точностью, затем ключ Кл размыкается и на вход подается полигар монический сигнал Uх (t); с помощью общего калиброванного аттеню атора отклонение выходного прибора устанавливается равным 100 делениям шкалы. Затем ключ Кл замыкается и на сумматор подается напряжение выпрямленного второго сигнала в полярности, противо положной первому. Разностный сигнал интегрируется и измеряется стрелочным прибором. При этом показания прибора выражаются
впроцентах:
A U = и^-и* ю о % = 10\~и* Ю0% = ( 1 0 0 - и2) %.
Точность подобных измерителей достигает 0 , 0 1 % .
а
Преобразо ватель — частоты
Г°теродин fr=var
Г°нератор
развертки
Рис. 169.
При наличии помех выделение сигнала, помимо частотных фильт ров, может быть осуществлено с помощью временных фильтров, выполняемых в виде взаимно-корреляционных устройств, в которых в качестве опорного сигнала используется одна из гармоник.
В ы д е л е н и е п о л и г а р м о н и ч е с к о г о с и г н а л а в ц е л о м . Для выделения полигармонического сигнала в целом на фоне шумов и помех могут быть использованы рассмотренные выше гребенчатые фильтры, точно настроенные на все гармонические составляющие сигнала и вносящие одинаковый фазовый сдвиг на всех частотах. Кроме того, при малых уровнях помех могут при меняться линейные сглаживающие фильтры. Если использовать автокорреляторы и взаимно-корреляторы, то произойдет искажение формы выделенного сигнала, так как при этом все составляющие приводятся к нулевой фазе.
Наилучшие результаты получаются при использовании метода накопления. На рис. 170, а показана функциональная схема нако пительного устройства с магнитной записью. Работа накопитель
ного |
устройства происходит следующим образом. |
Входной |
сигнал |
х (t) |
= |
С (t) + Шх it) усиливается |
и записывается |
на |
первую до |
рожку |
магнитного барабана. Запись ведется в течение одного обо |
рота, |
|
совершающегося за строго |
заданное время At^z |
Т, |
которое |
|
|
Ряс. 170. |
больше или |
равно периоду |
сигнала. Как только сделана запись |
на первую |
дорожку, первая |
записывающая головка отключается |
и производится запись на вторую дорожку, затем на третью и т. д.,
пока на всех дорожках не будут записаны сигналы |
С (t) |
+ Шх |
(t); |
С (t) + Шг (*); С (t) + Ш3 (*); . . .; С (t) + Шп (t). |
После |
этого |
все |
сигналы одновременно воспроизводятся, суммируются в сумматоре, обозначенном на блок-схеме символом ^ > и образуют сигнал Х% (t), который через оптимальный сглаживающий фильтр поступает на выход.
На рис. 170, б приведена схема несколько иного накопителя — с использованием линии задержки, в качестве которой может также использоваться магнитный барабан. Если время задержки точно равно периоду сигнала, то каждый период задержанного сигнала складывается строго синфазно с каждым периодом входного сигнала
[U(T) + U(2T)]; {[U(T)+U(2T)] + U(3T)}.
Накопление можно осуществлять и в дискретной форме. В част ности на рис. 170, в приведена функциональная схема простейшего четырехканального конденсаторного накопителя. Период комму тации (время оборота ротора шагового искателя) точно равен периоду сигнала. Поэтому на каждом конденсаторе происходит накопление вполне определенного участка сигнала. Если напряжение со всех накопителей (а их должно быть достаточно много в соответствии с теоремой Котельникова) просуммировать синхронным сумматором,
mj,
|
|
Умножитель |
АВтокомпа- |
|
|
|
В т раз |
|
ратор |
|
|
|
|
|
Фазометр |
Индика |
|
|
|
|
тор |
|
|
|
|
|
|
|
Фазокор- |
Автокомпа |
|
|
|
ректор |
|
ратор |
|
|
|
т/, |
|
|
|
$incjrt |
|
|
|
|
sin За/,t |
у\ у\ у\ \ |
V |
\ |
at |
/ |
\1 V |
V |
\У' |
|
|
П |
at |
|
|
|
|
т р п п |
|
|
г, |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
171. |
|
то будет выделен полезный сигнал. При этом могут быть использо ваны и сигналы с отдельных накопителей для исследования пара метров отдельных участков сигнала. В некоторых случаях исполь зуются одноканальные накопители — для выделения только одного участка сигнала (или нескольких, если время включения накопи теля может изменяться).
И з м е р е н и е с п е к т р а ф а з . При измерении спектра фаз полигармонического сигнала фаза первой гармоники обычно принимается равной нулю и относительно нее производятся измере ния. При этом для определенности измерений обычно приводят обе
частоты к одной. Пусть, например, |
имеются |
два |
сигнала |
U1(t) = |
= U1 sin СО]^ и Um |
(t) = Um sin (та^ |
- f cpm). |
Можно |
умножить |
частоту |
основного |
колебания |
в |
т |
раз: |
U[ (t) = U[ sin (mcojO, |
при этом |
измеряемый фазовый |
сдвиг |
Дер = |
срт . |
Функциональная |
схема устройства для измерения фазовых сдвигов т гармоники с умножителем частоты основной гармоники приведена на .рис. 171, а.
В схеме избирательные усилители Кх и К2 настроены на частоты
/ х и mf1, |
а собственный фазовый |
сдвиг в них скомпенсирован фазо |
вым корректором. В качестве |
фазометра может |
быть применен |
любой из |
рассмотренных выше, |
в зависимости от |
требуемой точ |
ности. Вполне очевидно, что частоту mf1 можно привести к основной путем деления в т раз. При этом измеряемый фазовый сдвиг умень
шается в |
то раз ^ Д ф = 5 ^ и |
может |
|
появиться |
дополнительный |
|
(Афдоп = |
180° |
|
9 0 е |
|
|
4 5 ° |
\ |
|
выполнен |
±— |
± |
j ^ |
r |
2 |
± ^Г=з ± ' - |
• ) ' е |
с л и Д е л и т е л ь |
на двоичных |
триггерах |
и |
не |
предусмотрено |
устройство |
сброса всех триггеров в одинаковое нулевое состояние.
В общем случае, если используется электронно-счетный фазо метр, являющийся, в сущности, измерителем временных интервалов, приведение частот производить не обязательно. На рис. 1 7 1 , б
|
fit*'-') |
Разометт |
|
|
Умножи |
|
Л Втоком- |
тель |
|
паратор |
(m.i) |
|
|
|
Рис. 172. |
|
|
показаны диаграммы работы фазометра без приведения частот, из
которых следует, |
что электронно-счетный |
фазометр |
будет произво- |
дить |
измерения |
v |
A |
At |
= |
1 |
|
фазового сдвига |
Дф = |
I 1 |
-5-фз! отнесенного |
|
|
|
|
|
о |
|
к периоду первой гармоники. Если бы частоты |
были сведены к верх |
ней, |
то измерялся |
бы фазовый сдвиг |
ф 3 , отнесенный |
к периоду Т3. |
Поэтому приведение частот в электронно-счетных фазометрах подоб ного типа применяется весьма редко и только тогда, когда измеря емые углы малы.
Для упрощения фазометра (или повышения точности) при изме рении малых фазовых сдвигов между когерентными сигналами раз ных частот применяется умножение частоты с одновременным при ведением к одной частоте обоих сигналов. Например, пусть имеется двухчастотный сигнал U (t) = V\ sin ( c o 1 f + ф х ) + U2 sin (тосо^ - f
+ф а ) . Если этот сигнал усилить с помощью нелинейного усилителя
(рис. 172), то в выходном сигнале будет иметься составляющая
k± |
[sin |
( с о ^ + ф х ) |
X sin ( т о с о ^ |
+ |
ф 2 ) ] |
= к2 |
[cos {сох |
(т |
— i)t + |
+ |
ф 2 — |
ф-J — cos |
{<»! (то + i)t |
+ |
ф 2 + |
Ф1} 1- |
Если |
у |
составляю |
щей с суммарной частотой умножить частоту в (то — 1) раз, а у со
ставляющей с разностной частотой — в |
(то + 1) раз, |
то на |
входах |
автокомпараторов |
будем иметь |
сигналы |
/c3cos [со^то2 |
— i)t |
+ |
(то |
+ |
+ ! ) |
(фг — |
Ф1Н и |
— h |
cos [ « ! |
(то2 — |
l)t |
+ (то — 1) ( ф 2 + <рх)] |
с |
од |
ной |
и той |
же частотой |
coj (то2 |
— 1). |
Инвертировав |
фазу |
сигнала |
с суммарной частотой на 180° и измерив фазовый сдвиг между сигна
лами, получим Аф = 2(/жр1 — |
ф2 ). |
И з м е р е н и е г р у п п о в о г о в р е м е н и з а п а з д ы - |
в а н и я. Абсолютное время запаздывания полигармонического сигнала при прохождении его через какое-либо устройство (или среду) является параметром, характеризующим скорость распрост ранения, и часто возникает необходимость его измерения. Кроме того, часто возникает задача измерения временного интервала между отдельными элементами сложного сигнала. Первая задача решается относительно просто: в моменты переходов опорного и измеряемого
Рис. 173.
сигналов через нулевые значения с помощью формирователей гене рируются импульсы, которые затем подаются на триггер. Длитель ность импульса на выходе триггера равна времени запаздывания переднего фронта сигнала и может быть измерена с высокой сте пенью точности, например с помощью стандартной электронно-счет ной схемы, используемой в фазометрах (рис. 171, б). Для измерения временного интервала между отдельными моментами сигнала необ ходимо в эти моменты сформировать импульсы, запустить ими триг гер и измерить длительность импульса на его выходе. Это может быть сделано с помощью электронно-лучевого осциллографа с калибро ванной разверткой.
§ 103. Измерение параметров непериодических сигналов
Основными параметрами непериодического сигнала является его спектральная плотность, вид отображающей временной функции (его форма), длительность, момент появления, максимальная величина
(амплитуда). Измерение параметров однократных (непериодических) сигналов является сложной задачей, особенно в присутствии помех, поскольку время их существования ограничено, а спектр непреры вен, простирается от нуля до бесконечности и, как правило, отобра жается плавно изменяющейся функцией.
И з м е р е н и е а м п л и т у д ы . Если сигнал не осложнен помехами и шумами, то измерение его максимального значения про изводится обычным амплитудным вольтметром. Если необходимо измерение амплитуд текущих значений сигнала, то он может быть преобразован в цифровую форму и заполнен в цифровом регистра торе. В простейшем случае это может быть сделано с помощью дис кретного накопителя с коммутатором (см. рис. 170, в).
Сигнал может быть записан также с помощью шлейфового или электронно-лучевого осциллографа или магнитофона и затем обра ботан по любой программе, поскольку записанный однократный сиг нал может воспроизводиться многократно с любым изменением мас штаба времени (и частот) и может быть преобразован даже в квази периодический сигнал (например, при записи на магнитный барабан).
Для выделения однократного сигнала на фоне относительно сла бых помех может быть применена линейная оптимальная фильтра
ция, если известны спектры сигнала и помех. |
|
И з м е р е н и е |
с п е к т р а л ь н о й |
п л о т н о с т и . |
Осо |
бенностью спектра непериодического сигнала является то, что он отображает частотное распределение не амплитуды, как в случае периодического сигнала, а спектральной плотности амплитуд. Дей ствительно, однократный сигнал отображается в виде интеграла Фурье
т. е. представляется в виде бесконечной суммы бесконечно малых гармонических составляющих
d [х {t)\ = dUe'at |
= -^Sx |
(/со) e ' w < dot, |
где — Sx (/со) da> = U — является |
амплитудой. |
Откуда |
|
|
5 * 0 ( ° ) = = - л Г = - 5 Г » |
в / щ - |
Таким образом, для измерения спектральной плотности одно кратного сигнала необходимо с помощью фильтров выделить и за тем измерить амплитуду спектральных составляющих на всех часто тах, а результаты измерений отнести к ширине полосы пропускания фильтров. При этом измерения должны проводиться одновременно на всех частотах, поскольку сигнал непериодический, вследствие
