устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных с высокой помехозащищенностью

Формула изобретения

Устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных с высокой помехозащищенностью, содержащее 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, два последовательно соединенных и идентичных первый и второй блоки дифференцирования, каждый из которых зашунтирован выключателем и содержит последовательно соединенные первый резистор и первый конденсатор, подключенные к входу первого инвертирующего усилителя, и параллельно соединенные второй резистор и второй конденсатор, подключенные к выходу данного усилителя и образующие цепь обратной связи, при этом конденсаторы обоих блоков дифференцирования перестраиваются одновременно, 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 второго блока дифференцирования, отличающееся тем, что каждый из идентичных блоков дифференцирования содержит последовательно соединенные первый конденсатор и первый резистор, подключенные выходом первого резистора к входу первого инвертирующего усилителя, второй резистор в цепи обратной связи данного усилителя подключен между его выходом и точкой последовательного соединения первого резистора и первого конденсатора, кроме того, в каждый блок дифференцирования введено дополнительное звено, содержащее параллельно соединенные третий резистор и третий конденсатор, подключенные между выходом и входом второго инвертирующего усилителя и образующие цепь обратной связи, и четвертый резистор, подключенный своим выходом к входу второго инвертирующего усилителя и образующий своим входом вход блока дифференцирования, конденсатор дополнительного звена перестраивается одновременно с другими конденсаторами блоков дифференцирования.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для выявления и оценки гармонических искажений сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности сигналов звуковой частоты.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности результатов измерений.

Это достигается уменьшением коэффициента и частотного диапазона относительного усиления помех в идентичных блоках дифференцирования за счет изменения структуры построения и оптимизации параметров элементов их схем, для чего каждый из идентичных блоков дифференцирования содержит последовательно соединенные первый конденсатор и первый резистор, подключенные выходом первого резистора к входу первого инвертирующего усилителя, второй резистор в цепи обратной связи данного усилителя подключен между его выходом и точкой последовательного соединения первого резистора и первого конденсатора, кроме того, в каждый блок дифференцирования введено дополнительное звено, содержащее параллельно соединенные третий резистор и третий конденсатор, подключенные между выходом и входом второго инвертирующего усилителя и образующие цепь обратной связи, и четвертый резистор, подключенный своим выходом ко входу второго инвертирующего усилителя и образующий своим входом вход блока дифференцирования, конденсатор дополнительного звена перестраивается одновременно с другими конденсаторами блоков дифференцирования.

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, 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, в блоке дифференцирования конденсаторы перестраиваются одновременно.

К недостаткам известного устройства относится его узкая направленность применения - измерение гармонических искажений первой производной электрического сигнала, к тому же устройство обладает низкой помехозащищенностью результатов измерений.

Описание прототипа

Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков является устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных, являющееся усовершенствованным устройством по отношению к устройству, описанному в [1], и обладающее расширенными функциональными возможностями, позволяющими измерять гармонические искажения самого электрического сигнала, а также его первой и второй производных [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, два последовательно соединенных и идентичных первый и второй блоки дифференцирования, каждый из которых зашунтирован выключателем и содержит последовательно соединенные первый резистор и первый конденсатор, подключенные к входу первого инвертирующего усилителя, и параллельно соединенные второй резистор и второй конденсатор, подключенные к выходу данного усилителя и образующие цепь обратной связи, конденсаторы обоих блоков дифференцирования перестраиваются одновременно, 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 второго блока дифференцирования.

Критика прототипа

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится низкая помехозащищенность результатов измерений, обусловленная широким частотным диапазоном относительного усиления помех в продифференцированном сигнале, а тем более в дважды продифференцированном сигнале, что снижает точность измерений гармонических искажений сигнала и его первой и второй производных.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышения помехозащищенности результатов измерений.

Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в уменьшении коэффициента и частотного диапазона относительного усиления помех в идентичных блоках дифференцирования за счет изменения структуры построения и оптимизации параметров элементов их схем.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что каждый из идентичных блоков дифференцирования содержит последовательно соединенные первый конденсатор и первый резистор, подключенные выходом первого резистора к входу первого инвертирующего усилителя, второй резистор в цепи обратной связи данного усилителя подключен между его выходом и точкой последовательного соединения первого резистора и первого конденсатора, кроме того, в каждый блок дифференцирования введено дополнительное звено, содержащее параллельно соединенные третий резистор и третий конденсатор, подключенные между выходом и входом второго инвертирующего усилителя и образующие цепь обратной связи, и четвертый резистор, подключенный своим выходом ко входу второго инвертирующего усилителя и образующий своим входом вход блока дифференцирования, конденсатор дополнительного звена перестраивается одновременно с другими конденсаторами блоков дифференцирования.

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 чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, где 1 - генератор гармонических колебаний; 2 - объект измерений, 3 - блок выравнивания уровней сигналов; 4 - аттенюатор; 5 - регулируемый измерительный усилитель; 6 - первый блок дифференцирования, 7 - первый выключатель; 8 - второй блок дифференцирования; 9 - второй выключатель; 10 - контрольно-измерительный блок; 11 - осциллограф; 12 - измерительный блок; 13 - первый блок индикации; 14 - первая схема сравнения; 15 - первый генератор эталонного сигнала; 16 - первый индикатор; 17 - второй блок индикации; 18 - вторая схема сравнения; 19 - второй генератор эталонного сигнала; 20 - второй индикатор; 21 - входная клемма; 22 - выходная клемма; 23 - третий резистор R¹3 - первого блока дифференцирования; 24 - четвертый резистор R¹4 первого блока дифференцирования; 25 - третий конденсатор С¹3 первого блока дифференцирования; 26 - первый конденсатор С¹1 первого блока дифференцирования; 27 - первый резистор R¹1 первого блока дифференцирования; 28 - второй резистор R¹2 первого блока дифференцирования; 29 - второй конденсатор С¹2 первого блока дифференцирования; 30 - третий резистор R²3 второго блока дифференцирования; 31 - четвертый резистор R²4 второго блока дифференцирования; 32 - третий конденсатор С²3 второго блока дифференцирования; 33 - первый конденсатор С² 1 второго блока дифференцирования; 34 - первый резистор R²1 второго блока дифференцирования; 35 - второй резистор R²2 второго блока дифференцирования; 36 - второй конденсатор С²2 второго блока дифференцирования; - К1 - второй инвертирующий усилитель; - К2 - первый инвертирующий усилитель. Конденсаторы обоих блоков дифференцирования выполнены одновременно перестраиваемыми.

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 измерений, 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, первый блок 6 дифференцирования, зашунтированный первым выключателем 7, второй блок 8 дифференцирования, зашунтированный вторым выключателем 9, контрольно-измерительный блок 10, состоящий из осциллографа 11 и измерительного блока 12, которые параллельно подключены к входу контрольно-измерительного блока 10, а также идентичные первый 13 и второй 17 блоки индикации, состоящие из схем 14 и 18 сравнения, первый вход которых является входом блоков 13 и 17 индикации, генераторов 15 и 19 эталонного сигнала, соединенных со вторыми входами схем 14 и 18 сравнения, индикаторов 16 и 20, соединенных с выходами схем 14 и 18 сравнения, причем вход первого блока 13 индикации соединен с выходом блока 3 выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока 17 индикации соединен с выходом второго блока 8 дифференцирования, входная 21 и выходная 22 клеммы.

Блоки 6 и 8 идентичны друг другу и представляют собой активный дифференциатор с инерционным и колебательным звеньями, выполненными для блока 6 на основе инвертирующего усилителя К ¹1 и элементов R¹3 (23), R¹4 (24) и С¹3 (25), образующих инерционное звено, и на основе инвертирующего усилителя К¹2 и элементов С¹ 1 (26), R¹1 (27), R¹2 (28), C¹ 2 (29), образующих колебательное звено, для блока 8 на основе инвертирующего усилителя К²1 и элементов R² 3 (30), R²4 (31) и С²3 (32), образующих инерционное звено, и на основе инвертирующего усилителя К ²2 и элементов С²1 (33), R²1(34), R²2 (35), С²2 (36), образующих колебательное звено, при этом конденсаторы обоих блоков 6 и 8 дифференцирования являются переменными и перестраиваются одновременно. Значения коэффициентов усиления инвертирующих усилителей блоков К1 и К2 много больше единицы.

Осуществление точного дифференцирования электрического сигнала при наличии высокочастотных помех представляет значительную сложность, поскольку противоречит обеспечению высокой помехозащищенности проводимых измерений. Это обусловлено самим принципом приближенного дифференцирования, который используется при построении всех, как аналоговых, так и цифровых дифференцирующих устройств.

Тем не менее, повысить помехозащищенность результатов измерений с сохранением малых величин погрешностей дифференцирования, каковые необходимы при измерениях взвешенных гармонических искажений сигнала, вносимых высококачественной звукотехнической аппаратурой, можно, в частности, преобразованием структуры построения схемы идентичных активных дифференциаторов устройства-прототипа, представляющей собой схему с двумя инерционными звеньями, в структуру с колебательным звеном.

Для этого в каждом из идентичных блоков дифференцирования резистор в цепи обратной связи следует подключить между выходом усилителя и точкой последовательного соединения резистора и конденсатора, подключенных к входу усилителя, при этом резистор и конденсатор поменять местами. Однако для устранения колебаний продифференцированного сигнала при случайных скачках или выбросах исследуемого сигнала на входе такого дифференциатора, имеющего коэффициент затухания меньше 1, целесообразно включить дополнительное инерционное звено. При согласовании постоянных времени инерционного и колебательного звеньев можно значительно повысить помехозащищенность дифференциатора без увеличения относительной амплитудной погрешности дифференцирования гармонического сигнала _A( ).

Сравним помехозащищенность блоков дифференцирования прототипа и предлагаемого устройства, обратившись к таким показателям, как

- максимальный коэффициент относительного усиления помех

,

где _П - частота помехи;

_В - верхняя частота рабочего диапазона дифференцирования;

- отношение , характеризующее ширину диапазона частот, в котором происходит усиление высокочастотных составляющих сигнала относительно сигнала частотой _В, где _{П макс} - максимальная частота помехи, попадающей в зону относительного усиления.

Задача повышения помехозащищенности сводится к уменьшению значений этих показателей. Определить их можно по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ) обоих сравниваемых устройств в зависимости от значений допустимой амплитудной погрешности дифференцирования _А( ).

Идентичные блоки дифференцирования устройства-прототипа построены по схеме непосредственного дифференциатора с двумя инерционными звеньями.

Передаточная функция такого устройства включает постоянную времени дифференцирования T и две постоянные времени запаздывания T₁ и T₂

,

где T=R₂C₁, Т ₁=R₁C₁ и Т₂=R₂ C₂ при K>>1.

Для первого блока дифференцирования параметры элементов: R₁ - сопротивление первого резистора (элемент 27); R₂ - сопротивление второго резистора (элемент 28); C₁ - емкость первого конденсатора (элемент 26); С₂ - емкость второго конденсатора (элемент 29).

АЧХ прототипа определяется выражением, отражающим наличие одного нуля и двух полюсов в передаточной функции устройства

,

где при T₁, T₂<<0,2.

При установке равных значений постоянных времени запаздывания звеньев T ₁=Т₂ прототип имеет

, .

При этом отношение частот диапазона, на котором помехи усиливаются относительно исследуемого сигнала, у прототипа составляет

,

где _А( _В) - относительная амплитудная погрешность дифференцирования на верхней граничной частоте рабочего диапазона.

Наибольшее влияние на точность дифференцирования при Т₁ =Т₂ оказывает помеха с частотой _П=1/T₁, при этом коэффициент максимального относительного усиления помех достигает значения

.

При малых значениях амплитудной погрешности

.

В таблице приведены зависимости значений рассматриваемых показателей помехозащищенности от значений погрешности для устройства-прототипа.

Блоки дифференцирования предлагаемого устройства также построены по схеме непосредственного дифференциатора, но с инерционным и колебательным звеньями. Передаточная функция такого устройства также включает постоянную времени дифференцирования T и две постоянные времени запаздывания T₁ и T ₂

,

где T=R₂C₁R ₄/R₃; ; T₂=R₃C₃; .

Для первого блока дифференцирования параметры введенных элементов: R₃ - сопротивление третьего резистора (элемент 23); R₄ - сопротивление четвертого резистора (элемент 24); С₃ - емкость третьего конденсатора (элемент 25).

При установке коэффициента затухания =0,5 АЧХ устройства имеет вид

,

где при Т₁, Т₂<<0,4.

Таблица
	А( в),%
	0,05	0,1	0,5	1,0	5,0
КП макс прототип заявляемое устройство	22,4 2,35	15,8 2,03	7,1 1,55	5,0 1,37	2,3 1,05
прототип заявляемое устройство	2000 5,8	1000 4,8	200 3,2	100 2,6	20 1,7

При равенстве постоянных времени звеньев T₁=T₂ значение амплитудной погрешности уменьшается до величины

.

При этом наибольшее усиление помех происходит на частоте _П=0,9/T₁. При значениях погрешности менее 5% максимальное значение коэффициента относительного усиления помех определяется приближенным равенством

К _{П макс} 0,73/ _ВT₁.

Диапазон относительного усиления помех составляет

В таблице приведены зависимости значений рассматриваемых показателей помехозащищенности от значений погрешности для предлагаемого устройства при условии, что Т₁= Т₂ и =0,5.

Сравнивая данные таблицы можно, отметить, что заявляемое устройство, в котором блоки дифференцирования построены по схеме с инерционным и колебательным звеньями при соответствующем выборе параметров элементов этих звеньев, обеспечивает существенно более высокую помехозащищенность результатов измерений по сравнению с устройством-прототипом, особенно при малых значениях амплитудной погрешности взятия производной, что особенно существенно при оценке нелинейных искажений сигнала, вносимых высококачественной звукотехнической аппаратурой.

Из вышеизложенного следует, что оптимизация структуры построения и параметров схемы идентичных блоков дифференцирования предлагаемого устройства путем схемотехнического преобразования двух инерционных звеньев в колебательное звено, а также введение на входе каждого блока дополнительного инерционного звена, конденсатор которого перестраивается одновременно с другими конденсаторами блоков, обеспечивает видоизменение АЧХ блоков, способствующее уменьшению коэффициента и частотного диапазона относительного усиления помех, чем повышается помехозащищенность результатов измерений гармонических искажений электрического сигнала и его производных.

Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:

- устройство, воплощающие заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в контрольно-измерительной технике для выявления и оценки гармонических искажений сигнала, вносимых звуко-технической аппаратурой, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности сигналов звуковой частоты;

- 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.

Источники информации

1. SU 1318926 A1, G01R 23/20, опубл. 23.06.1987, бюл. № 23.

2. RU 2456624 CI, G01R 23/20, опубл. 20.07.2012, бюл. № 20 - прототип.