, выключатель 29, шунтирующий блок 6 дифференцирования и выключатель 30, шунтирующий блок 20 повторного дифференцирования. Блоки 6 и 20 идентичны друг другу и представляют собой непосредственный активный дифференциатор с двумя звеньями запаздывания, выполненный для блока 6 на основе инвертирующего усилителя К1 и элементов R1 (21), С1 (22), R2 (23) и С2 (24), для блока 20 на основе инвертирующего усилителя К2 и элементов R3 (25), С3 (26), R4 (27) и С4 (28), при этом конденсаторы обоих блоков дифференцирования являются переменными и перестраиваются одновременно. Значения коэффициентов усиления усилителей К1 и К2 много больше единицы.
Блок 3 выравнивания уровней сигнала, а также первый 7 и второй 11 блоки индикации обеспечивают снижение методических погрешностей, неизбежных при аппаратурном дифференцировании. Наличие этих блоков не влияет на результаты измерений, поскольку они не вносят изменения в форму сигнала.
Известный способ измерения нелинейных искажений электрического сигнала основан на том, что непосредственно в процессе измерения осуществляется взвешивание амплитуд гармоник сигнала умножением на весовой коэффициент, равный номеру гармоники или его квадрату [1]. Взвешивание выполняется в результате аппаратурного взятия первой или второй производной выходного сигнала объекта измерения с помощью операции дифференцирования, выполняемой один раз или дважды, последовательно одна за другой. По результатам измерений определяются суммарный и частичные коэффициенты взвешенных гармоник, обеспечивающие лучшее соответствие объективных и субъективных оценок нелинейных искажений по сравнению с такими стандартизированными параметрами нелинейности, как суммарный и частичные коэффициенты гармоник. Объяснить это можно особенностью восприятия слухом гармонических искажений - чувствительность к искажениям возрастает пропорционально номеру гармоники или, что еще адекватнее, квадрату ее номера, что было установлено в ходе субъективных экспертиз.
С помощью устройства-прототипа определяются суммарный и частичные коэффициенты однократно взвешенных гармоник после аппаратурного взятия первой производной сигнала с помощью операции дифференцирования, осуществляемой блоком 6 дифференцирования.
Заявленное устройство обладает дополнительными по отношению к прототипу функциями: возможностью вообще исключить дифференцирование сигнала и возможностью проводить двукратное дифференцирование сигнала, что позволяет расширить набор определяемых с его помощью коэффициентов нелинейности.
При замыкании выключателей 29 и 30 заявляемого устройства блок 6 дифференцирования и блок 20 повторного дифференцирования исключаются из схемы, чем исключается взятие какой-либо производной сигнала. При этом можно определить стандартизованные параметры амплитудной нелинейности: суммарный и частичные коэффициенты гармоник.
Размыкание выключателя 29 при замкнутом положении выключателя 30 позволяет вернуться к структуре устройства-прототипа и его функциональным возможностям, т.е. к возможности определения коэффициентов нелинейности первой производной сигнала: суммарного и частичных коэффициентов однократно взвешенных гармоник.
Подключение блока 20 повторного дифференцирования размыканием выключателя 30 при разомкнутом положении выключателя 29 позволяет провести дифференцирование сигнала дважды, т.е. взять вторую производную сигнала и определить суммарный и частичные коэффициенты двукратно взвешенных гармоник.
Подадим на вход объекта 2 измерения гармонический сигнал вида
m
0
где S - амплитудное значение; φ - начальная фаза.
Предположим, что нелинейность объекта 2 измерения можно описать полиномом вида
Выходной сигнал объекта 2 измерения исказится, т.е. в его спектре, кроме основной гармоники, появятся гармоники высших порядков.
В общем случае выражение для выходного сигнала объекта 2 измерения можно записать
п
mn
n
где S - постоянная составляющая, которая при измерениях не подвергается оценке; n - номер гармоники; S - амплитудное значение n-й гармоники; φ - начальная фаза n-й гармоники.
вых2
При замыкании выключателей 29 и 30 заявляемое устройство обеспечивает исследование формы и спектра сигнала s(t) и определение таких стандартизированных параметров амплитудной нелинейности объекта 2 измерения, как частичные и суммарный коэффициенты гармоник
вых2
При разомкнутом выключателя 29 и замкнутом выключателе 30 сигнал s(t) подается на вход блока 6 дифференцирования, где происходит аппаратурное взятие первой производной сигнала, а значит однократное взвешивание амплитуд гармоник умножением на весовой коэффициент, равный номеру гармоники n. При этом продифференцированный сигнал имеет вид
где  - амплитудное значение n-й гармоники после однократного взвешивания.
По результатам измерений можно определить частичные и суммарный коэффициенты однократно взвешенных гармоник
вых6
2
При разомкнутых выключателях 29 и 30 сигнал s(t) с выхода блока 6 дифференцирования подается на вход блока 20 повторного дифференцирования, что позволяется по совокупности действий двух последовательных операций дифференцирования взять вторую производную сигнала, а значит осуществить взвешивание амплитуд гармоник умножением на весовой коэффициент, равный квадрату номера гармоники n. При этом продифференцированный дважды сигнал имеет вид
где  - амплитудное значение n-й гармоники после двукратного взвешивания.
Это обеспечивает возможность определения частичных и суммарного коэффициентов двукратно взвешенных гармоник
Г∑
Гn
Вышеизложенное доказывает, что введение в состав известного устройства выключателя 29, шунтирующего блок 6 дифференцирования, а также блока 20 повторного дифференцирования и шунтирующего его выключателя 30 позволяет расширить функциональные возможности устройства, добавив возможность исключать аппаратурное взятие первой производной сигнала и возможность проводить аппаратурное взятие второй производной сигнала, что позволяет добавить к определению коэффициентов однократно взвешенных гармоник первой производной сигнала  и  определение коэффициентов гармоник самого сигнала K и K и определение коэффициентов двукратно взвешенных гармоник его второй производной  и , чем существенно расширить набор коэффициентов нелинейности, определяемых с помощью заявленного устройства.
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 гармонических искажений сигнала, вносимых усилителями сигналов звуковой частоты, в частности предварительными усилителями и усилителями 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 А1, G01R 23/20, опубл. 23.06.1987, бюл. №23 - прототип.