Устройство для измерения слабых электрических сигналов

 

ОП ИСАН И Е

ИЗОЬРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii) 444И6

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 02.12.72 (21) 1852395/18-10 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 25.09.74. Бюллетень ¹ 35

Дата опубликования описания 07.04.75 (51) М. Кл. G 01г 19/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.317.3(088.8) (72) Авторы изобретения

Ю, С. Голованов, С, В. Васильев и К. Б. Сухомлин (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СИГНАЛОВ

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам измерения слабых электрических сигналов,использующим модуляционный способ измерения.

Известно устройство для измерения слабых электрических сигналов, содержащее модулятор и последовательно соединенные входной усилитель, детектор, усилитель низкой частоты.

Экспоненциально-весовое накопление слаоого сигнала в интегрирующих цепях синхронного детектора ограничивает чувствительность этого устройства. Кроме того, схема требует калибровки уровня шума генератора и мостовой схемы перед каждым измерением. Это исключает возможность автоматизации измерений и влияет на их точность.

Поэтому известное устройство нельзя применять для измерения слабой напряженности электромагнитного поля в полевых условиях, когда особенно значительными становятся влияние дестабилизирующих механических и климатических факторов на точность калибровки, автоматизация процесса измерения, вес и габариты устройства.

Целью изобретения является повышение чувствительности измерений.

Для достижения этой цели в него введены последовательно включенные ключ, преобразователь аналог — катод, реверсивный счетчик и цифровой индикатор, триггер, схема временных интервалов, входом соединенная с модулятором, коммутатором преобразователем аналог — катод, триггером, а выходом — с ключом и реверсивным счетчиком, причем к реверсивному счетчику подключен также выход триггера.

Повышение чувствительности измерений

>0 обеспечивается периодической коммутацией сигнала на входе входного усилителя коммутатором сигнала, преобразованием напряжения на выходе УПЧ в двоичный код преобразователем аналог — код (ПАК), накопления

15 за фиксированное время, определяемое блоком выработки временного интервала и ключом, разностей отсчетов «шум» и «сигнал+ шум», образуемых в реверсивном счетчике при помощи триггера управления, которьш отсче20 ты, соответствующие замкнутому коммутатору («снгнал + шум») посылает на прямой вход реверсивного счетчика, а отсчеты, соответствующие разомкнутому коммутатору («шум»)— на реверсивный вход счетчика. Результат на25 копления фиксируется цифровым индикатором.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Оно состоит из коммутатора сигнала 1, 30 входного усилителя 2, детектора 3, УПЧ 4, 444116 а а

ii а г ш

Пщ— гг (Wñ + W )

0с.ш.:

Па

65 ключа 5, преобразователя аналог — код (ПАК) б, реверсивного счетчика 7, цифрового индикатора 8, триггера управления 9, схемы выработки временного интервала 10, модулятора 11.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на вход усилителя 2 через управляемьш коммутатор 1, периодически замыкающий и размыкающий цепь подачи сигнала.

На выходе усилителя образуется при этом последовательность, полпериода которой составляет аддитивная смесь сигнала и собственного шума усилителя, полпериода — только шум. Детектор 3 выделяет огибающую этой периодической последовательности, амплитуда которой определяется мощностью сигнала (поскольку детектирование полагается квадратичным) . Реверсивный счетчик образует разности отсчетов «сигнал+шум» и «шум», преобразованных ПАК б в двоичный код.

Рассмотрим процесс накопления разностей в реверсивном счетчике, объединяющем функции вычитания и накопления.

Из статистической радиотехники известно, что дисперсия и среднее значение процесса на выходе квадратичного детектора с интегрирующей нагрузкой равны;

Р Л где Ж вЂ” спектральная плотность процесса;

2Л вЂ” полоса спектра процесса; а — постоянная времени интегратора.

На выходе детектора, следовательно, периодическая последовательность будет иметь: для отсчетов «шум» для отсчетов «сигнал+ шум»

Отсчеты, соответствующие полупериоду

«сигнал + шум», поступают на прямой вход реверсивного счетчика 7, а отсчеты «шум»вЂ” на реверсивный вход, что обеспечивается триггером управления 9, работающим синхронно со входным коммутатором 1. Это соответствует операции вычитания. Кроме того, реверсивный счетчик будет осуществлять накопление результатов вычитания по мере увеличения количества периодов модулирующего меандра модулятора 11.

Результат, накапливающийся в реверсивном счетчике к концу цикла накопления, пропорционален мощности сигнала, После окончания цикла этот результат высвечивается на шкале электронно-оптического индикатора 8. После снятия показаний реверсивный счетчик возвращается в нулевое состояние переключением

Э

I0

ЗО

55 тумблера «выкл — измерение». Прибор готов к следующему измерению.

Величина максимального сигнала, который может быть измерен устройством, определяется количеством разрядов преобразователя аналог — код б. Диапазон напряжений этого преобразователя должен перекрывать максимально возможный сигнал. емкость реверсивного счетчика при этом особого значения не имеет, т. к. при большом сигнале можно установить аттенюатор, уменьшающий время накопления, в блоке временного интервала 10.

Максимальная чувствительность устройства определяется многими факторами: величиной дискрета ПАК б, временем накопления, степенью приближения характеристики детектора к квадратичной и т. д. Существует предел, после которого никаким увеличением времени накопления нельзя повысить чувствительность.

Этот предел обусловлен величиной слабого сигнала при нелинейном преобразовании (детекторировании) и соответствует соотношению сигнал к шуму на входе устройства 0,01 — 0,02.

Этого вполне достаточно для большинства практических целей.

Перед измерением и в процессе измерения не требуется никаких калибровок и регулировок. Весь процесс измерения сводится к переключению тумблера «выкл — измерение» и установке в нужное положение аттенюатора, определяющего длительность цикла накопления, в блоке временных интервалов 10; применение вычитания отсчетов «сигнал + шум» и «шум» дает возможность проводить измерение независимо от уровня шума входного усилителя без дополнительной калибровки; применение линейного накопления (без весовой функции) разностей отсчетов повышаег чувствительность устройства по сравнению с накоплением в спнхронном детекторе с экспоненциальной весовой функцией; точность отсчета определяется разбросом показаний из-за расширения среднеквадратического отклонения при накоплении разностей и степенью стабилизации величины дискрета ПАК б. Слаботочныи источник питания

ПАК б может быть выполнен в приемлемых для малогабаритной аппаратуры габаритах с достато гной степенью стабилизации (доли процента). Разброс гоказаний из-за расширения среднеквадратического отклонения может быть сведен к любой заданной минимальной величине усреднением небольшого числа измерений.

Предмет изобретения

Устройство для измерения слабых электрических сигналов, содержащее модулятор и последовательно соединенные входной усилитель, детектор, усилитель низкой частоты, отл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены последова444116

Составитель В. Ваганов

Редактор Д. Пинчук

Корректор И. Позняковская

Техред В, Рыбакова

Заказ 792/2 Изд. ¹ 418 Тираж 679 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 тельно включенные ключ, преобразователь аналог — код, реверсивный счетчик и цифровой индикатор, триггер, схема временных интервалов, в-.одом соединенная с модулятором, коммутатором, преобразователем аналог— код, триггером, а выходом — с ключом и реверсивным счетчиком, причем к реверсивному счетчику подключен также выход триггера.