RU2247995C2 - Harmonic distortion digital meter - Google Patents
Harmonic distortion digital meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2247995C2 RU2247995C2 RU2003125943/28A RU2003125943A RU2247995C2 RU 2247995 C2 RU2247995 C2 RU 2247995C2 RU 2003125943/28 A RU2003125943/28 A RU 2003125943/28A RU 2003125943 A RU2003125943 A RU 2003125943A RU 2247995 C2 RU2247995 C2 RU 2247995C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- comparator
- meter
- inverter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Tests Of Electronic Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и позволяет оценивать наличие и степень гармонических искажений в усилительных трактах.The invention relates to the field of electro-radio measurements and allows to assess the presence and degree of harmonic distortion in the amplification paths.
В качестве прототипа выбрано классическое устройство для измерения гармонических искажений, содержащее генератор синусоидального сигнала, режекторный фильтр, два блока измерения среднеквадратических значений и блок измерения отношений, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора синусоидального сигнала, а тестовым входом служит вход режекторного фильтра, выход которого соединен с входом первого блока измерения среднеквадратических значений, выход которого соединен с первым входом блока измерения отношений, второй вход которого соединен с выходом второго блока измерения среднеквадратических значений, вход которого объединен с входом режекторного фильтра [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.384, рис.14.146].As a prototype, a classical device for measuring harmonic distortion is selected, which contains a sinusoidal signal generator, a notch filter, two RMS measurement units and a ratio measurement unit, the output of which is the information output of the device, the test output of which is the output of the sinusoidal signal generator, and the input is the input a notch filter, the output of which is connected to the input of the first unit for measuring rms values, the output of which is connected with the first input of the relationship measuring unit, the second input of which is connected to the output of the second rms value measuring unit, the input of which is combined with the input of the notch filter [Meizda F. Electronic measuring instruments and measurement methods: Trans. from English - M .: Mir, 1990, p. 384, fig. 14.146].
Измеритель-прототип служит для приближенного вычисления коэффициента гармоник Кг, выражаемого в данном случае как отношение среднеквадратического значения высших гармоник к среднеквадратическому значению всего сигналаThe prototype meter is used for approximate calculation of the harmonic coefficient K g , expressed in this case as the ratio of the rms value of the higher harmonics to the rms value of the entire signal
где U1, U2,... Ul - амплитуды гармоник.where U 1 , U 2 , ... U l are the harmonics amplitudes.
Известно, что вычисление среднеквадратических значений сигналов несинусоидальной формы в относительно широком динамическом диапазоне приводит к построению достаточно сложных преобразователей, независимо от того, в аналоговом или цифровом базисе реализуется измеритель. Безусловно, эта особенность прототипа является его существенным недостатком, так как аппаратурное усложнение снижает надежность и повышает стоимость измерителей. Причем последний фактор ограничивает их широкое применение. Другим недостатком прототипа является необходимость удаления основной гармоники. От эффективности выполнения этой операции, как несложно убедиться из вышеприведенной формулы, зависит точность вычислений коэффициента гармоник Кг. Важно, чтобы применяемый для этих целей режекторный фильтр не ослаблял соседние гармоники, как правило значительно меньшие по амплитуде, чем основная гармоника.It is known that the calculation of the rms values of non-sinusoidal signals in a relatively wide dynamic range leads to the construction of fairly complex converters, regardless of whether the meter is implemented in an analog or digital basis. Of course, this feature of the prototype is its significant drawback, since hardware complication reduces reliability and increases the cost of meters. Moreover, the latter factor limits their widespread use. Another disadvantage of the prototype is the need to remove the fundamental harmonic. The accuracy of calculating the harmonic coefficient K g depends on the efficiency of this operation, as it is easy to verify from the above formula. It is important that the notch filter used for these purposes does not attenuate neighboring harmonics, which are usually much smaller in amplitude than the fundamental.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит, главным образом, в упрощении измерителя.The technical result achieved by using the present invention consists mainly in simplifying the meter.
Технический результат достигается тем, что цифровой измеритель гармонических искажений, содержащий генератор синусоидального сигнала, выход которого является тестовым выходом измерителя, согласно изобретению дополнительно содержит компаратор, два блока измерения временных интервалов и инвертор, вход которого соединен с выходом компаратора, сигнальный вход которого является тестовым входом измерителя, вход опорного напряжения компаратора соединен с общей шиной, информационные входы первого и второго блоков измерения временных интервалов подключены соответственно к выходу компаратора и к выходу инвертора, разрешающие входы блоков измерения временных интервалов объединены и составляют стробирующий вход измерителя, выходы блоков измерения временных интервалов являются информационными выходами измерителя.The technical result is achieved in that a digital harmonic distortion meter containing a sinusoidal signal generator, the output of which is the test output of the meter, according to the invention further comprises a comparator, two time interval measurement units and an inverter, the input of which is connected to the output of the comparator, the signal input of which is a test input meter, the input of the reference voltage of the comparator is connected to a common bus, the information inputs of the first and second blocks for measuring time int vomited respectively connected to the output of the comparator and to the output of the inverter, permitting inputs timeslots measuring units incorporated in and constitute a strobe input of the meter, the outputs of the measurement unit time slots are information meter outputs.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показаны графики, иллюстрирующие принцип оценки гармонических искажений, а на фиг.2 - функциональная схема цифрового измерителя гармонических искажений.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows graphs illustrating the principle of harmonic distortion estimation, and figure 2 is a functional diagram of a digital harmonic distortion meter.
Графики по фиг.1 содержат переменную составляющую uвх(t) входного синусоидального сигнала, выполняющего функции тестового, а также переменную составляющую uвых(t) сигнала с выхода нелинейного тракта. Временные параметры Δ t1 и Δ t2 являются длительностями соответственно положительной и отрицательной полуволн сигнала uвых(t).The graphs of Figure 1 contain a variable component Rin u (t) of the input sinusoidal signal, performing a function test, and a variable component u O (t) signal output from the nonlinear path. The time parameters Δ t 1 and Δ t 2 are the durations of the positive and negative half-waves of the signal u out (t), respectively.
Функциональная схема (фиг.2) цифрового измерителя гармонических искажений состоит из генератора 1 синусоидального сигнала, компаратора 2, блоков 3 и 4 измерения временных интервалов, инвертора 5 и тестируемого усилителя 6 с нагрузкой RL. Выход генератора 1 является тестовым выходом измерителя, тестовым входом которого является сигнальный вход компаратора 2, выход которого соединен с входом инвертора 5, вход опорного напряжения компаратора соединен с общей шиной, информационные входы блоков 3 и 4 соединены соответственно с выходом компаратора 2 и выходом инвертора 5, разрешающие входы блоков 3 и 4 объединены и составляют стробирующий вход Е измерителя, а тактовые входы блоков 3 и 4 образуют тактовый вход CLK измерителя, выходы блоков 3 и 4 являются информационными выходами измерителя.Functional diagram (figure 2) of a digital harmonic distortion meter consists of a sinusoidal signal generator 1, a comparator 2, time interval measurement blocks 3 and 4, an inverter 5, and a test amplifier 6 with a load R L. The output of the generator 1 is the test output of the meter, the test input of which is the signal input of the comparator 2, the output of which is connected to the input of the inverter 5, the input of the reference voltage of the comparator is connected to a common bus, the information inputs of blocks 3 and 4 are connected respectively to the output of the comparator 2 and the output of the inverter 5 , the enable inputs of blocks 3 and 4 are combined to form the gate input E of the meter, and the clock inputs of blocks 3 and 4 form the clock input CLK of the meter, the outputs of blocks 3 and 4 are information outputs of the meter body.
В свою очередь, блок 3 (4) измерения временных интервалов состоит из элемента И 3-1 (4-1) и счетчика 3-2 (4-2), счетный вход “+1” которого соединен с выходом элемента И 3-1 (4-1).In turn, block 3 (4) measuring time intervals consists of an element And 3-1 (4-1) and a counter 3-2 (4-2), the counting input “+1” of which is connected to the output of the element And 3-1 (4-1).
В основе функционирования измерителя лежит метод, суть которого состоит в следующем.The operation of the meter is based on a method, the essence of which is as follows.
При воздействии синусоидального сигнала на нелинейный четырехполюсник различные участки сигнала uвх(t) усиливаются по-разному в зависимости от того, как меняется крутизна передаточной характеристики четырехполюсника. В частности, положительная и отрицательная полуволны входного воздействия uвх(t) будут усиливаться по-разному, если передаточная характеристика имеет вид монотонной нелинейной функции. После выделения переменной составляющей реакция uвых(t) четырехполюсника будет представлять собой периодический сигнал, положительная и отрицательная полуволны которого имеют различные длительности, зависящие от характера нелинейности четырехполюсника. На фиг.1 показан пример прохождения синусоидального сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой 0,15 В устройства, передаточная характеристика u=f(uвх) которого может быть представлена разложением в ряд Тейлора относительно рабочей точки u0 и ограниченного первыми тремя членамиWhen a sinusoidal signal acts on a nonlinear four-terminal network, various sections of the signal u in (t) amplify differently depending on how the steepness of the transfer characteristic of the four-terminal network changes. In particular, the positive and negative half-waves of the input action u in (t) will be amplified differently if the transfer characteristic has the form of a monotonic nonlinear function. After isolating the variable component, the reaction u out (t) of the four-terminal network will be a periodic signal, the positive and negative half-waves of which have different durations, depending on the nature of the nonlinearity of the four-terminal network. Figure 1 shows an example of the passage of a sinusoidal signal with a frequency of 1 kHz and an amplitude of 0.15 V device, the transfer characteristic u = f (u I ) which can be represented by expanding in a Taylor series relative to the operating point u 0 and limited by the first three members
u(t)=0,4+4(uвх(t)-u0)+11,55(uвх(t)-u0)2 u (t) = 0.4 + 4 (u in (t) -u 0 ) +11.55 (u in (t) -u 0 ) 2
По результату uвх(t), графический вид которого представлен на фиг, 1, несложно понять, что длительности положительной Δ t1 и отрицательной Δ t2 составляющих реакций четырехполюсника действительно отличаются. Причем моделирование различных характеристик нелинейностей путем изменения коэффициента перед квадратичным членом вышеприведенного полинома показало наличие строгой взаимосвязи между степенью нелинейности передаточной характеристики и разностью |Δ t1-Δ t2|, которая становится тем больше, чем ярче выражена нелинейность передаточной характеристики.According to the result u in (t), the graphical form of which is shown in FIG. 1, it is easy to understand that the durations of the positive Δ t 1 and negative Δ t 2 components of the quadripole reactions really differ. Moreover, modeling various characteristics of non-linearities by changing the coefficient in front of the quadratic term of the above polynomial showed a strict relationship between the degree of non-linearity of the transfer characteristic and the difference | Δ t 1 -Δ t 2 |, which becomes the greater, the more pronounced the non-linearity of the transfer characteristic.
Из вышеизложенного следует вывод, что числовым показателем гармонических искажений может быть величина, показывающая, как отличаются друг от друга длительности положительной Δ t1 и отрицательной Δ t2 полуволн сигнала после нелинейного преобразования при условии, что исходным является гармонический процесс с постоянной амплитудой, частотой и фазой. Значит, в качестве практически применимого параметра может быть как модуль разности δ s=| Δ t1-Δ t2| (1), так и отношениеFrom the foregoing, it follows that a numerical indicator of harmonic distortions can be a value that shows how the durations of the positive Δ t 1 and negative Δ t 2 half-waves of the signal after non-linear conversion differ from each other, provided that the harmonic process with a constant amplitude, frequency and phase. Hence, as a practically applicable parameter, it can be as the modulus of the difference δ s = | Δ t 1 -Δ t 2 | (1) and the ratio
, ,
либо относительное отклонениеeither relative deviation
Таким образом, измеритель гармонических искажений должен измерять величины Δ t1 и Δ t2 как определяющие переменные для последующих несложных вычислений (1)-(3).Thus, the harmonic distortion meter should measure Δ t 1 and Δ t 2 as the determining variables for subsequent simple calculations (1) - (3).
Из функциональной схемы (фиг.2) измерителя гармонических искажений видно, что тестовый синусоидальный сигнал с выхода генератора 1, пройдя тестируемый усилитель 6, поступает на сигнальный вход компаратора 2, предназначенного для формирования прямоугольных импульсов с амплитудой, соответствующей логическому уровню “1”. Длительности полученных импульсов будут равны длительностям Δ t1 положительных составляющих выходного процесса, а паузы между ними - длительностям Δ t2 отрицательных составляющих. Для выделения пауз служит инвертор 5. В результате на информационный вход блока 3 поступают импульсы длительностью Δ t1, а на аналогичный вход блока 4 - длительностью Δ t2. Начало и продолжительность процесса измерений задаются по стробирующему входу Е. Длительность τ строб-импульса на входе Е должна быть кратной периоду T тестового сигнала uвх(t), то есть выбираться из условияFrom the functional diagram (figure 2) of the harmonic distortion meter it is seen that the test sinusoidal signal from the output of the generator 1, passing the tested amplifier 6, is fed to the signal input of the comparator 2, intended for the formation of rectangular pulses with an amplitude corresponding to a logical level of “1”. The durations of the received pulses will be equal to the durations Δ t 1 of the positive components of the output process, and the pauses between them - the durations Δ t 2 of the negative components. An inverter 5 is used to isolate pauses. As a result, pulses of Δ t 1 duration are supplied to the information input of block 3, and Δ t 2 of duration to a similar input of block 4. The beginning and duration of the measurement process are specified by the gate input E. The duration τ of the strobe pulse at input E must be a multiple of the period T of the test signal u in (t), i.e., selected from the condition
τ =nT, n=1, 2,... , N.τ = nT, n = 1, 2, ..., N.
В этом случае будет зафиксировано равное количество положительных и отрицательных полуволн.In this case, an equal number of positive and negative half-waves will be recorded.
Для снижения погрешности измерений оценку параметров Δ t1 и Δ t2 на практике следует проводить не за один период Т, а за время, равное многим периодам. Полученные при этом на выходах счетчиков 3-2 и 4-2 (выходов блоков 3 и 4) соответствующие им суммыTo reduce the measurement error, the estimation of the parameters Δ t 1 and Δ t 2 in practice should be carried out not for one period T, but for a time equal to many periods. The sums obtained at the same time at the outputs of counters 3-2 and 4-2 (outputs of blocks 3 and 4)
могут быть использованы как для вычисления средних значенийcan be used both to calculate averages
так и для непосредственного вычисления параметров δ s, δ D или δ . В первом случае в формулы (1)-(3) подставляют значения (вместо Δ t1 и Δ t2), а во втором - непосредственно суммы S1, S2.and for the direct calculation of the parameters δ s , δ D or δ. In the first case, the values are substituted into formulas (1) - (3) (instead of Δ t 1 and Δ t 2 ), and in the second - directly the sum of S 1 , S 2 .
Введение в формулы (1)-(3) суммарных длительностей позволяет понизить относительную погрешность измерений, вызванную дискретизацией, за счет удлинения измеряемого временного интервала. Однако, несложно понять, что в этом случае применение формул (1)-(3) позволит вычислять уже не разность длительностей разнополярных составляющих, их отношение или относительное отклонение, а разность суммарных длительностей, отношение суммарных длительностей и соответственно относительное отклонение суммарных длительностей. При этом для сопоставимости результатов полученных на различных устройствах реализующих вышеописанный принцип потребуется ввести единый исходный параметр: суммарную длительность полуволн одного знака, полученную за строго фиксированное количество периодов тестового сигнала, частота которого не меняется и также принимается за единую.The introduction of the total durations into formulas (1) - (3) allows one to reduce the relative measurement error caused by discretization due to lengthening the measured time interval. However, it is easy to understand that in this case the application of formulas (1) - (3) will allow us to calculate not the difference in durations of the bipolar components, their ratio or relative deviation, but the difference in total durations, the ratio of total durations and, accordingly, the relative deviation of the total durations. Moreover, for comparability of the results obtained on various devices that implement the above-described principle, it will be necessary to introduce a single initial parameter: the total half-wave duration of one sign obtained for a strictly fixed number of periods of the test signal, the frequency of which does not change and is also taken as a single one.
Возвращаясь к функциональной схеме измерителя (фиг.2), отметим, что связь тестируемого усилителя 6 с сигнальным входом компаратора 2 должна быть только по переменному току. Поэтому, если в схеме тестируемого устройства, подключаемого к измерителю, не предусмотрено подключение нагрузки через разделительный конденсатор, то его необходимо включить в цепь между выходом тестируемого устройства (например, усилителя 6) и сигнальным входом компаратора 2.Returning to the functional diagram of the meter (figure 2), we note that the connection of the tested amplifier 6 with the signal input of the comparator 2 should be only for alternating current. Therefore, if the load of the device through the isolation capacitor is not provided in the circuit of the device under test, it must be included in the circuit between the output of the device under test (for example, amplifier 6) and the signal input of comparator 2.
Представленное устройство (фиг.2) имеет следующие преимущества перед прототипом:The presented device (figure 2) has the following advantages over the prototype:
- измеритель функционально прост и при построении не требует больших аппаратурных затрат;- the meter is functionally simple and does not require large hardware costs during construction;
- операции над выходным сигналом, содержащие информативные составляющие (высшие гармоники), совершаются только во временной области, что позволяет использовать сугубо цифровую обработку;- operations on the output signal containing informative components (higher harmonics) are performed only in the time domain, which allows the use of purely digital processing;
- повышение точности измерений достигается общеизвестными и достаточно простыми способами, предусматривающими повышение частоты дискретизации (если позволяет элементная база) и уменьшение относительной погрешности.- improving the accuracy of measurements is achieved by well-known and fairly simple methods, providing for an increase in the sampling frequency (if the elemental base allows) and a decrease in the relative error.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003125943/28A RU2247995C2 (en) | 2003-08-26 | 2003-08-26 | Harmonic distortion digital meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003125943/28A RU2247995C2 (en) | 2003-08-26 | 2003-08-26 | Harmonic distortion digital meter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003125943A RU2003125943A (en) | 2004-03-10 |
RU2247995C2 true RU2247995C2 (en) | 2005-03-10 |
Family
ID=35365008
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003125943/28A RU2247995C2 (en) | 2003-08-26 | 2003-08-26 | Harmonic distortion digital meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2247995C2 (en) |
-
2003
- 2003-08-26 RU RU2003125943/28A patent/RU2247995C2/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы испытаний, Москва, "Миро", 1990, стр.383-388. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003125943A (en) | 2004-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110632387A (en) | A Harmonic Voltage Measurement Method Based on AC Quantum Voltage | |
KR20090031211A (en) | Method and apparatus for measuring amplitude of periodic signal and test method and apparatus for magnetic head | |
JP3234339B2 (en) | Power measuring apparatus and method | |
Husimi et al. | Time‐domain measurement of dielectric dispersion as a response to pseudorandom noise | |
CN100462725C (en) | Electric power meter | |
Nuccio et al. | Assessment of virtual instruments measurement uncertainty | |
RU2247995C2 (en) | Harmonic distortion digital meter | |
Souders et al. | Characterization of a sampling voltage tracker for measuring fast, repetitive signals | |
US6469492B1 (en) | Precision RMS measurement | |
JP3045759B2 (en) | Settling characteristics measurement method | |
RU2244314C2 (en) | Method for statistical evaluation of nonlinear distortions and device for realization of said method | |
RU2247996C2 (en) | Harmonic distortion digital meter (versions) | |
RU2247997C2 (en) | Random signals nonlinear distortion meter | |
US9759751B1 (en) | Line cycle correlated spectral analysis for power measurement systems | |
JP3445521B2 (en) | Electromagnetic flow meter | |
RU2267793C2 (en) | Method and device for estimating harmonic distortions (versions) | |
RU2235336C1 (en) | Uhf power measuring device | |
Bekirov et al. | Real time processing of the phase shift and the frequency by voltage signal conversion into the sequence of rectangular pulses | |
JP3119149B2 (en) | Feedback type pulse width modulation A / D converter | |
JP3969576B2 (en) | Electromagnetic flow meter | |
RU2255342C2 (en) | Non-linear distortions estimation calculator | |
RU2236018C1 (en) | Transmission gain digital meter | |
SU1404973A1 (en) | Mean-value digital phase meter | |
RU2255343C2 (en) | Group delay time measuring unit | |
JPH02161368A (en) | Partial discharge measurement method |