способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем
Классы МПК: | G01R23/16 анализ спектра;гармонический анализ H04J3/14 контрольные устройства H04B3/46 контроль; измерение |
Автор(ы): | Шевеленко В.Д., Кутузов В.И., Шевеленко Д.В., Квитек Е.В. |
Патентообладатель(и): | Оренбургский государственный университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-03-03 публикация патента:
20.03.2003 |
Способ относится к информационно-измерительной технике. Техническим результатом способа является принципиальная возможность определения частотных характеристик в неискаженном виде без проведения процедуры нормировки. Это достигается тем, что в известном способе, заключающемся в подаче на вход измерительного канала (ИК) испытательного сигнала (ИС) и определении его спектра (СП), один из ИК информационно-измерительной системы используют в качестве образцового и определяют его комплексную частотную характеристику (КЧХ) путем измерения амплитудного и фазового СП выходного сигнала. Значения КЧХ запоминают, затем на входы образцового и контролируемого ИК одновременно подают ИС и для определения степени различия КЧХ ИК из выходного сигнала контролируемого ИК вычитают выходной сигнал образцового ИК. Разностный сигнал усиливают и измеряют его амплитудный и фазовый СП. При этом ИС, воздействующий на входы ИК, формируют из гармонических колебаний частоты, превышающей в (N+1) раз частоту повторения ИС, в виде амплитудно-модулированного колебания с законом изменения огибающей, определяемым соотношением мгновенных значений синусоидальных колебаний с кратностью частот N, равной числу суммируемых для получения ИС гармонических колебаний кратных частот и равных амплитуд. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, заключающийся в том, что на вход контролируемого измерительного канала подают испытательный сигнал и определяют частотную характеристику путем измерения амплитудного и фазового спектров входного и выходного сигналов этого канала, отличающийся тем, что испытательный сигнал подают одновременно и на вход образцового измерительного канала и определяют его частотную характеристику, а для определения степени различия комплексных частотных характеристик образцового и контролируемого измерительных каналов из выходного сигнала контролируемого измерительного канала вычитают выходной сигнал образцового измерительного канала, разностный сигнал усиливают и измеряют его амплитудный и фазовый спектры.Описание изобретения к патенту
Способ относится к информационно-измерительной технике и может быть использован при определении частотных характеристик линейных четырехполюсников в широком диапазоне частот. Известен способ получения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) четырехполюсников и каналов связи (Патент РФ на изобретение 2012140, МКИ 5 Н 04 В 3/46, БИ 8, 1994), заключающийся в том, что на вход четырехполюсника или канала связи подают сигнал с линейно изменяющейся частотой, а на выходе осуществляют последовательный анализ спектра в диапазоне частот входного сигнала. Существенным недостатком этого способа является принципиальная невозможность получения АЧХ в неискаженном виде, так как ее форма зависит от скорости изменения частоты испытательного сигнала и лишь при скорости изменения частоты, равной нулю, АЧХ совпадает со статической, снятой по точкам, когда время воздействия испытательного сигнала в виде синусоидального входного напряжения неограничено (Харкевич А.А. Спектры и анализ. - М., Государственное издательство физико-математической литературы, 1962, с. 137-148). Наличие этого недостатка делает невозможным разрешить противоречия между желанием получить информацию об АЧХ ускоренно и увеличением отклонений формы АЧХ от истинной, что вызывает неустранимую погрешность способа. Известен (Патент РФ 2054684, МКИ G 01 R 23/16, БИ 5, 1996) способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, заключающийся в том, что на вход измерительного канала подают импульсный сигнал и определяют его спектр, а с целью повышения точности комплексную частотную характеристику образцового измерительного канала определяют на основе АЧХ и фазочастотной характеристики (ФЧХ) измерением последних с помощью синусоидального сигнала возбуждения с разверткой последнего по частоте, значения полученной характеристики запоминают, затем на входы контролируемого и образцового измерительных каналов одновременно подают импульсные сигналы, из разности выходных сигналов названных измерительных каналов определяют спектр, который делят на спектр входного сигнала для получения комплексной частотной характеристики, добавляемой к комплексной частотной характеристике образцового измерительного канала для получения АЧХ и ФЧХ контролируемого канала. Недостатками этого способа, не позволяющими обеспечить высокую точность определения АЧХ и ФЧХ, являются:а) в выбранном способе определения АЧХ и ФЧХ образцового сигнала путем развертки по частоте синусоидального входного сигнала принципиально невозможно определить истинные АЧХ и ФЧХ;
б) невозможность прямого определения АЧХ и ФЧХ контролируемого канала при воздействии на входах образцового и контролируемого каналов импульсных сигналов, так как для получения АЧХ и ФЧХ совершаются следующие процедуры:
1. определение АЧХ и ФЧХ образцового канала при воздействии развертываемого по частоте синусоидального входного сигнала;
2. определение разности комплексных частотных характеристик образцового и контролируемого измерительного каналов при одновременном воздействии на их входах импульсного сигнала;
3. суммирование (вычитание) комплексных частотных характеристик образцового канала и разностной комплексной частотной характеристики, определенной в п.2;
4. распределение АЧХ и ФЧХ контролируемого измерительного канала по определенной в п.3 суммарной комплексной частотной характеристике. Так как все названные в п.1-4 процедуры сопровождаются соответствующими погрешностями, то реализация рассматриваемого способа не обеспечивает высокую точность. Известен способ измерения амплитудно-частотных характеристик (Авторское свидетельство РФ 1712898, МКИ 5 G 01 R 27/28, БИ 6, 1992), включающий воздействие на испытуемый объект М колебаниями заданных частот и аналого-цифровое преобразование от отклика на входные воздействия в М последовательных моментах времени, результаты которого подвергают операции точечного быстрого преобразования Фурье (БПФ), при этом обработку откликов тестируемого блока сопровождают измерением модулей амплитуд тест-воздействий по эталонному каналу приема, не обладающему частотной избирательностью, сигналы на вход которого подают минуя тестируемый объект, причем оценивание амплитуд сигналов по отсчетам эталонного канала производят операцией точечного БПФ, а полученные по эталонному каналу результаты используют для нормировки оценок амплитуд откликов испытуемого объекта. Существенными недостатками этого способа являются следующие:
1. Использование для измерения АЧХ М колебаний заданных частот, амплитуды и частоты которых соотносятся произвольно, имеет следствием необходимость проведения нормировки, так как изменение амплитуд и частот названных М колебаний вследствие воздействия дестабилизирующих факторов на источники этих колебаний приводят к изменениям результата их суммирования - тест-воздействия. Необходимость проведения нормировки требует эталонного канала приема и увеличения требуемого для реализации БПФ оборудования в 2 раза (обработка откликов на тесто-воздействие испытуемого объекта и эталонного канала), так как обработка откликов должна проводиться параллельно. 2. Введение эталонного канала для нормировки, не обладающего частотной избирательностью, имеет следствие появление дополнительной частотно-зависимой погрешности. Действительно, в эталонном канале нестабильность амплитуды и частоты каждого из М суммируемых колебаний сопровождается изменением формы тест-сигнала, что приводит к соответствующим изменениям вычисляемых с помощью БПФ значений амплитуд каждого из М суммируемых колебаний (используемых для нормировки при определении АЧХ), но в измерительном канале кроме изменения амплитуд каждого из М суммируемых колебаний в соответствии с характером АЧХ устройства происходит изменение фазы каждого из М выходных колебаний в соответствии с законом
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200036/981.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
где А и В соответственно действительная и мнимая составляющие комплексной частотной характеристики испытуемого объекта для конкретного значения частоты каждого из М воздействующих на его входе колебаний. Это приводит к дополнительным изменениям формы выходного сигнала, так как для сохранения формы сигнала при прохождении через четырехполюсник фазочастотная характеристика последнего должна быть линейной
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200036/981.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
Это приводит к дополнительным изменениям формы выходного сигнала, а значит и к изменениям оценок амплитуд каждого из М частотных компонентов, полученных с помощью БПФ. Этот способ выбран в качестве прототипа. Техническим результатом заявляемого способа является принципиальная возможность определения АЧХ в неискаженном виде без проведения процедуры нормировки. Задача, на решение которой направлено техническое решение, достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что на вход измерительного канала подают испытательный сигнал и определяют его спектр, один из каналов информационно-измерительной системы используют в качестве образцового и определяют его комплексную частотную характеристику путем измерения амплитудного и фазового спектров выходного сигнала этого канала, значения полученной характеристики запоминают, затем на входы образцового и контролируемого измерительных каналов одновременно подают испытательный сигнал, выходной сигнал контролируемого измерительного канала путем измерения его амплитудного и фазового спектров используют для определения комплексной частотной характеристики этого канала, а для определения степени различия комплексных частотных характеристик образцового и контролируемого измерительных каналов информационно-измерительной системы из выходного сигнала контролируемого измерительного канала вычитают выходной сигнал образцового измерительного канала, разностный сигнал усиливают и измеряют его амплитудный и фазовый спектры, при этом испытательной сигнал, воздействующий на входы измерительных каналов и представляющий собой сумму из N гармонических колебаний кратных частот и равных амплитуд, формируют из гармонических колебаний несущей частоты
fн =
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200083/960.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200083/960.gif)
в виде амплитудно-модулированного колебания с законом изменения огибающей
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-2t.gif)
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для формирования периодически повторяемого испытательного сигнала, на фиг.2 приведены временные диаграммы. На фиг.1 обозначено: 1 - генератор гармонических колебаний несущей частоты
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-3t.gif)
2 - формирователь, преобразующий колебания несущей частоты в последовательности прямоугольных импульсов той же частоты; 3 - масштабный преобразователь на основе операционного усилителя, переключением резисторов в цепи обратной связи которого обеспечивается изменение коэффициента передачи; 4 - электронный коммутатор, управляемый выходными импульсами формирователя 2 и обеспечивающий переключение резисторов масштабного преобразователя 3. Выходные напряжения генератора 1, формирователя 2 и масштабного преобразователя 3 в виде временных диаграмм для контрольных точек а, б и в структурной схемы приведены в на фиг.2 (а, б и в соответственно). Способ осуществляется следующим образом: необходимость в проведении нормировки отпадает только в одном случае, - когда амплитуды всех частотных компонентов входного воздействия равны между собой, а потому при проведении нормировки амплитуды частотных компонентов выходного сигнала нужно будет делить на одну и ту же величину, чего можно не делать вообще. Действительно, если имеется возможность синтезировать испытательный сигнал, представляющий сумму N гармонических колебаний равных амплитуд с частотами, кратными основной частоте
f0 =
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200083/960.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-4t.gif)
то ему соответствует спектр
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-5t.gif)
При воздействии этого сигнала на входе исследуемого четырехполосника выходной сигнал последнего на основании интеграла Дюамеля
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-6t.gif)
где
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-7t.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200045/964.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-8t.gif)
Динамический коэффициент передачи четырехполюсника (то есть при воздействии на входе испытательного сигнала)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-9t.gif)
то есть в контролируемых точках частотной оси (
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-10t.gif)
не вызывает, как в случае воздействия с линейно-изменяющейся частотой, отклонения формы АЧХ от определенной в статическом режиме, то есть предлагаемый способ позволяет обеспечить высокую точность. Процедура нормировки при использовании испытательного сигнала
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-11t.gif)
не является обязательной, так как при определении АЧХ деление амплитуд выходного сигнала четырехполюсника производят на одну и ту же величину, равную амплитуде каждого из частотных компонентов входного воздействия, то есть спектр выходного напряжения подвергают лишь масштабному преобразованию. Для достижения высокой точности определения идентичности образцового и контролируемого измерительных каналов при одновременном воздействии на их входе испытательного сигнала
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-12t.gif)
используется оценка в виде отношения спектра разности выходных сигналов названных каналов к спектру входного испытательного сигнала
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-13t.gif)
Так как амплитуды гармоник испытательного сигнала равны между собой Um1 = Um2 ... = UmN, а их фазы нарастают пропорционально номеру гармоники "К", то для определения
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200026/948.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200026/948.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200026/948.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-14t.gif)
измерением амплитуд и фаз входного испытательного сигнала, а также амплитуд и фаз выходных сигналов образцового и измерительного каналов и разности их выходных напряжений позволяет определять частотные характеристики названных каналов, а также степень их отличия. Сокращение объема измерительных процедур при определении АЧХ образцового и измеряемого канала, а также при определении степени неидентичности АЧХ названных каналов создает основу для повышения точности определения АЧХ измерительных каналов информационно-измерительных систем. Однако реализация требуемых измерительных процедур требует воздействия на входе испытательного сигнала
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-15t.gif)
т. е. суммирования гармонических колебаний равных амплитуд, вырабатываемых N генераторами, с определенным начальным углом фазового сдвига. Стабилизация амплитуд и начальных фаз N генераторов гармонических колебаний требует 2N систем автоматического регулирования и технически труднореализуема. Однако известное соотношение (Двайт Г.В. Таблицы интегралов и других математические формулы. - М.: Наука, 1966, с. 82)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-16t.gif)
применительно к анализируемому испытательному сигналу f1(t) позволяет изменить характер преобразований при формировании последнего. Действительно, представление испытательного сигнала
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-17t.gif)
в виде
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-18t.gif)
позволяет трактовать его как амплитудно-модулированное (АМ) колебание, т. к. формально АМ колебание представляет произведение огибающей Um(t) и гармонического заполнения. В испытательном сигнале f1(t) функцию гармонического заполнения (т.е. колебание несущей частоты) выполняет колебание sin
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-19t.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-20t.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-21t.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200959/2200959-22t.gif)
колебания несущей частоты fн =
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200083/960.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200076/969.gif)
![способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, патент № 2200959](/images/patents/270/2200083/960.gif)
Класс G01R23/16 анализ спектра;гармонический анализ
Класс H04J3/14 контрольные устройства
Класс H04B3/46 контроль; измерение