Цифровой измеритель амплитудно-частотных характеристик (варианты) и специализированный формирователь временных интервалов

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для исследования частотно-зависимых радиотехнических цепей путем их возбуждения тестовыми сигналами. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в упрощении измерителя. В состав измерителя входят генератор тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой, формирователь импульсов, формирователь временных интервалов, измеритель частоты следования импульсов и аналого-цифровой преобразователь. Ядром измерителя является формирователь временных интервалов, который путем анализа последовательности импульсов, полученной из синусоидального сигнала, выделяет моменты времени, соответствующие достижению синусоидой максимального значения. 4 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для исследования частотно-зависимых радиотехнических цепей путем их возбуждения тестовыми сигналами.

Известен цифровой измеритель амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), выбранный в качестве прототипа и содержащий устройство сопряжения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер, индикатор, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и устройство ввода [Пат. RU 2520956. Опубл. 27.06.2014. Бюл. №18]. Обладая широкими функциональными возможностями (устройство позволяет кроме АЧХ измерять ряд других параметров радиосигналов), измеритель оказывается достаточно сложным в реализации, причем как с алгоритмической точки зрения, так и с аппаратурной.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в упрощении измерителя.

По первому варианту технический результат достигается тем, что цифровой измеритель амплитудно-частотных характеристик, содержащий аналого-цифровой преобразователь и имеющий выход для подключения входа тестируемой цепи и вход для подключения ее выхода, согласно изобретению содержит генератор тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой, формирователь импульсов, формирователь временных интервалов и измеритель частоты следования импульсов, выход аналого-цифрового преобразователя является выходом амплитуды, выходом соответствующей ей частоты является выход измерителя частоты, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого является входом цифрового измерителя, к которому также подключен информационный вход аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, выход генератора тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой является выходом для подключения тестируемой цепи.

Кроме того, технический результат достигается тем, что согласно изобретению генератор тестового сигнала для применения в цифровом измерителе содержит генератор тактовых импульсов, два счетчика, два цифро-аналоговых преобразователя, управляемый генератор тактовых импульсов и постоянное запоминающее устройство, выход генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом первого счетчика, выход которого соединен с информационным входом первого цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора тактовых импульсов, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, выход которого соединен с информационным входом второго цифро-аналогового преобразователя, выход которого является выходом тестового сигнала.

Кроме того, технический результат достигается тем, что согласно изобретению формирователь временных интервалов для применения в цифровом измерителе содержит два триггера, логические элементы 2И и 3И, а также реверсивный счетчик, выход переноса обратного счета которого является выходом формирователя, входом которого являются объединенные тактовые входы первого и второго триггеров, прямые выходы которых соединены с первыми входами элементов 2И и 3И соответственно, вторые входы которых являются входами тактовых импульсов, третий вход элемента 3И соединен с инверсным выходом первого триггера, выход элемента 2И соединен со входом прямого счета реверсивного счетчика, а выход элемента 3И - со входом обратного счета реверсивного счетчика, вход обнуления второго триггера соединен с выходом переноса обратного счета реверсивного счетчика, а D-вход второго триггера является входом логической единицы.

По второму варианту технический результат достигается тем, что цифровой измеритель амплитудно-частотных характеристик, содержащий аналого-цифровой преобразователь и имеющий выход для подключения входа тестируемой цепи и вход для подключения ее выхода, согласно изобретению содержит генератор тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой, формирователь импульсов и формирователь временных интервалов, выход аналого-цифрового преобразователя является выходом амплитуды, выходом соответствующей ей частоты является информационный выход формирователя временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого является входом цифрового измерителя, к которому также подключен информационный вход аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого соединен с тактовым выходом формирователя временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, выход генератора тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой является выходом для подключения тестируемой цепи.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 показана функциональная схема цифрового измерителя АЧХ, позволяющего получить зависимость амплитуды A_i от частоты f_i тестового сигнала, на фиг. 2 - функциональная схема специализированного формирователя временных интервалов, на фиг. 3 - график зависимости частоты f тестового сигнала от времени t, на фиг. 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс измерения амплитуды, на фиг. 5 - функциональная схема цифрового измерителя АЧХ, ориентированного на получение зависимости амплитуды A_i от периода T_i тестового сигнала, на фиг. 6 - функциональная схема генератора тестового сигнала.

Функциональная схема по фиг. 1 содержит генератор 1 тестового сигнала, формирователь 2 импульсов, формирователь 3 временных интервалов, измеритель 4 частоты, АЦП 5 и тестируемую цепь 6 с подключенной нагрузкой, выход АЦП 5 является выходом амплитуды A_i, выходом соответствующей ей частоты f_i является выход измерителя 4 частоты, вход которого соединен с выходом формирователя 2 импульсов, вход которого является входом цифрового измерителя, к которому также подключен информационный вход АЦП 5, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя 3 временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя 2 импульсов, выход генератора 1 служит для подключения входа тестируемой цепи 6.

Функциональная схема по фиг. 2 содержит триггеры 7, 8, логические элементы 2И 9 и 3И 10, а также реверсивный счетчик 11, выход переноса обратного счета PD которого является выходом формирователя временных интервалов и служит для подключения к тактовому входу С АЦП 5, входом формирователя временных интервалов являются объединенные тактовые входы С триггеров 7, 8, прямые выходы которых соединены с первыми входами элементов 2И 9 и 3И 10 соответственно, вторые входы которых являются входами тактовых импульсов CLK1 и CLK2 соответственно, третий вход элемента 3И 10 соединен с инверсным выходом триггера 7, выход элемента 2И 9 соединен со входом прямого счета CU (суммирующий вход) счетчика 11, а выход элемента 3И 19 - со входом обратного счета CD (вычитающий вход) счетчика 11, вход обнуления триггера 8 соединен с выходом переноса PD счетчика 11, а D-вход триггера 8 является входом логической единицы.

На графике зависимости частоты f тестового сигнала от времени t (см. фиг. 3), в качестве примера, показаны два цикла изменения частоты f в пределах от минимального значения f_min до максимального f_max.

Временные диаграммы (фиг. 4) содержат входной a(t) синусоидальный сигнал на выходе тестируемой цепи с периодом Т и амплитудой, изменяющейся от А₁ до А₂, импульсы S на входе формирователя временных интервалов, импульсы Q1 на выходе триггера 7, счетные импульсы CU на входе прямого счета реверсивного счетчика 11, импульсы Q2 на выходе триггера 8, пакеты счетных импульсов CD на входе обратного счета реверсивного счетчика 11 и импульсы C(PD) на выходе переноса счетчика 11.

Функциональная схема по фиг. 5 содержит генератор 12 тестового сигнала, формирователь 13 импульсов, формирователь 14 временных интервалов, АЦП 15 и тестируемую цепь 16 с подключенной нагрузкой, выход АЦП 15 является выходом амплитуды A_i, выходом соответствующего ей периода T_i является соответствующий выход формирователя 14, вход которого соединен с выходом формирователя 13 импульсов, вход которого является входом цифрового измерителя, к которому также подключен информационный вход АЦП 15, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя 14 временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя 13 импульсов, выход генератора 12 служит для подключения входа тестируемой цепи 16.

Функциональная схема по фиг. 6 содержит генератор 17 тактовых импульсов, два счетчика 18, 21, два ЦАП 19, 23, управляемый генератор 20 тактовых импульсов и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 22, выход генератора 17 тактовых импульсов соединен со счетным входом счетчика 18, выход которого соединен с информационным входом ЦАП 19, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора 20 тактовых импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика 21, выход которого соединен с адресным входом ПЗУ 22, выход которого соединен с информационным входом ЦАП 23, выход которого является выходом тестового сигнала.

Работает цифровой измеритель АЧХ (см. фиг. 1) следующим образом. На вход тестируемой цепи 6 подается тестовый синусоидальный сигнал с меняющейся частотой f(t) и постоянной амплитудой А, который после прохождения цепи 6 поступает одновременно на вход формирователя 2 импульсов и АЦП 5. Последний служит для оцифровки мгновенного значения сигнала a(t), строго соответствующего его амплитуде, а формирователь 2 преобразует сигнал a(f) в последовательность прямоугольных импульсов. Полученные импульсы поступают в формирователь 3 для определения момента взятия выборки, соответствующей амплитуде сигнала a(t), а также на вход измерителя 4 частоты для определения частоты следования импульсов. Измерение амплитуды А и частоты f сигнала a(t) производится в дискретные моменты времени t_i (i=0, 1, 2, 3,…N-1) с периодом, задаваемым скоростью изменения частоты f(t) и быстродействием измерителя. За время T_f одного цикла измерений на выходах АЦП 5 и измерителя 4 частоты последовательно сменяются N измеренных значений амплитуды A_i и соответствующей ей частоты f_i синусоидального сигнала, которые являются отсчетами искомой АЧХ. Разумеется, требуемое быстродействие АЦП 5 должно определяться не максимальной частотой тестового сигнала, а частотой обновления информации на выходе измерителя, которая, на практике, в подавляющем большинстве случаев, будет значительно ниже максимальной частоты тестового сигнала.

Ядром заявленного измерителя АЧХ является формирователь временных интервалов (см. фиг. 2), который определяет принцип функционирования измерителя в целом. Назначение формирователя временных интервалов - выделение момента времени, соответствующего достижению синусоидой своего максимального значения. При этом на вход формирователя временных интервалов подается не аналоговый сигнал a(t), амплитуду которого следует измерить, а последовательность импульсов, сформированная из синусоидального напряжения. Выделение необходимого момента времени происходит за счет отсчета временного интервала, равного T/4, начало которого совпадает с моментом времени, при котором a(t)=0. Поскольку на отработку алгоритма выделения искомого мгновенного значения затрачивается определенное время, то для корректной работы измерителя следует ограничить скорость изменения частоты f(t) тестового сигнала. В предложенном варианте исполнения используется тестовый сигнал со ступенчато меняющейся частотой (см. фиг. 3), принимающей дискретные значения f_i

где

k - коэффициент пропорциональности, связывающий приращение времени Δt_f с приращением частоты Δf;

Δt_f - время, в течение которого частота f(t) тестового сигнала не изменяется.

Работа формирователя 3 временных интервалов складывается из двух этапов, на первом осуществляется измерение периода Т, на втором - отсчет временного интервала Т/4 (см. временные диаграммы, показанные на фиг. 4). Прямоугольные импульсы S, несущие информацию об исследуемом сигнале, поступают на вход счетного триггера 7 (T-триггер), который работает в режиме деления на два, выделяя, таким образом, импульсы (выход Q1) с длительностью, равной периоду входных импульсов. Измерение длительности указанных импульсов - периода Т - осуществляется путем дискретного счета тактовых импульсов CLK1, поступающих с выхода элемента 2И 9 на вход прямого счета CU реверсивного счетчика 11. Счет заканчивается по отрицательному фронту импульса на прямом выходе (Q1) триггера 7, который (фронт) совпадает с моментом перехода синусоиды через нуль при изменении полярности с отрицательной на положительную, а появившийся при этом высокий логический уровень на инверсном выходе триггера 7 разрешает прохождение тактовых импульсов CLK2 на вход обратного счета CD реверсивного счетчика 11. При этом триггер 8 находится в состоянии высокого логического уровня на выходе (выход Q2), так как он был в это состояние переведен положительным фронтом импульса S. Таким образом запускается процесс отсчета требуемого временного интервала Т/4, значение которого задается как величиной Т, так и отношением периодов тактовых импульсов CLK1 Δt_CLK1 и CLK2 Δt_CLK2. Для получения временного интервала, в М раз меньшего периода Т, должно выполняться условие: . При измерении амплитудного значения М=4. По окончании обратного счета, фактически отсчета требуемого временного интервала, на выходе переноса PD счетчика 11 появляется перепад напряжений, который обнуляет триггер 8, в связи с чем прекращается подача тактовых импульсов CLK2 на вход CD счетчика 11, на выходе переноса завершается формирование короткого импульса, отстоящего от начала полуволны на время, равное Т/4 (см. фиг. 4), и служащего импульсом выборки C(PD) для АЦП 5. Таким образом в i-м интервале времени определяется момент достижения синусоидой a(t) максимального значения A_i. Причем, как это несложно понять, одновременно с оценкой положения максимума A_i формирователь позволяет получить и оценку периода T_i синусоидального сигнала на выходе тестируемой цепи. Код величины T_i фиксируется на разрядных выходах счетчика 11 к концу первого этапа работы формирователя. Это позволяет в ситуации, когда задача тестирования цепи допускает переход от частоты f_i тестового сигнала к его периоду T_i, упростить схему измерителя за счет исключения измерителя 4 частоты. Функциональная схема такого измерителя показана на фиг. 5. Устройство позволяет получить зависимость амплитуды A_i от периода T_i тестового синусоидального сигнала. В показанном измерителе назначение генератора 12, формирователя 13 и АЦП 15 те же, что и в вышерассмотренном устройстве (см. фиг. 1).

Поскольку на обновление информации на выходе формирователя временных интервалов затрачивается время, равное 2T (без учета длительностей переходных процессов, связанных с переходом от одного этапа к другому), то шаг Δt_f, определяющий скорость изменения частоты f(t) тестового сигнала, должен определяться из условия

где T_max - максимальный период тестового сигнала;

τ - защитный интервал времени, который необходим для окончания действия переходных процессов, связанных с окончанием цикла измерений.

Относительно реализации измерителя заметим, что для снижения в формирователе 2 (13) нестабильности моментов выделения точек пересечения нулевых уровней синусоидой а(t) целесообразно в составе формирователя использовать дополнительный одновибратор, включаемый на его выходе и позволяющий уменьшить количество ложных импульсов на выходе формирователя.

Пример реализации генератора 1 (12) тестового сигнала показан на фиг. 6. Значения гармонической функции в пределах одного периода хранятся в ПЗУ 22, откуда извлекаются путем последовательного перебора адресов и далее преобразуются ЦАП 23 в аналоговую форму. Для получения синусоидального сигнала с изменяющейся частотой f(t) используется управляемый аналоговым напряжением генератор 20 импульсов, который, управляя адресным счетчиком 21, перебирает адреса ПЗУ 22 с изменяющейся по заданному закону (см. фиг. 3) частотой. Коэффициент пересчета счетчика 21 выбирают равным количеству l значений функции, хранящейся в ПЗУ 22. При этом частота f_{т i} тактовых импульсов, поступающих на вход адресного счетчика 21 при требуемой частоте f_i синусоидального сигнала, вычисляется по формуле f_{т i}=f_il. Разумеется, максимальная f_{т max} и минимальная f_{т min} частоты тактирования адресного счетчика 21 будут следующими

Дискрет Δf изменения частоты синусоидального сигнала в случае линейной связи частоты генератора 20 с управляющим напряжением U при заданном количестве N отсчетов частоты f_i определяется из выражения

где с - коэффициент пропорциональности, связывающий приращение частоты Δf с приращением управляющего напряжения ΔU, вызвавшего это приращение;

U_max - управляющее напряжение, при котором частота генератора 20 принимает максимальное значение f_{т max} из диапазона заданных изменений f_т;

U_min - управляющее напряжение, при котором частота генератора 20 принимает минимальное значение f_{т min} диапазона заданных изменений f_т.

Предполагается, что управляющее напряжение снимается с выхода ЦАП 19, а выходные цепи ЦАП 19 обеспечивают установку минимального управляющего напряжения U_min при нулевом входном коде. При этом разрядность ЦАП 19 должна быть не меньше log₂N. Частота генератора 17 тактовых импульсов должна быть не больше , а коэффициент пересчета счетчика 18 численно равен количеству значений частоты f_i, то есть N. В этом случае напряжение на выходе ЦАП 19 будет меняться ступенчатым образом от U_min до U_max с шириной ступеньки не менее Δt_f, совпадая по форме с законом изменения частоты, графически представленным на фиг. 3.

Из вышеприведенного описания измерителя несложно видеть, что алгоритм его функционирования существенно отличается от работы известных устройств аналогичного назначения. Причем это позволило не только упростить структуру устройства, но и одновременно с амплитудой частотных составляющих получить оценку периода тестового сигнала. Кроме того, при необходимости, без изменения схемы устройства можно получать значения АЧХ, представленные не в виде зависимости амплитуды от частоты, а в виде зависимости среднеквадратического значения синусоидального сигнала на выходе тестируемой цепи от его частоты. Для этого достаточно задать отношение , то есть изменить отношение периодов следования тактовых импульсов CLK1 Δt_CLK1, CLK2 Δt_CLK2.

1. Цифровой измеритель амплитудно-частотных характеристик, содержащий аналого-цифровой преобразователь и имеющий выход для подключения входа тестируемой цепи и вход для подключения ее выхода, отличающийся тем, что содержит генератор тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой, формирователь импульсов, формирователь временных интервалов и измеритель частоты следования импульсов, выход аналого-цифрового преобразователя является выходом амплитуды, выходом соответствующей ей частоты является выход измерителя частоты, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого является входом цифрового измерителя, к которому также подключен информационный вход аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, выход генератора тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой является выходом для подключения тестируемой цепи.

2. Генератор тестового сигнала для применения в цифровом измерителе по п. 1, отличающийся тем, что содержит генератор тактовых импульсов, два счетчика, два цифро-аналоговых преобразователя, управляемый генератор тактовых импульсов и постоянное запоминающее устройство, выход генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом первого счетчика, выход которого соединен с информационным входом первого цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора тактовых импульсов, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, выход которого соединен с информационным входом второго цифро-аналогового преобразователя, выход которого является выходом тестового сигнала.

3. Формирователь временных интервалов для применения в цифровом измерителе по п. 1, отличающийся тем, что содержит два триггера, логические элементы 2И и 3И, а также реверсивный счетчик, выход переноса обратного счета которого является выходом формирователя, входом которого являются объединенные тактовые входы первого и второго триггеров, прямые выходы которых соединены с первыми входами элементов 2И и 3И соответственно, вторые входы которых являются входами тактовых импульсов, третий вход элемента 3И соединен с инверсным выходом первого триггера, выход элемента 2И соединен со входом прямого счета реверсивного счетчика, а выход элемента 3И - со входом обратного счета реверсивного счетчика, вход обнуления второго триггера соединен с выходом переноса обратного счета реверсивного счетчика, а D-вход второго триггера является входом логической единицы.

4. Цифровой измеритель амплитудно-частотных характеристик, содержащий аналого-цифровой преобразователь и имеющий выход для подключения входа тестируемой цепи и вход для подключения ее выхода, отличающийся тем, что содержит генератор тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой, формирователь импульсов и формирователь временных интервалов, выход аналого-цифрового преобразователя является выходом амплитуды, выходом соответствующей ей частоты является информационный выход формирователя временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого является входом цифрового измерителя, к которому также подключен информационный вход аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого соединен с тактовым выходом формирователя временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, выход генератора тестового сигнала со ступенчато меняющейся частотой является выходом для подключения тестируемой цепи.