Способ измерения малых интервалов времени

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ, основанный/ на исл . пользовании вспомЬ атедьного - риодичёского сигнЕша, оэ л и чающий с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения , формируют из непрерывного вспомогательного периодического сигнала сдвинутый по фазе на 90 сигнал , запоминают и определяют значе- i ния вспомогательного и сдвинутого ; сигналов в моменты времени, соотввтствуюпще начсшу и концу измеряемого интервала времени, вычисляют значения фазы вспомогательного сигнала, соответствуюи ие згшомненным значениям вспомогательного и сдвинутого сигналов, и по разности вычисленных значений фазы вспомогательного сигнала определяют значение измеряемогр интервала времени.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(5П G 01 R 25 .00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О ПОКРЫТИЙ (21) 3455907/18-21 (22) 22.06 ° 82 (46) 30.11.83. Бюл. Р 44 (72) A.C.Èèëêîâñêèé (53) 621. 317, 772 (088. 8) (56) 1. Мирский Г.Я. Измерейие временных интервалов. М.-Л., "Энергия",.

1964, с. 50-52.

2..Рехин Е.И. и др. Измерение интервалов времени в экспериментальной физике. М., Атомиздат, 1967, с. 257 263. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИАЛЦХ

ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕЫИ оснОванный На ис, пользовании вспомогательного периодического сигнала, о т л и ч а ю

««>SU«» А шийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, формируют из непрерывного вспомогательного периодического сиг нала сдвинутый по фазе на 900 сигнал, запоминают и определяют значе-:; ния вспомогательного и сдвинутого сигналов в моменты времени, соответствуыцие началу и концу измеряемого интервала времени, вычисляют значения фазы-вспомогательного сигнала, соответствующие. запомненным значениям вспомогательного и сдвинутого сигналов, и по разности вычисленных значений фазы вспомогательного сигнала..определяют значение измеряемого интервала времени.

1057875

Изобретение отнес. тся к измерительной технике и может быть использовано при создании измерителей однократных и периодических наносекундных временных интервалов.

Известен способ измерения временных интервалов путем прямого счета, в соответствии с которым измеряемый интервал времени квантуется в реальном масштабе времени последовательностью счетных импульсов t1) .

Недостатками укаэанного способа являются низкая разрешающая способность и точность измерения интервалов времени, ограниченная значением периода счетных импульсов. 15

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является верньерный радиочастотный способ измерения интервалов времени, при котором возбуждают два источйика gp вспомогательных колебаний с близкими значениями частот в моменты вреглени, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени, формируют суммарный сигнал путем смешивания g5 возбуждаемых колебаний и измеряют интервал времени между стартовым импульсом и моментом времени, при котором фаза огибающей суммарного сигнала достигнет нулевого значения (2) .

Однако укаэанный способ характеризуется недостаточно высоким быстродействием и низкой точностью измерения наносекундных интервалов време-! ни.

Цель изобретения — повышение быст-. родействия и точности измерения наносекундных интервалов времени.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения малых наносекундных интервалов времени, 40 основанному на использовании вспомогательного периодического сигнала, сдвинутый по фазе на 900 сигнал, запоминают и определяют значения вспоглогательного и сдвинутого сигна- 45 лов в моменты времени, соответствующие началу .и концу .измеряемого интервала времени, вычисляют значения фазы вспомогательного сигнала, соответствующие запомненным значениям 5р вспомогательного и сдвинутого сигна лов, и по разности вычисленных значений фазы вспоглогательного сигнала определяют значение измеряемого интервала времени. 55

На чертеже представлена блок;схема устройства, реализующего способ.

Сущность способа заключается в том, что значению измеряемого интервала времени определяют как часть из fp вестного значения периода непрерывного высокостабильного вспомогатель ного сигнала.

Для этого формируют непрерывный ,высокостабильный периодический сиг- 65 нал, а также сигнал, находящийся с нигл в квадратуре, запоминают и опре деляют их мгновенные значения в моменты времени, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени. По запомненным мгновенным значениям квадратурных сигналов вычисляют соответствуюцие им значения фазы вспомогательного сигнала в укаэанные моменты времени. При значении длительности измеряемого интервала времени, не превышаюцем значения периода вспоглогательного сигнала, вычисленная разность значений фазы вспомогательного сигнала однозначно соответствует значению.изглеряемого интервала времени

%-%

gq где и cp< — значения фазы вспомогательного сигнала в моменты времени, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени;

Т вЂ” значение периода вспомогатель ного сигнала.

Способ позволяет реализовать более высокое быстродействие по сравнению с известным способом благодаря использованию для измерения одного периода сформированного сигнала. Вре-, мя измерения интервала времени состав" ляет

wave cap где Т - период вспоглогательного сигйа. ла

Тд — время обработки, необходимое для определения запомнечных значений сигналов, вычисления значений фазы вспомогательного сигнала и разности значений фаз вспомогательного сигнала.

Время обработки можно сделать не превышающим нескольких десятков наносекунд, так как операции определения запомненных значений сигналов и вычисления: значений фазы вспомогательного сигнала могут быть выполнены устройствами параллельного сравнения, имеющими один такт работы.

Запоминание мгновенных значений квадратурных сигналов в способе иэ мерения малых интервалов времени может быть осуществлено с высокой точностью в динамическом диапазоне от милливольт до вольт при значениях частоты вспомогательного и дополнительного сигналов, достигающих единиц гигагерц аналоговыми запоминающими устройствами, например, используемым для стробоскопического преобразования частоты. При этом выборки квадратурных сигналов могут быть произведены в течение интервала

1057875

Составитель С.Морозов

Редактор N.Òêà÷ Техред С. Легеэа КоРректор Г.Решетник

Заказ 9580/48 Тираж 710 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,. Москва, )Х-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 времени Я с 0,1 нс. Операция опре= деления запомненных значений квадратурных сигналов может быть осуществлена аналого-цифровыми преобразователями с погрешностью, меньшей

0,1%. Операции вычисления значения фазы вспомогательного сигнала по запомненным мгновенным значениям его квадратурных составляющих и вычитания вычисленных значений фазы вспомогательного сигнала могут быть осуществлены цифровыми устройствами с высокой точностью, соответствующей . точности аналого-цифровых преобразователей. 90 -ный сдвиг квадратурных сигналов может быть обеспечен фазо- 15 вращателем на фиксированной частоте с погрешностью, не превышающей сотых долей градуса.

При реальных значениях погрешнос- 20 тей запоминания и определения мгновенных значений квадратурных сигналов возможно вычисление по ним значения фазы сигнала с погрешностью

6V 0,1О. Это позволяет измерять интервалы времени при длительности периода вспомогательного сигнала, например, T=10 нс (f =100 МГц) согласно (Ц с основной погрешностью

30 с -- — ° 10 нс, — 2 78 пс.

- 3600

Устройство содержит высокостабиль:,ный генератор 1, подключенный к ана- ..35

:логовым запоминающим блокам 2 и 3 непосредственно, а к аналого-запоминающим блокам 4 и 5 через фазовращатель 6 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 7-10, входы которых под-40 ключены к выходам аналоговых запоминающих блоков 4, 2, 3 и 5 соответст венно, а выходы AUII 7 и -8 подключе,ны к входам вычислителя 11 функции арктангенса, выходы АЦП 9 и 10 под-, ключены к входам вычислителя 12 функции арктайгенса. Выходы вычислителей

11 и 12 функций арктангенса подключе. ны к арктангенсному блоку 13, а вхо-, ды аналоговых запоминающих блоков 2, .и 4 подключены к первому входу устройства, к второму входу которого подключены аналоговые запоминающие блоки 3 и 5.

Выходной синусоидальный вспомогательный сигнал высокостабильного генератора 1 поступает на входы ана- логовых запоминающих блоков 2 и 3 непосредственно, а входы аналоговых запоминающих блоков . 4 и 5 через

1 а фазовращатель б, вносящий 90 -ный фазовый сдвиг и формирующий таким образом квадратурный сигнал, необходимый для однозначного определения фазы вспомогательного сигнала в пределах 0-2it. В моменты прихода стар.овых импульсов на управляющие входы аналоговых запоминающих блоков

2 и 4 и стоповых импульсов на управляющие входы аналоговых запоминаю- щих блоков 3 и 5 в них осуществляется запоминание мгновенных значений непрерывных синусоидальных квадратурных сигналов. Запомненные .значения квадратурных сигналов преобразуются аналого-цифровыми преобразователями 7-10 в соответствующие им цифровые коды, которые поступают на входы вычислителей функций арктангенса 11 и 12. Вычислители функций арктангенса определяют значения фазы вспомогательного сигнала в момен ты времени, соответствующие приходу стартовых и стоповых импульсов на управляющие входы аналоговых запоминающих устройств. Арифметический блок 13 вычисляет разность значений фазы вспомогательного сигнала, вычисленных вычислителями функций арктангенса. Для интервалов времени, не превыщающих длительности периода вспомогательного сигнала, значение разности, вычисленное арифметическигл блоком 13, согласно (Ц соответствует измеряемому интервалу времени.

Предлагаемый способ измерения интервалов времени по сравнению со стробоскопическим осциллографом об-. ладает более высоким быстродействием, так как время измерения и регистрации результата измерения с помощью осциллографа составляет 5-10 с, а предлагаемый способ позволяет производить измерение и регистрацию результата измерения за время, меньшее

5 мкс.