Способ измерения параметров перио-дических сигналов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцналнстнческни

Ресиубпнк

gu84510$ а (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (51)м. кл.з

G 01 R 19/04 (22) Заявлено 0812,74 (21) 2082219/26-21 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 07.07.81.Бюллетень Но 25 (53) УДК 621. 317. 7 (088.8) Дата опубликования описания 10.0781 (72) Автор изобретения

Л. Н. Карпиловский (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для комплексного измерения параметров периодических сигналов, в частности количества электричества, скважности, длительности, периода и частоты следования импульсов в последовательности.

Известен способ измерения параметров импульса (1j при котором проводят нелинейное преобразование (выпрямление или расширение) измеряемого импульса с помощью нескольких нелинейных элементов, причем амплитуда расширения импульсов является линейной функцией их длительности и нелинейной функцией их амплитуды. При реализации способа решается система уравнений, учитывающая, что амплитуда расширенного импульса является функцией ряда аргументов (амплитуды, длительности, формы импульсов). Система уравнений и определяет число каналов преобразования (нелинейных элементов), Недостатком этого способа измерения являются сравнительно низкая точность, обусловленная использования прямопоказывакшей (некомпенсационной) схемы, в которой погрешность измерения сильно зависит от величины и нестабильности коэффициентов передачи пр еобра з ов ат елей н к али бровк и индикаторного устройства, от нестабильности величины смещающего напряжения, необходимого для выбора режима рабочей точки, от погрешности из-за напряжения смещения на разделительном конденсаторе (необходимость в котором вызывается применением напряжения смещения для выбора режима рабочей точки нелинейных элементов), от изменения параметров нелинейных элементов при изменении

15 температурных условий. Кроме того, использование нелинейных преобразователей (накопителей) вентильного типа способствует наряду с накоплением полезного сигнала накоплению

20 домехи даже при ее синусоидальном (знакопеременном) характере, что ухудшает отношение сигнал/помеха на выходе нелинейного преобразователя и ведет к снижению точности измерения. Понижает точность измерения и наличие проходной емкости нелиней ного преобразователя (диода).

Другим недостатком спОсоба явля« ется узкий динамический диапазон ам30 плитуд измеряемых импульсов, обуслов845108 ленный тем, что эона нелинейности вольт-амперной характеристики нелинейных преобразователей имеет ограниченный участок, а также шумами нелинейных преобразователей.

Кроме того, сравнительно узок динамический диапазон скважностей измеряемых импульсов, особенно для случая малых скважностей, так как пауза между измеряемыми импульсами должна быть больше длительности расширенного (преобразованного) импульса. Для уменьшения этого недостатка необходимо изменить характер преобразованиявмето расширения измеренных импульсов осуществлять только их выпрямле:ние, однако это требует перестройки 15 схемы реализации, что при априорно неизвестной скв ркности измеряемых импульсов является весьма затруднительным.

К недостаткам способа можно отнес- щ ти и сложность интерпретации длительности прямоугольного импульса, амплитуда которого равна обобщенной амплитуде измеряемого импульса.

Наиболее близок к предлагаемому сПособ измерения параметров периодических сигналов j2) > в частности дей ствующего значения переменного тока, основанный на компенсационных принципах, при котором формируют опорное (компенсирующее) напряжение при участии измеряемых сигналов и сравнивают измеряемые и формируемые сигналы по их интегральным характеристикам.

Этот способ, позволяя измерять действующее значение периодических сигна-З5 лов (сигналов переменного тока), не дает возможности измерить количество электричества в импульсе, а также скважность, длительность, период и частоту следования импульсов в им- 4р пульсной последовательности. Этому способу присущи сравнительно низкая точность измерения и узкий динамический диапазон измеряемых сигналов, особенно при измерениях параметров высокочастотных сигналов, вследствие того, что для формирования опорного (компеисирующего) напряжения используют усиленное напряжение измеряемого сигнала, не преобразованное по частоте. Это требует в случае измерения высокочастотных сигналов решить весьма сложную задачу создания широкополосного усилителя с минимальными частотно-фазовыми и амплитудными искажениями, обладающего высокой 55 линейностью, а также широполосного сравнивающего устройства.

Широкополосные устройства такого рода обладают сравнительно небольшими коэффициентами передачи, малой щ чувствительностью и невысоким отношением сигнал/шум. Поэтому в этом случае даже в компенсационной схеме получение высокой точности измерения весьма затруднительно, а динамический диапазон измеряемых сигналов сравнительно узок.

Целью изобретения является расширение функционалтных возможностей способа измерения параметров периодических сигналов обеспечением комплексного из 4ерения количества электричества (эквивалентной амплитуды), скважности, длительности, периода и частоты следования импульсов при одновременном повышении точности и рас- ширении динамического диапазона измерений указанных параметров.

Указанная цель достигается тем, что при измерении параметров периодических сигналов способом основанным на компенсационных принципах, когда формируют опорное (компенсационное) напряжение при участии измеряемых сигналов и сравнивают измеряемые и формируемые сигналы по их интегральным характеристикам, формируют регулируемую по скважности вспомогательную последовательность импульсов произвольных длительности и частоты следования, уравнивают ее скважность со скважностью измеряемых импульсов и затем. формируют с ее помощью компенсирующую последовательность, амплитуду импульсов которой регулируют до уравнивания постоянных составляющих этой последовательности и измеряемых импульсов после чего выходят на индикацию в качестве количества электричества (эквивалентной амплитуды) в импульсе одновременно с величиной скважности и определенными на их основе величинами длительности, периода и частоты следования.

При этом перед уравниванием скваж-. ностей измеряемые импульсы и импульсы вспомогательной последовательности нормализуют по форме и амплитуде, а само уравнение осуществляют сравнением постоянных составляющих, полученных методом интегрирования. Компенсирующую последовательность импульсов вырезают иэ опорного напряжения постоянного тока.

Уравнивание скважностей измеряемых импульсов и вспомогательной последовательности проводят изменением частоты следования импульсов в последней.

Нормализацию измеряемых импульсов осуществляют, например, путем их усиления по напряжению с последующим ограничением по уровню.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 1, усилитель постоянного тока

2, блок сравнения 3, усилитель постоянного тока 4, блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 5, аналоговый ключ б, управляемый делитЕль напряжения постоянного тока

7, источник напряжения постоянного тока 8, индикатор количества элект845108 ричества в импульсе (эквивалентной амплитуды) 9, ключ 10, генератор тактовых импульсов 11, ключ 12, формирователь нормализованных по форме (прямоугольных) и амплитуде импульсов, состоящий, например из широкополосного усилителя 13 и ограничителя уровня (амплитуды) 14, блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 15, блок сравнения 16, блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 17, ограничитель уровня (амплитуды) 18, генератор импульсов переменной скважности 19, например генератор импульсов переменной час-. тоты следования и постоянной длительности, пороговый элемент 20, ключ 21, блок деления 22, ключ 23, индикатор скважности 24, блоки линейного преобразования длительности импульсов в напряжение 25 и 26, блок деления 27, индикатор длительности импульса 28, 20 блок умножения 29, ключ 30, индикатор периода и частоты следования импульсов 31.

Вход устройства через последовательно соединенные блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 1 и усилитель постоянного тока 2 соединен с одним из входов блока сравнения 3, другой вход которого через последовательно соединенные усилитель пос о-30 янного тока 4, блок выделения постояннои составляющей (интегратор) 5 и аналoroвый ключ 6 соединен с выходом управляемого делителя напряжения постоянного тока 7, вход которого соединен с выходом источника напряжения постоянного тока 8 (калиброванного либо измеренного с высокой точностью).

Выход у пр авл яемо го дел ит еля н апряжения постоянного тока 7 соединен также со входом индикатора количества 40 электричества в импульсе 9. Выход блока сравнения 3 соединен с управляемым входом ключа 10, информационный вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 11, 45 выход же ключа 10 через ключ 12 соединен с управляемым входом управляеМого делителя напряжения постоянного тока 7.

Упомянутыи вход устройства соединен также через формирователь нормализованных по форме (прямоугольных) и амплитуде импульсов, например, состоящий из широкополосного усилителя

13 и ограничителя уровня (амплитуды)

14, со входом блока выделения постоянной составляющей (интегратора) 15, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения 16, другой вход которого через блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 60

17 и ограничитель уровня (амплитуды)

18 подсоединен к выходу генератора импульсов переменной скважности 19, например, генератора импульсов переменнои частоты следования. Выход бло- 55 ка сравнения 16 через пороговый эле-,мент 20 соединен с управляемым,.входом ключа 21-и параллельно с управляемым входом ключа 12. Информационный вход ключа 21 соединен с выходом ,генератора тактовых импульсов 11.

Выход ключа 21 соединен с управляемым входом генератора импульсов пеРеменной скважности 19. Выход генератора 19 соединен с управляемым вхоцом аналогового ключа 6.

Выход блока выделения постоянной составляющей (интегратора) 5 соединен также со входом блока деления

22, второй вход которого соединен с выходом управляемого делителя напряжения постоянного тока 7, а выход блока деления 22 через ключ 23 соединен со входом индикатора скважности 24. Выходы ограничителеи уровня (амплитуды) 14 и 18 соединены со входами блоков линеиного преобразования длительности импульсов в напряжение (с запоминанием максимума этого напряжения) 25 и 26 соответственно.

Выходы блоков 25 и 26 соединены с соответствующими входами блока деления 27, выход которого соединен с индикатором длительности импульса 28.

Выходы ключа 23 и блока деления

27 соединены также с соответствующими входами блока умножения 29, выход которого через ключ 30 соединен со входом индикатора периода и частоты следования импульсов 31. Управляемые входы ключей 23 и 30 соединены с выходом блока сравнения 3.

При необходимости между выходами блоков выделения постоянной составляющей (интеграторов) 15 и 17 и соответствующими входами блока сравнения

16 вводят усилители постоянного тока с одинаковыми коэффициентами усиления.

Усилители постоянного тока 2 и 4 имеют одинаковые коэффициенты усиления, ограничители уровн; (амплитуды)

14 и 18 имеют одинаковый уровень ограничения,. а блоки выделения постоянной составляющей (интеграторы) 1 и

5, как и блоки выделения постоянной составляющей (интеграторы) 15 и 17, аналогичны друг другу (одинаковы по параметрам). При этом блоки 1, 5, 15, 17 могут быть выполнены в виде резисторно-емкостных цепочек.

Канал (кольцо), состоящее из блоков 1-8, 10, 12, назовем основным каналом измерения, а канал (кольцо), состоящее из блоков 13-21 — вспомогательным каналом измерения.

Способ реализуется в устройстве следующим образом.

Измеряемая последовательность импульсов подается на входы блока выделения постоянной составляющей (интегратора) 1 и на вход широкопо845108 лосного усилителя 13. В связи с тем, что в этот момент ключ 12 разомкнут, обратная связь в основном канале измерения разомкнута, и изменения коэффициента деления управляемого делителя напряжения постоянного тока 7 не происходит.

В вь хода широкополосного усилителя

13 импульсы поступают на ограничитель уровня (амплитуды) 14, с выхода которого последовательность уже прямоугольных (или квазипрямоугольных) импульсов поступает на вход блока выделения постоянной составляющей (интегратора) 15. Выделенная постоянная составляющая этой последовательности преобразованных импульсов подается на вход блока сравнения 3.

Одновременно с поступлением на вход устройства измеряемой последовательности импульсов запускают генератор импульсов переменной скважности 19, которыи начинает генерировать какую-то произвольную (но заранее установленную) последовательность прямоугольных импульсов, у которой может быть фиксирована либо длительность импульсов либо частота их следования. Эта вспомогательная последовательность импульсов через ограничитель уровня (амплитуды). 18 .поступает в блок выделения постояннои составляющей (интегратор) 17, отку.да постоянная составляющая этой вспомогательной последовательности импульсов поступает на второй вход блока сравнения 16.

Сравнение постоянных составляющих указанных импульсных последовательностей базируется на известном соотношении

А. с

С. Тп а где А — амплитуда прямоу гол ь ны х и мпульсов в последовательности;

U — напряжение постоянной сос ставляющей на емкости; — скважность импульсной последовательности;

Т вЂ” период импульсной последои вательности;

t — длительность импульсов в

tl последовательности.

Из этого соотношения вытекает, что если постоянные составляющие двух сравниваемых последонательностей прямоугольных импульсов равны, а также амплитуды этих импульсов, то равны и их скважности, независимо от соотношения длительностей импульсов в обеих последовательностях.

Поэтому до тех пор, пока сигнал рассогласования на выходе блока сравнения 16 не равен нулю или не станет меньше наперед заданной величины, пороговый элемент 20 будет находиться в состоянии, обеспечивающем на20

50

5

1О

55 хождение ключа 21 в проводящем состоянии для тактовых импульсов с выхода генератора тактовых импульсов 11, поступающих на управляемый вход генератора импульсов переменной скважности 19 и обеспечивающих изменение скважности генерируемой им вспомогательной импульснои последовательности;

Это изменение скважности генерируемой нспомогательнои импульсной последовательности происходит до тех пор, пока сигнал рассогласования с выхода блока сравнения 16 не станет равен нулю либо меньше наперед заданнои величины. В этом случае пороговый элемент 20 перейдет в состояние, при котором ключ 21 разомкнется, и прекратится поступление тактовых импульсов от генератора тактовых импульсов 11 на управляемый вход генератора импульсов переменной скважнс ти 19. Изменение скважности вспомогательной импульсной последовательности прекратится, и это будет означать, что скнажность вспомогательной импульснои последовательности, генерируемой в этот и последующие моменты времени на выходе генератора импульсов переменнои скважности 19, равна скважности измеряемой импульснои последовательности.

И сче 3 н ов ан ие сигн ал а рас согл асов ания на выходе блока сравнения 16 и, как следствие, перевод порогового элемента 20 в новое состояние, вызывает также замыкание ключа 12, что обеспечивает з амыкание обратной связи основного канала измерения. Это приводит к тому, что тактовые импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 11 при условии превышения сигналом рассогласования н а выходе блока сравнения 3 некоторой наперед заданной малой величины будут проходить через ключи 10 и 12 на управляемый вход управляемого делителя напряжения постоянного тока 7, вызывая изменение коэффициента деления. В связи с тем, что на управляемый вход аналогового ключа 6 поступает вспомогательная импульсная последовательность с генератора импульсон переменной скважности 19, скважность которой уже уравнена со скважностью измеряемои последовательности импульсов, — из напряжения постоянного тока с помощью аналогового ключа 6 будет вырезаться компенсирующая последонательность импульсов тои же скважности, что и измеряемая последовательность импульсов.

Однако количество электричества (эквивалентная амплитуда) импульсов в компенсирующей последовательности в момент замыкания ключа 12 еще не равно в общем случае количеству электричества (эквивалентной ампли845108

10 туде) импульсов измеряемой последовательности.

Поэтому компенсирующая последовательность импульсов подается с аналогового ключа 6 на вход блока выделения постоянной cocòàâëÿêùåé (интегратора) 5, откуда через усилитель постоянного тока 4 выделенная постоянная составляющая поступает на второй вход блока сравнения 3.

В связи с тем, что на первом входе блока сравнения 3 уже присутствует усиленная с тем же коэффициентом усиления постоянная составляющая измеряемой последовательности импульсов, прошедшая через блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 1 и усилитель постоянного тока 2, сигнал рассогласования с блока сравнения 3 характеризует отношение между постоя нными сост авля ющ ими и эмеря емой и компенсирующей последовательностей импульсов, уже имеющих равные скважности (после з амыкания ключа 112 ), При превышении сигналом рассогласования на выходе блока сравнения 3 некоторой наперед заданнои величины обеспечивается прохождение тактовых импульсов с .генератора 11 через ключ

10 (а впоследствии и через ключ 12) на управляемый вход управляемого делителя напряжения постоянного тока 7.

Эти тактовые импульсы вызывают изме-4 нение коэффициента передачи (деления) этого управляемого делителя напряжения постоянного тока 7 до тех пор, пока сигнал рассогласования на выходе блока сравнения 3 не станет меньше некоторои малой наперед заданной величины. Это означает, что количество электричества в импульсах компенсирующей последовательности (их эквивалентная амплитуда) равно количеству электричества в импульсах измеряемой последовательности. При этом сигнал рассогласования с выхода блока сравнения

3 уже не обеспечит прохождения тактовых импульсов с генератора тактовых импульсов 11 через ключ 10 на ключ 12, через который они поступали на управляемый вход управляемого делителя напряжения постоянного тока

7. Изменение коэффициента передачи. (деления ) делит еля 7 прекратится, и величина напряжения на его выходе индицируется на индикаторе 9. Эта величина и является характеристикой количества электричества (эквивалентной амплитудои) импульсов в измеряемой последовательности импульсов.

В качестве индикатора 9 может быть использован вольтметр постоянного тока (если напряжение источника постоянного тока 8 не калибров ано), либо — в случае использования калиброванного компенсирующего напряжения постоянного тока и цифрового уп5

65 равляемого делителя 7 - это может быть блок цифровой индикации.

При выборе длительности импульсов компенсирующей последовательности более 20-50 мс (при реализации генератора импульсов переменной скважности 19 как одновибратора с постоянной длительностью импульсов, управляемого генератором с постоянной частотой следования сигналов) величина количества электричества в импульсе могла бы быть замерена и на выходе аналогового ключа б, что исключало бы составляющую погрешности, связанную с каким-то отличием коэффициента передачи аналогового ключа б от единицы.

Для определения скважности измеряемой последовательности импульсов напряжение с управляемого делителя напряжения постоянного тока 7 и с блока выделения постоянной составляющей (интегратора) 5 подают на соответствующие входы блока деления 22. Напряжение с блока деления 22, пропорциональное скважности импульсов, поступает на индикатор 24 только после замыкания ключа 23, которое осуществляют после завершения изменения компенсирующего напряжения постоянного тока (после уменьшения сигнала рассогласования на выходе блока сравнения 3 ниже наперед заданной малой величины).

Для определения длительности измеряемых импульсов напряжения с ограничителеи уровня (амплитуды) 14 и

18 поступают на входы блоков линейного преобразования длительности импульсов в напряжение 25 и 26 соответственно, и с их выходов напряжения, пропорциональные длительностям импульсов, подают на соответствующие входы блока деления 27, откуда напряжение, пропорциональное длительности измеряемого импульса, подается на индикатор 28.

Длительность импульса с помощью указанного отношения определяют потому, что длительность вспомогатель- ных прямоугольных импульсов заведо-, мо известна.

Для определения частоты и периода следования измеряемых импульсов напряжения с выхода блока деления 27 и ключа 23 (при его.замыкании) подают на соответствующие входы блока умножения 29, напряжение с выхода которого, пропорциональное периоду следования и обратно пропорциональное частоте следования импульсов, при замыкании ключа 30 подается на индикатор 31. Ключ замыкается после завершения процесса уравновешивания одновременно с ключом 23 по сигналу с блока сравнения 3.

При измерении сигналов переменного тока измеряют только полупериоды однои полярности.

845108

Достижение поставленнои цели обусловлено компенсацией воздействия измеряемых сигналов, в том числе малой длительности и высокой частоты следования, нормализованными по форме и длительности импульсами большей длительности и меньшей частоты следования, которые формируются из напряжения постоянного тока, измеренного с высокои точностью или калиброванного, и сравнением полученных путем предварительно линейного преобразования интегральных характеристик (постоянных составляющих импульсных последовательностей). Это дает возможность использовать в устройствах, реализующих способ узкополос- 15 ные каналы сравнения и усиления сигнала рассогласования, в которых легко достижимы высокая чувствительность и большие коэффициенты передачи, обеспечивакщие в компенсационных схемах g0 высокую точность измерения.

Реализация линейного преобразования (в данном случае интегрирования), например, с помощью резисторно-конденсаторных цепочек с одной стороны расширяет нижнюю границу динамического диапазона амплитуд измеряемых импульсов, которая ограничивается в основном шумовой ЭДС резистора, а с другой стороны снимает практически ограничения с верхней границы динамического диапазона измеряемых амплитуд.

Кроме того, использование резисторов в качестве зарядного сопротивления интегрирующих цепочек позволяет осуществить высокоомный вход измерителя, что способствует повышению точности измерения. Отсутствует и накопление двухполярной помехи, что также повышает точность измерения. 40

Расширение динамического диапазона измерения временных параметров импульсов в последовательности обеспечено применением линейного преобразования и отсутствием расширения импуль-4 сов в процессе измерения.

Научно-технический эффект предложения заключается в возможности реализации способа измерения с большими функциональными воэможностями, с большей точностью и динамическим диапазоном измерения, реализуемого на типовых узлах и элементах, не требующих подбора и снятия специальных характеристик и сложной калибровки, а также полной автоматизацией процесса измерения и возможностью телеметрической передачи информации о количестве электричества и скважности импульсов без дополнительного преобра- ц) зования.

Возможность комплексного измерения в едином цикле большого количества параметров, характеризующих периодические сигналы, делают способ удобным 5 для применения в самых различных научно-технических областях.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров периодических сигналов, основанный на компенсационных принципах, в котором формируют опорное напряжение при участии измеряемых сигналов и сравнивают измеряемые и формируемые сигналы по их интегральным характеристикам, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа обеспечением комплексного измерения количества электричества (эквивалентной амплитуды), скважности, длительности, периода и частоты следования импульсов при одновременном повышении точности и расширении динамического диапазона измерения указанных параметров, формируют регулируемую по скважности вспомогательную последовательность импульсов произвольных длительности и частоты следования, уравнивают ее скважность со скважностью измеряемых импульсов и затем формируют с ее помощью компенсирующую последовательность, амплитуду импульсов которой регулируют до уравнивания постоянных составляющих этой последовательности и измеряемых импульсов, и затем выводят на индикацию в качестве информации о количестве электричества в импульсе (эквивалентной амплитуды) одновременно с величиной скважности и определенными на их основе величинами длительности, периода и частоты следования измеряемых импульсов.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что перед уравниванием скважностей измеряемые импульсы и импульсы вспомогательнои последовательности нормализуют по форме и амплитуде.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ и и с я тем, что уравнивание скважностей измеряемых и вспомогательных импульсов осуществляют при сравнении их постоянных составляющих, полученных методом интегрирования.

4. Способ по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что компенсирующую последовательность импульсов вырезают из опорного напряжения постоянно го тока.

5. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что уравнивание скважностей измеряемых импульсов и вспомогательной последовательности импульсов проводят изменением частоты следования импульсов в последней. б. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что нормализацию измеряемых импульсов осуществляют путем их усиления по напряжению с последующим ограничением по уровню.

845108

Составитель Ф. Цареградский

Редактор Б. Федотов Техред С. Мигунова Корректор Н. Швыдкая

Тираж 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 4137/3

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

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Грязнов М. И., Гуревич М. Л. и Маграчев Э. В. Измерение импульсных напряжений, Сов. радио . М., 1969, с,214-219, 2. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы, "Вища школа". Киев, 1971, с. 505-511 (прототип),