Пристрій для визначення параметрів n-вимірних характеристик нелінійних систем

Пристрій для визначення N-вимірних характеристик нелінійних систем, що містить Nканальний синтезатор тестового сигналу, суматор, входи якого з'єднано з виходами синтезатора, слідкуючий смуговий фільтр, опорний генератор, вихід якого підключено до опорних входів синтезатора і слідкуючого смугового фільтра, послідовно з'єднані помножувач, інтегратор і вольтметр, та перемикач, вихід якого підключено 3 Цей пристрій характеризується недостатньою точністю настроювання опорного каналу при фільтрації обраного комбінаційного коливання через відсутність схеми компенсації фазового зсуву, зумовленого СПФ. Це приводить до значних витрат часу на проведення одного виміру та збільшує погрішність подальшого визначення параметрів БПФ. Окрім того, недоліком цього пристрою є те, що він не враховує характер взаємного впливу вхідних провідностей сукупності: БНЕ досліджувана НС. Це може привести до спотворення амплітудного і/або фазового спектра тестового сигналу як на входах НС і БНЕ, так і на їх виходах. Спотворення спектра на вході БНЕ призводить до спотворення спектра його відгуку і не дозволяє виявити ті комбінаційні коливання на виході БНЕ та опорному вході помножувача, які необхідні для вимірів. Відсутність коливання обраної комбінаційної частоти на опорному вході помножувача, що виконує функції синхронного детектора, не дозволяє здійснити у повному обсязі необхідні вимірювання для визначення параметрів БПФ. Цей аналог не враховує також характер взаємного впливу сукупності: вхідна провідність помножувача - вихідна провідність досліджуваної НС. Не урахування цього впливу є джерелом додаткових похибок вимірів параметрів БПФ. Прототипом [3] обрано відомий пристрій для визначення багатовимірних передатних функцій нелінійних систем, що містить N-канальний синтезатор гармонійних коливань, суматор, входи якого з'єднано з виходами синтезатора, а вихід підключено до першого входу досліджуваної НС і входу БНЕ, послідовно з'єднані помножувач, інтегратор і вольтметр, та перемикач, виходом підключений до опорного входу помножувача, сигнальний вхід якого з'єднано з другим входом досліджуваної НС, а входи перемикача з'єднані із синфазним та квадратурним виходами слідкуючого смугового фільтра (ССФ), вхід якого з'єднано з виходом БНЕ, і опорний генератор, який своїм виходом з'єднано з опорними входами синтезатора і ССФ. Недоліком прототипу є те, що він не враховує характер взаємного впливу вхідних провідностей сукупності: БНЕ - досліджувана НС. Це може привести до спотворення амплітудного і/або фазового спектра тестового сигналу як на входах НС і БНЕ, так і на їх виходах. Спотворення спектра на вході БНЕ призводить до спотворення спектра його відгуку і не дозволяє виявити ті комбінаційні коливання на виході БНЕ та опорному вході помножувача, які необхідні для вимірів. Відсутність коливання обраної комбінаційної частоти на опорному вході помножувача, що виконує функції синхронного детектора, не дозволяє здійснити у повному обсязі необхідні вимірювання для визначення параметрів БПФ. Окрім того, прототип не враховує характер взаємного впливу сукупності: вхідна провідність помножувача - вихідна провідність досліджуваної НС. Не урахування цього впливу є джерелом додаткових похибок вимірів параметрів БПФ. 27065 4 В основу корисної моделі поставлено завдання розробки пристрою визначення параметрів N-вимірних характеристик НС із підвищеним рівнем достовірності і точності вимірів, яких досягають шляхом структурних змін. Вирішення цього завдання досягається тим, що в пристрій для визначення N-вимірних характеристик нелінійних систем, що містить Nканальний синтезатор тестового сигналу, суматор, входи якого з'єднано з виходами синтезатора, слідкуючий смуговий фільтр, опорний генератор, вихід якого підключено до опорних входів синтезатора і фільтра, послідовно з'єднані помножувач, інтегратор і вольтметр, та перемикач, виходом підключений до опорного входу помножувача, а перший і другий входи перемикача підключено відповідно до синфазного та квадратурного виходів слідкуючого смугового фільтра, введено схему розв'язки опорного та сигнального каналів, яка складається з рівноплечого розгалужувача на два напрями, витокових повторювачів опорного та сигнального каналів, при цьому вихід суматора з'єднано з входом рівноплечого розгалужувача, перший вихід якого з'єднано з входом витокового повторювача опорного каналу, вихід якого є входом безінерційного нелінійного елементу, який своїм виходом з'єднано з входом слідкуючого смугового фільтра, а другий вихід розгалужувана з'єднано з iтим входом досліджуваної нелінійної системи, j-й вихід якої з'єднано з входом витокового повторювана сигнального каналу, вихід якого є сигнальним входом помножувача. Запропонований пристрій враховує і усуває взаємний вплив вхідних провідностей сукупності: БНЕ - досліджувана НС. Запровадження схеми розв'язки опорного і сигнального каналів як на вході БНЕ, так і на вході помножувача усуває можливість спотворення амплітудного і/або фазового спектра тестового сигналу як на входах НС і БНЕ, так і на їх виходах. Це дозволяє виділити в опорному каналі пристрою коливання обраної комбінаційної частоти (КЧ) і здійснити у повному обсязі необхідні вимірювання для визначення параметрів багатовимірних БПФ. Крім того, введення рівноплечого розгалужувача встановлює рівновагу між рівнями потужності тестового сигналу в опорному та сигнальному каналах вимірювача незалежно від виду амплітудних характеристик досліджуваної нелінійної системи та БНЕ. Запропонований пристрій також усуває взаємний вплив сукупності: вхідна провідність помножувача - вихідна провідність досліджуваної НС. Це дозволяє усунути джерело додаткових похибок вимірів параметрів БПФ. Таким чином, нові ознаки при взаємодії з відомими ознаками забезпечують виявлення нових технічних властивостей шляхом додаткових структурних змін розроблено пристрій для визначення N-вимірних характеристик нелінійних систем із підвищеним рівнем достовірності і точності вимірів. 5 Це забезпечує усій заявленій сукупності ознак відповідність критерію «новизна» та приводить до нових технічних результатів. Аналоги, які містять ознаки, що відрізняються від прототипу, не знайдені, рішення явним чином не випливає з рівня техніки. Виходячи з вищевикладеного можна зробити висновок, що запропоноване технічне вирішення задовольняє критерію "Винахідницький рівень". На Фіг.1 наведено структурну схему пристрою, що пропонується. На Фіг.2 наведено структурну схему ССФ. Пристрій (Фіг.1) містить опорний генератор 1, вихід якого підключено до опорних входів Nканального синтезатора тестового сигналу 2 і ССФ 3, суматор 4, входи якого підключено до виходів синтезатора 2, а вихід підключено до входу рівноплечого розгалужувача на два напрями 5, перший вихід якого з'єднано з входом витокового повторювача опорного каналу 6, вихід якого з'єднано з входом БНЕ 7, який своїм виходом з'єднаний з сигнальним входом ССФ 3, а другий вихід розгалужувача 5 з'єднано з i-тим входом досліджуваної НС 8, j-й вихід якої є входом витокового повторювача 9 сигнального каналу, вихід якого з'єднано з сигнальним входом помножувача 10, а опорний вхід останнього - з виходом перемикача 11, перший і другий входи якого підключено відповідно до синфазного та квадратурного виходів ССФ 3, а вихід помножувача 10 через інтегратор 12 з'єднано з вольтметром вимірювача 13. Опорний генератор 1, N-канальний синтезатор тестового сигналу 2, ССФ 3, суматор 4, помножувач 10, перемикач 11, інтегратор 12, вольтметр 13 за своїми технічними вирішеннями не відрізняються від застосованих у прототипі [3]. В якості рівноплечого розгалужувача на два напрями 5 можна використати схему суматора [13], включеного в режимі поділу потужності. ССФ 3 (Фіг.2) реалізовано по схемі з подвійним перетворенням частоти, що містить вхідний 14 і вихідні перетворювачі частоти 15 на МОП-тетродах, які працюють в лінійному режимі перетворення частоти, смуговий фільтр проміжної частоти 16, керований фазообертач 17, тридецибельний направлений відгалужувач 18 з баластним опором 19, синтезатор-гетеродин 20. Опорні входи перетворювачів частоти 14 і 15 підключено до виходу синтезатора-гетеродина 20, перший сигнальний вхід якого є опорним входом ССФ 3, а другий вхід підключено до виходу високостабільного генератора 21 проміжної частоти. На цифрову шину керування частотою синтезатора-гетеродина 20 подається код частоти обраного комбінаційного коливання. ССФ 3 охоплено кільцем системи автоматичного підстроювання фази (АПФ), яка складається з фазового дискримінатора 22, входи якого підключено до входу і квадратурного виходу ССФ 3, а вихід через фільтр нижніх частот 23 підключено до керувального входу фазообертача 17. Вхідні затиски ССФ 3 - 24 і 25, а вихідні - 26 і 27. В якості гетеродину 20 може служити ІС 27065 6 синтезатора з вбудованим 12-розрядним ЦАП, наприклад, AD9858 фірми Analog Devices. Пристрій працює наступним чином. Алгоритм виділення коливання заданої КЧ за допомогою ССФ 3 не відрізняється від запропонованого у прототипі [3]. Тому перед початком вимірювань вважаємо, що амплітудна характеристика БНЕ 7 та коефіцієнт передачі ССФ 3 на проміжній частоті fпр, нам відомі. Відгук на виході БНЕ 7 містить усі гармонійні та комбінаційні коливання, що утворені із спектру тестового сигналу, фази яких визначаються тільки початковими фазами гармонійних компонент тестового сигналу на його вході і дорівнюють j0(m0) Вихідний сигнал БНЕ 7 поступає на вхід ССФ 3, на керований цифровий вхід якого подається код Nкч обраної комбінаційної частоти, що визначає коефіцієнт ділення дільника синтезатора-гетеродина 20. В результаті на виході синтезатора-гетеродина 20 генерується коливання ( ) (m ) , яка частоти fг = fкч m 0 - fn , що переносить складову діє на вході ССФ 3, на частоти fкч 0 проміжну частоту fnp=fn де fn - частота на виході генератора 21. Оскільки гетеродинне коливання, як і тестовий сигнал, утворено в результаті когерентного синтезу з коливання опорного генератора частоти F0, вхідні коливання перетворювачів ССФ 3 когерентні одне одному (нестабільністю частоти генератора 21 нехтуємо). Оскільки частоти в першому перетворювачі 14 ССФ 3 віднімаються одна з іншої, нестабільності когерентних коливань так само віднімаються, і нестабільність вихідного коливання цього перетворювача не залежить від нестабільності частот випробувального сигналу, а визначається тільки нестабільністю частоти генератора проміжної частоти fnр. Таким чином, повністю усуваються помилки фази опорного коливання, зумовлені нестабільностями частот гармонійних компонент тестового сигналу і сигналу синтезатора-гетеродина ССФ 3. Одночасно істотно знижуються вимоги до стабільності частот генераторів вимірювача. Фільтр 16 проміжної частоти працює з нульовим розстроюванням для коливання частоти fкч, оскільки аргумент коефіцієнту передачі ССФ 3, зумовлений запізненням сигналу в його елементах а також нестабільністю фазової характеристики самого ССФ 3, практично повністю усувається кільцем АПФ. Це дозволяє повністю виключити операцію калібрування ССФ 3 і значно підвищити точність вимірювання БПФ НС за рахунок усунення впливу різних дестабілізуючих чинників (температури, напруги живлення і т.і.). Для виявлення того виходу ССФ 3, до якого слід приєднати один з входів фазового детектора 22 кільця АПФ, необхідно знати характеристику цього фазового детектора. Якщо фазовий детектор 22 має характеристику f(∆j)=-Ecos(∆j), де ∆j=j2-j1, j1, j2 - фази вхідних коливань, то стаціонарною точкою сталої рівноваги системи 7 27065 p , тому входи детектора 22 2 підключено в [3] до інформаційного 24 і квадратурного 27 виходу ССФ 3. На виходах ССФ 3 виділяються зсунуті одне відносно другого коливання частоти досліджуваної f m комбінаційної складової з частотою кч 0 , на синфазному виході ССФ 3 1 × Uc × cos 2 × p × fкч m0 t + jкч m0 , Uсинф. (t ) = 2 і на квадратурному виході 1 pù é U квад.5 (t ) = × U c × cos ê 2 × p × f кч m 0 t + j кч m 0 + ú 2û ë 2 АПФ є точка Dj = ( ) [ ( )] ( ) ( ) ( ) де присутність множника 1/ 2 зумовлена режимом ділення навпіл потужності тестового сигналу; Uсинф, Uквад - амплітуди вихідних коливань ( ) å (mi,0 - m -i,0 )× ji , j кч m 0 = ССФ 3; - фаза iÎN складової комбінаційної частоти на виході БНЕ 7, яка залежить тільки від початкових фаз гармонійних компонент тестового сигналу. Відгук НС 8 y(t) на тестовий сигнал являє собою суму комбінаційних складових, частоти яких зв'язані з частотами fi тестового сигналу формулою () fкч= fкч m= = å (mi, - m-i, ), N {1, 2,...,N}, iÎN визначається співвідношенням y (t ) = ( ) ( ) ×× ù 1 é× ×êa m0 × e j 2×p×fкч (m0 ) + a m0 × e - j 2×p×fкч (m0 )ú, 2 m0 2 ê ú ë û 1 ×å де присутність множника 1 / 2 зумовлена режимом ділення навпіл потужності тестового сигналу, а сумування проводиться по всіх індексних векторах m 0 що характеризують початковий гармонійний склад цього сигналу; ] ( ), × [ m = m1,0 - m -1,0 , m 2,0 - m -2,0 ,..., m N,0 - m - N,0 ; a m 0 комплексна амплітуда з визначається виразом [4] × ( ) a m0 = [(M-l ) / 2] å S= 0 21-l-2S. å частотою ( fкч, що ) () (mi +m -i ) l + 2S; m × H l +2S m × Õ Ui m =m 0 + K S iÎN K S = (k -N,...,k -1 , k 1,..., k N ) ( ) é ù × × exp ê j × å (mi,0 - m-i,0 ) × ji ú = a m0 × exp [j × f0 (m0 )], ë iÎN û де [(M-l)/2] - ціла частина виразу в дужках; М порядок БПФ досліджуваної НС; число доданків в сумі по векторах m визначається кількістю композицій цілого S з N цілих невід'ємних чисел і CS дорівнює S+ N-1 - числу сполучень з S+N-1 по S, l = å (mi,0 - m -i,0 ) порядок комбінаційної iÎN складової, (l + 2S;m) = (l + 2S )! /æ ç ç N ö Õ mk ! ÷ ÷ = -N ø èk ×× ( ) мультиноміальний коефіцієнт; a m0 - комплексно 8 спряжена величина для × ( ) a m0 ; æ ö × × ç ÷ Hl+ 2S m Hl+ 2S ç f1,..., f1, - f1,...,- f1, f2,..., f2, - f2,...,-f2, fN ,..., fN, - fN ,...,-fN ÷ = 1 3 1 24 123 1 24 1 23 14 4 2 4 3 4 4 4 3 4 4 2 3 ç m ÷ m -1 m2 m -2 mN m -N 1 è ø () ( ) комплексний j0 m0 = å (mi,0 - m-i,0 )× ji перетин БПФ; фаза комбінаційної iÎN складової, що зумовлена початковими фазами компонентів тестового сигналу fi ,i Î N ; Uі, fі, jі амплітуда, частота та початкова фаза і-ї гармонічної складової тестового сигналу. Залежно від положення перемикача 11 (Фіг.1) коливання з синфазного або квадратурного виходів подається на опорний вхід помножувача 10, на сигнальний вхід якого подається багаточастотний сигнал з виходу НС 8. В результаті на виході інтегратора 12 виділяється стала напруга, що фіксується вольтметром 13 ù é× Uсинф . 13 = 0,5 × K × Uопор .КЧ × Re êa m0 ú, ú ê û ë якщо опорне коливання помножувача 10 надходить з синфазного каналу ССФ 3, і ù é× Uвад .13 = 0,5 × K × Uопор .КЧ × Im êa m0 ú, ú ê û ë якщо опорне коливання помножувача 10 надходить з квадратурного каналу ССФ 3 (К відомий коефіцієнт передачі каскадного з'єднання - помножувач 10 - інтегратор 12). Після вимірів Uсинф13, Uквад13 визначається комплексна амплітуда коливання частоти fкч m(4) 0 (1) (2) ( ) ( ) ( ) на виході досліджуваної НС 8, фаза якого не залежить від початкових фаз гармонійних компонент тестового сигналу, а визначається її інерційними властивостями. За результатами проведення N вимірювань комплексної амплітуди складових відгуку обраного порядку складається система лінійних рівнянь, вирішення якої визначають усі перетини цієї БПФ [4]. Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що запропоноване технічне вирішення, яке заявляється, задовольняє критерію "Промислове застосування". Джерела інформації: 1. Авторское свидетельство СССР №586403, (5) МКВ G01R29/02. 1974. Устройство для измерения передаточных функций Вольтерра нелинейных четырехполюсников / Б.М. Богданович, В.П. Дорошев, С.С. Поздняк, Л.А. Черкас, А.И. Шакирин.(СССР); Опуб. 30.12.1977, Бюл. №48. 4с. 2. Авторское свидетельство СССР №1012157, МКВ G01R27/28. Устройство для измерения многомерных передаточных функций Вольтерра нелинейных систем / Б.И. Ивлев, С.Ю. Матвеев, В.Р. Снурницын (СССР); Опуб. 15.04.83, Бюл. №14. - 5с. 3. Авторское свидетельство СССР №1626199, МКВ5 G01R27/28. Устройство для измерения многомерных передаточных функций нелинейных систем / Б.И. Ивлев, С.Ю. Матвеев, В.Р. (3) 9 Снурницын, С.В. Трушин (СРСР); Опуб. 07.02.91, Бюл. №5. - 8с. 4. Ю.Д. Сверкунов. К измерению многомерных передаточных функций нелинейной системы. "Радиотехника", 1980, №2. - с.36-39. 27065 10