Устройство для определения импульсных характеристик линейных объектов

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНЫХ ОБЬЕКТОВ, содержащее коррелятор вход которого связан с выходомисследуемого объекта, и сумматор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства , оно-содержит генератор строба; блок переключения режимов работы и последователд1но соединенные синхронизатор и блок управления, первый выход коррелятора через генератор строба связан со своим первым входом , выход блока переключения режимов работы соединен с вторым входом , коррелятора, второй выход которого через синхронизатор подключен к третьему входу коррелятора, второй выход синхронизатора соединен со своим вторым входом и четвертым входом коррелятора, выход блока управления выведен на пятый вход коррелятора , третий и четвертый выходы которого связаны соответственно с первым и вторым входом сумматора, входом и выходом исследуемый объект подключен соответственно к пятому выходу и шестому входу коррелятора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коррелятор выполнен в виде последовательного соединения генератора парных импульсов , источника специального сигнала , усилителя-ограничителя, смесиi теля, ключа, детектора, усреднителя и цифрового вольтметра, второй вход СО которого связан с третьим, входом коррелятора , третий вход - с четвертым входом коррелятора, второй вход ключа соединен с первым входом коррелятора , первый выход которого связан с третьим выходом генератора парных .импульсов и вторым выходом коррелятора i пятый выход коррелятора подключен к второму выходу генератора Од парных импульсов, а шестой вход корда релятора - к второму входу смесителя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 4 (51 ) G 0 5 В 2 3 0 0

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3669068/24-24 (22) 01.12.83 (46) 23.01.85. Бюл. Р 3 (72) A.È.Ãóðüåâ (71) Таджикский политехнический институт (53) 62-50 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

)) 394757,кл. G 05 В 23/00,1974 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО (ЛЯ ОПРЕДЕЛЕ.

НИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНЫХ ОБЬЕКТОВ, содержащее коррелятор вход которого связан с выходом исследуемого объекта, и сумматор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит генератор строба, блок переключения режимов работы и последовательно соединенные синхронизатор и блок управления, первый выход коррелятора через генератор строба связан со своим первым входом, выход блока переключения режимов работы соединен. с вторым входом. коррелятора, второй выход которого через синхронизатор подключен к третьему входу коррелятора, второй выход синхронизатора соединен со своим вторым входом и четвертым входом коррелятора, выход блока управления выведен на пятый вход коррелятора, третий и четвертый выходы которо. го связаны соответственно с первым и вторым входом сумматора, входом и выходом исследуемый объект подключен соответственно к пятому выходу и шестому входу коррелятора.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что коррелятор выполнен в виде последовательного соединения генератора парных импульсов, источника специального сигнала, усилителя-ограничителя, смесителя, ключа, детектора, усреднителя и цифрового вольтметра, второй вход которого связан с третьим входом коррелятора, третий вход — с четвертым входом коррелятора, второй вход ключа соединен с первым входом коррелятора, первый выход которого связан с третьим выходом генератора парных импульсов и вторым выходом коррелятора, пятый выход коррелятора подключен к второму выходу генератора парных импульсов, а шестой вход коррелятора - к второму входу смесителя, 1136114.

Изобретение относится к техническим средствам в области контрольноизмерительной техники, предназначенным для определения динамических характеристик линейных объектов, например импульсных характеристик ИХ 5 радиотехнических ббъектов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) .

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее исследуемый 16 объект, первый и второй корреляторы, управляемый фильтр, кольцевой распределитель, элемент сравнения, запоминающий элемент коррелятора, ключц,, сумматоры, делители, запоминающие элементы, согласующие ключи, усилители-ограничители, блоки умножения и устредняющие устройства.

Принцип работы этого устройства основан на определении ординат ИХ с использованием приема компенсации сигнала с выхода управляемого фильтра с большим числом управляемых элементов, соответствующих числу определяемых ординат ИХ.и с выхода исследуемого объекта f2) .

Недостатки известного устройства состоят н следующем. Поскольку значения измеряемых корреляционных характеристик определены с ошибкой, особенно грубо измеряются значения этих характеристик с малым весом, то появляется шум измерений, который приводит к значительным ошйбкам н определении ординат ИХ исследуемого объекта, т.е. н известном устройстве сигнал с выхода каждого делителя управляемого фильтра, состоящего иэ большого числа делителей, незначителен в суммарном выходном сигнале управляемого фильтра, сравним и да- 49 же меньше шума измерений.

Таким образом, известное устройство не позволяет определять ординаты ИХ линейных обЪектов с достаточной точностью. 4э

ЦВль изобретения — повышение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определе.ния импульсных характеристик линей- 56 ных объектов, содержащее коррелятор, вход которого связан с выходом .исследуемого объекта, и сумматор, введены генератор строба, блок- переключения режимов работы и последовательно соединенные синхронизатор и блок управления, первый выход коррелятора через генератор строба связан со своим первым входом, выход блока переключения режимов работы— с вторым входом коррелятора; второй выход которого через синхронизатор подключен к третьему входу коррелятора, второй выход синхронизатора соединен со своим вторым входом и четвертым входом коррелятора, выход 55 блока упранления — с пятым входом коррелятора, третий и четвертый ныха. ды которого связаны соответственно с первым и вторым входами сумматора, входом и выходом исследуемый объект подключен соответственно к пятому выходу и шестому входу коррелятора.

Коррелятор выполнен в виде последовательного соединения генератора парных импульсов, источника специаль ного сигнала, усилителя-ограничителя, смесителя, ключа, детектора, усреднителя и цифрового вольтметра, второй вход которого связан с третьим входом коррелятора, третий вход — с четвертым входом корреклятора, второй вход ключа — с первым входом корреклятора, первый выход ко торого связан с третьим выходом ге<нератора парных импульсов и вторым выхоцом коррелятора, пятый выход коррелятора подключен к второму ныходу генератора парных импульсов, а шестой вход коррелятора — к второму вхо* ду смесителя.

На фиг.1а и фиг.18 изображены соответственно входная последовательность импульсов и сигнал на выходе исследуемого объекта; на фиг.2 — интегральная характеристика, измеряемая на выходе усреднителя при входной последовательности коротких парных импульсов с чередующейся полярностью, на фиг.3g и фиг.3 1 — псевдокорреляционные функции (?W>) соответ. ственно для входной последовательности однопслярных и разнополярных парных импульсов; на фиг.4 — взаимная корреляционная функция (ВКФ) исследуемого и специального сигналов; на фиг.5 — функциональная схема устрой: тва, на фиг.б — функциональная схема блока управления устройства., B описании приняты следующие обозначения: 3 - дельта-функция Дирака, период следования коротких парных импульсов; " — коэффициент пропорциональности K »2, — временной сдвиг между парными импульсами, изменяемый соответственно в пределах

О ° i c ; « „> — максима«льный интервал корреляции ИХ или ее длительность

n = О, 1, 2,...,N Ql(t) — импульсная характеристика исследуемого объекта, задержка импульсного отклика относительно входного воздействия, W (Ц вЂ” полезный си нал импульсного отклика, Ф, 9l, Ъ вЂ” паразитные помехи, представляющие собой соответственно переотражения от концов линии: акустической и электрической, сигнал тройного прохождения, сигнал прямого просачивания со входа исследуемого объекта на выход, 2 NT — время усреднения, — число парных импульсов, *(". - — ПКФ, соответствую щая входному сигналу в виде после1136114

55 довательности однополярных парных импульсов, R i e) — ПКФ, соответствующая входному сигналу в виде после довательности разнополярных парных импульсов, ь ь е = -„— ;„— интервал п приближенного дифференцирования, 5

R(T, ) — абсолюная ошибка измерения

Ь/ п.

ПКФ, 1 (e) — ВКФ исследуемого сигнала со специальным сигналом, 1с(т) специальный сигнал, радиоимпульс с частотной модуляцией, например, близ. 10 кой к линейной.

Устройство содержит генератора 1 парных импульсов, источник 2 специального сигнала, в качестве которого используют генератор сигнала, напри- 15 мер с ЛЧМ модуляцией, исследуемый объект 3, усилитель-ограничитель 4, смеситель 5, генератор 6 строба, синхронизатор 7, в качестве которого используют счетчик со сбросом, ключ 8 детектор 9, усреднитель 10, в ка честве которого используют фильтр низкой частоты (ФНЧ); цифровой фольтметр 11, сумматор 12, в качестве которого используют счетчик с прямым и реверсивным входами, блок 13 управления, блок 14 переключения режи мов работы генератора парных импульсов, коррелятор 15, счетчик 16, дешифратор 17, набор 18 герметических контактов, прецизионный магазин 19 сопротивлений °

Работа устройства основана на том, что подают на вход исследуемого объекта на ПАВ последовательность коротких парных импульсов, изображен 35 ную на фиг.1д и Описываемую выражением. „®»Кф-2nT)4(1,- е-2nt)i Ь(-(2м )ТЩ ее-(2nei)T$

40 и на выходе исследуемого линейного радиотехнического объекта получают реакцию на входное воздействие, пред ставляемую выражением

В„М= Ф""З 2Т3 а " ""е ЬТ1 К - >-(2nwi»)Ф ",-:"е,-(2n+ )Tj, Для выделения полезного сигнала из суммы разнесенных во времени помех применяют временную селекцию.

В результате получают сигнал, Описываемый в виде следующего выражения. о(,)iW (t "3 ) И ь )+)Й (т) Яд ()ч д) Амплитуду импульсного отклика От первого парного импульса ограничивают до уровня максимального значения импульсного отклика от второго парного импульса. После этого ограничения регистрируют следующий сигнал е (=8 (W»(t -2nl) й„(4- -се-2»T)+asj(nWn(t,— з (<»+1)Т1 Wnlt-<1 "e-(2n«)T) который представлен на фиг.1о. Форма импульсного отклика от первого парного импульса после ограничения приближается к прямоугольной.

Смешанный сигнал о (т) пропускают через детектор, усредняют ФНЧ и измеряют цифровым вольтметром, т,е. реализуют выполнение следующего выражения

inee)2Ie e, g

N-I

" weal- T (I /wan w„(t-11-em) ° w(t-".

»=

3

-2e-2nT)w B«gnWnft-e >-(2п 1)Т1-Wnft - -(2>,1)ф,)Я (" 1

В выражении (1) переходят к новой переменной t = t — "ьg иH, считая все пар ные импульсы в.среднем одинаковыми, получают

2Т е ""å =e 1)(ВВ(й» ice wi - Я lewIпw„

2т

" e)»T lB«(nWn(tleWn(t-"e)jeIt w ) Ц,„ д у (t q) о е —, «, -1. т

-W„(t- -Т), (3)

Смешанный сигнал 8 sign ÙT) Ф

+ Te/n (t-2е) отличен от н /ля на интервале 0<1 -? /, - 7 (фиг. 1S) . Разбивая этот интервал на следующие промежутки; 0<т«(ee "ne — e< . "e»< "< с о

n n n z -«и е<Т/ ГДе ВтОРОй пРОмежУтОк ЯвлЯетсЯ областью перекрытия смешиваемых сиг налов„ записывают выражением (3) в следующей форме

/I

И» л . » ее

° »» и " *-„ )le e //,I |lee .—.l » (-". iee о "е„ л /

/ . »-ь е

/»

I%!о(t "е)(Jt .

"/»

При записи выражения (4) учтено, что (8«gnW„®)М Й (1 )1 с — чи п

Сигнал R ("е), описываемый выражением (4), представлен на фиг.2.

Из выражения (4) видно, что модуль ИХ связан с ийтегральной характеристи- кой )("(ee) через прием дифференцирования. Данный прием подчеркивает ошибку измерения. Анализ зависимости 8" (ье), (фиг.2) показывает, что информационные колебания сигнала

R"(2e) подавлены шумом измерений и могут быть выявлены. Подавление шу11ЗЬ114

Если процедуру:разбиения не выполнять, то в отношении абсолютной 65 мов измерений при восстановлении ИХ из интегральной характеристики достигается ее разбиением на две ПКФ в следующем виде, .R (,"il " ("e)t R (""е). функции" R" (i ) и R (e) представляют собой соответственно первый и второй интегралы выражения (3)

Декомпозицию интегральной характеристики осуществляют разбиением вход 10 ной последовательности импульсов на две разнесенные во времени последовательности парных импульсов следующего вида

"пЮ =

15 к = Ф- л" ) т1-а(-:,- (ъ, т).

Иными словами сначала измеряют

ПКФ +R"(7e), соответствующую последовательности hn(%) однополяркых я парных импульсов, а затем измеряют ПКФ, соответствующую последовательности An(t) разноцолярных парных импульсов. Эти характеристики представлены соответственно на фиг.З@ 5 и фиг.ЗВ. Анализ формы этих кривых показывает, что разбиение приводит к резкому возрастанию амплитуды информационных колебаний, вследствие этого выполнение приема дифференцирования становится корректным.

Действительно, погрешность преобразования при выполнении приема, дифференцирования представляют B виде суммы погрешностей

35 (""е) = ("ziaaL (" е) °

Первую компоненту погрешности мР(h ), характеризующую размытость приближенного дифференцирования, оценивают по формуле 40

A, + М д, л. Л.

1 Я (1 %) ф +j4it< ° ,4(el= ... Я

"i+s

Выбрав, например, интервал при ближенного дифференцирования равным 45 л получают максимальную погрешность от,размытости при аппроксимации на интервале пи @7 A(ll+1) lt функции R" (е) функцией Ми(е), рав- 50 ной 0,04%. Эта аппроксимация вполнЕ приемлема для оценки сверху величины погрешности.

Вторую компоненту погрешности, характеризующую относительную ошиб- 55 ку от воздействия шумов измерений определяют в следующем виде М"(ае1=

1 сt3

Л О ь Я" (; - ы Я" Л;„)

gR%(a,) t ЯФ (. (5) погрешности к истинному значению последняя (заменатель выражения 5} сравнима с величиной абсолютной погрешности измерений и относительная ошибка крайне велика. При разбиении исходной функции на две ПКФ амплитуда информационных колебаний существенна, ориентировочно в 10 раз

4 превышает уровень шумов измерений.

При этом относительная погрешность л,л„ л на интервале -8 с с с 18 составляет

4 величину 1 10 . Таким образом, максимальная погрешность от размытости и действия шумов измерений ориентировочно равна юР = 4 10 4+1 10 4.

Некоторое снижение погрешности достигают оптимальным выбором интервала приближенного дифференцирования.

Определение ординат ИХ в областях a — 6 с большим подавлением. 6оковых лепестков ПКФ (Аиг.За,Ь) oqyществляется со значительной относительной ошибкой. Кроме того, достижение высокого коэффициента прямоугольности сигнала si(y bI„(t) затруднительно вследствие того, что нарастание и спад ИХ исследуемого объекта плавные.

Повышение точности определения ИХ достигается тем, что в качестве первого смешиваемого сигнала выбирают специально сформированный радиоимпульс с частотной модуляцией, например, близкой к линейной.

Из выражения 4) видно, что определяемая из него ИХ дифференцирования Я"(z) не зависит от форьы первого,смешиваемого сигнала 9 i(n O„(t), поэтому этот сигнал выбирают из условий повышения точности определения ИХ. На фиг.4 показана взаимная корреляционная функция специально сформированного сигнала с ЛЧМ модуляцией с ИХ исследуемого линейкого объекта. ВКФ растянута почти равномерно вдоль оси абцисс (фиг.4}.

Этот эффект позволяет выравнять точность определения ИХ во всей области ее существования. Кроме того, момент выхода из области перекрытия специально сформированного сигнала с ЛЧИ модуляцией с ИХ исследуемого объекта регистрируется с достаточно высокой точностью. Это обуславливается тем, что огибающие ВКФ имеют очень крутой спад при уменьшении области взаимодействия двух смешиваемых сигналов. В области 6 — r (фиг.4) кривa> R (iej резко изменяется, и поэтому точка фиксируется с достаточно высокой точностью. Это по" зволяет оценить длительность ИХ исследуемого объекта, например, на поверхностных акустических волнах с приемлемой для практики точностью.

1136114

Если исследуемым объектом является ЛЧМ фильтр на ПАВ, то в качестве специального сигнала выбирают не модулированный по частоте радиопмпульс или радиоимпульс с законом мо. дуляции по частоте, обратным закону модуляции ИХ исследуемого ЛЧМ фильтра на IIAB.

Импульсную характеристику из ее модуля определяют введениЕм априорного допущения о ее дифференцируемости °

Устройство работает следующим образом.

Первый парный импульс с первого выхода генератора 1 подают на вход источника 2 специального сигнала, второй парный импульс с амплитудой, существенно меньшей амплитуды первого парного импульса, временное соотношение между которвыми последовательно изменяют, подают с второго выхода генератора парнвых импульсов на вход исследуемого объекта 3. Генератор парный импульсов работает в двух режимах. В первом режиме с первого и второго выходов генератора вырабатывается последовательность коротких однополярных парных импульсов, а во втором — разнополярных. В первом режиме измеряют первую состав ляющую ИХ + q (ц)(а во втором режиме — вторую составляющую ИХ) hl f ieÄ)

Выходной сигнал источника специального сигнала подают через усилитель-ограничитель 4 на первый вход смесителя 5, в котором осуществляют суммирование сигналов, подаваемых по первому и второму входам. На второй вход смесителя поступает сигнал с выхода исследуемого объекта.

Синхроимпульсами с третьего выхода генератора парных импульсов запускают генератор б строба и синхронизатор 7. Строб-импульс с выхода генератора строба подают на второй вход ключа 8, по первому входу которого гоступает смешанный сигнал с выхода смесителя, что позволяет отстроится от паразитных это-сигналов и виде» лить полезный импульс. Этот полезный сигнал пропускают через детектор 9, усредняют усреднителем 10 .и подают на первый вход цифрового вольтметра 11, который по второму входу запускается импульсом с первого выхода синхронизатора, формируемого при накоплении 10 синхроимпульсов. Нри запуске цифрового вольтметра он преобразует в код величину выходного напряжения с усреднителя 3 P„ ), рав ную среднему значению модуля ИХ и передает кодовую последовательность импульсов на первый прямой вход сумматора 12. В зто время синхронизатор продолжает накапливать число синхроимпульсов, и как только он накопит их 110000, на его втором выходе появляется импульс, который воздействует на вход блока 13 управления выходной сигнал которого поступает на вход генератора парных импульсов, и он изменяет величину временного

5 сдвига между парными импульсами на равную ;„ . Сигнал с второго выхода синхронизатора также воздействует на его второй вход и обнуляет его.

Обнуление синхронизатора и изменение временного сдвига между парными импульсами происходят одновременно.

Результатом обнуления является То что цикл повторяется, и как только синхронизатор накопит вторую партию в 10 синхроимпульсов, íà его первом выходе появляется импульс, который воздействует на второй вход цифрового вольтметра, преобразующего в код величину выходного напря@.жения с усреднителя Р („„1 и передающего кодовую последовательность импульсов на второй реверсивный вход сумматора. В сумматоре эта величина вычитается из значения R Л;), измеренного на предыдущем шаге. Разность равная значению первой составляющей

ИХ l V,<7„), выдается на промежуточный носитель на выходе сумматора.

Как только синхронизатор накопит вторую партию в 110000 синхроимпульсов, на его выходе появляется импульс, который обнуляет синхронизатор, изменяет временной сдвиг между парными импульсайи и записывает повторно на сумматор по первому прямому входу величину 9 <7„ ), изме" ренную на втором шаге, и начинается третий цикл измерений. Таким образом, на сумматоре реализуют прием приближенного дифференцирования

40 сигнала R Де) . Эта процедура продолжается последовательно пока не бу дет зарегистрирована первая составляющая ИХ! +(e)) . Эатем генератор парных импульсов переводят во вто45 рой режим работы, воздействуя сигналом с переключателя 14 режимов работы на его Второй Вход и регистрируют аналогично вторую составляющую ИХ ф (7 )1.

После этого характеристикиl" й(e)) .и1 W(<,e)) суммируют и определяют модуль ИХ исследуемого объекта.

Импульсную характеристику из ее модуля получают введением априорного допущения о дифференцируемости ИХ.

Устройство содержит коррелятор 15 и осуществляет псевдокорреляционную обработку импульсных характеристик исследуемых линейных объек-тов, например радиотехнических объек тов на.поверхностных акустических волнах, Аналогию измеряемых ПКФ с корреляционной характеристикой следует рассматривать в их зависимости от одной и той же переменной сдвиЬ5 га е °

1136114

Блок управления (фиг. Б) временными сдвигами между парными импульсами работает следующим образом.

Сигнал с выхода синхронизатора воздействует на вход счетчика 16 блока управления. Счетчик 16 регистрирует число циклов измерений и представ ляет собой двоично-десятичный счетчик на три декады. Сигнал состояния счетчика дешифрируется дешифратором 17 и поступает в блок, состоя- 30 щий из набора герметических контактов 18, которые последовательно шунтйруют ступени презиционного магазина 19 сопротивлений, встроенного в цепь управления изменением временных сдвигов генератора парных импульсов, Блок управления позволяет осуществить в автоматическом режиме измерение временных сдвигов между парными импульсами с высокой степенью плавности.

Устройство работает до частот в

200 мгц, верхняя частота ограничивается возможностью AopMHpoBBHHsl импульсов наносекундной длительности генератором парных импульсов. Каждый отсчет ПКФ измерятеся с повторяемостью в четыре — пять значащих цифр за время 0,5 — 1,0 с. Изменение переменной сдвига обеспечивается с дискретностью 10 0,1 нс.

1136114

1136114

9 l 136114

Составитель A.Ãóðüåâ

Техред Т.Фанта Корректор у..Иаксимишинец

Редактор C.Ñàåíêî

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 10284/34 Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауюская наб., д. 4/5