Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистические

Республик (?? ) 917118 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)M. Кл. (22)»11влено 2301.79 (21) 2716545/18-21

G 01 R 23/16 с присоединением заявки №

9Вударстеенный комитет

СССР (23) Приоритет ао делам нзобретеннй н открытнй (53) УЙК 621.317, .7Я (088.8) Опубликовано 300382.. Бюллетень № 12

Дата опубликования описания 360382!

П.ф. Поляков ?;:? ) ?

Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта им. С.М. Кирова (72) Автор изобретения (7l) Заявитель (54) АНАЛИЗАТОР ОРТОГОНАЛЬН61Х СОСТАВЛЯЮЩИХ

СПЕКТРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть ис. пользовано пои определении спект- ° ральных характеристик электрических сигналов.

Известны анализаторы ортогональных составляюших спектра электрических сигналов, содержащие устройство выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, генератор периодической последоват ельсности управляющих импульсов, набор суммирующих устройствв, многоканальный коммутатор последовательного действия и параллельные группы взвешивающих резисторов, причем устройство выборки мгно» венных значений соединено с входом многоканального коммутатора, выходы которого соединены с параллельными группами взвешивающих резисторов, объединенных в пределах каждой группы на входе суммирующих устройствв, выполненных в виде балансных интегрирующих усилителей, а к одному иэ входов устройства выборки мгновенных значений и управляющему входу многоканального коммутатора под". ключен выход генератора периодической последовательности управляющих импульсов (1).

Недостатками этого анализатора являются сложность технической реализации при заданных достаточно жестких требованиях к точности ана10 лиза при больших базах анализируе" мого сигнала и невысокая стабиль" ность, что определяется большим числом аналоговых элементов и узлов, применяемых в анализаторе, причем очность установки и стабильность параметров каждого элемента (узла) непосредственно опоеделяют точность и стабильность анализа (работы анализатора), а также невозможность

20 обеспечения сущест венной микроминиатюризации.

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому аналиэа917118

Кроме чого, счрукчура на основе прибора с зарядовой связью выполнена на подложке с проводимосчью и -1 па и состоит из расположенных на подложке часчичных структур на основе

40 приборов с зарядовой связью, не находящихся между собой в зарядовой связи, каждая из кочорых выполнена в виде последовательно расположенных выходного элекчрода, первого передающего электрода, распределичельного элекч рода, группы Blopblx передающих электродов, группы элекчродов хранения, группы записывающих электродов и группы р-п-переходов, выходных шин и шины входного сигнала, причем р-и. †перехо подключены к шине входного сигнала, выходные электроды под" ключены к выходным шинам, группы записывающих электродов, вчорых передающих электродов и элект родов хранения, а также распределительный и первый передающий электроды подключор, содержащий последовачельно сое диненные генератор периодической последовач ельносч и управляющих импульсов, блок управления и блок формирования потенциалов, согласую щий каскад, вход кочорого соединен с входом анализатора (2J.

Недостач ками известного анализатора также являются сложносч ь и недосчачочная стабильносчь;

Цель изобретения - повышение стабильности и обеспечение микроминиатюризации усч ройсч ва.

Поставленная цель досчигаечся тем, ччо анализатор ортоганальных составляющих спекч ра элекч ричес ких сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор пеоиоди" ческой последовач ельности управляющих импульсов, блок управления и о блок формирования потенциалов, а также согласующий каскад, вход кочорого соединен с входом анализачора, снабжен последовательно соединенными счрукч урой на основе приборов с заря- 2 довой связью и дифференциальным усиличелем, причем поченциальные входы упомянутой счрукчуры и дифференцйального усиличеля подключены к первым выходам блока формирования потенциалов, сигнальный вход структуры на основе приборов с зарядовой связью подключен к выходу согласующего каскада, а выход дифференциального усилителяя соединен с выходом анализачора

35 чены к сост вет ст вующим поч енциаль ным входам струкчуры.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого анализатора, на фиг.2 — чо же, прибора с зарядовой связью (ПЭС-счрукчура); на фиг.3 схема разреза выходных электродов.

Анализатор ортогональных сосчавляющих спекчра элекчрических сигналов содержит генератор 1 периодической последовательносчи управляющих импульсов, согласующий каскад

2, блок 3 формирования поч енциалов, блок 4 управления, дифференциальный усилитель 5, струкчуру 6 на основе приборов с зарядовой связью (ПЗСструктуру), причем поченциальные входы ПЗС-структуры Ь и дифференциального усилителя 5 подключены к соочвечсчвующим выходам блока 3 формирования потенциалов, управляющий и синхронизирующий входы которого подсоединены сооч вечсчвенно к выходам блока 4 управления и генератора 1 управляющих импульсов, вход генерачора 1 управляющих импульсов подключен также к входу блока 4 управления, выход

ПЗС-структуры 6 подключен к сигнальным входам дифференциального усиличеля 5, выход кочорого является выходом анализачора, сигнальный вход

ПЗС-ст рукч уры 6 подключен к выходу согласующего каскада 2, вход которого являешься входом анализатора.

ПЗС-структура 6 выполнена на единой подложке 7 с проводимостью и-чипа и содержит расположенные на подложке частичные 13C-счрукчуры 8-1, ...,8-Ч, не находящиеся между собой в зарядовой связи, в каждую из которых входяч последовательно расположенные и изолированные оч подложки "

7 выходной электрод 9 иэ группы электродов 9- l,,9-N, первый передающий элекч род 10 из группы электродов 10-1,...,10-N распределительный электрод 11, группа вторых передающих элекчродов 12(1)-12(N), группа электродов 13(1)-13(М)хранения, группа записывающих электродов 14,1)14(N) и группа р-и-переходов 15(1)15(й), выходные шины 16 и шину 17 входного сигнала, причем р-.п-переходы

15(1)-15(й) подключены к шине 17 входного сигнала. Выходные электроды 9, разрезанные по синусоидальному закону (фиг.3), подключены к выходным шинам 16, группы записывающих элек5 9171 тродов 14-1,...,14-N, вторых передающих электродов 12-1,...,12-N и электродов 13-1,...,13-М хранения, а также распределительный 11 и первый передающий 10 электроды подключены. к соответствующим потенциальным Вхо» дам ПЗС-структуры 6, шина 17 входного сигнала является сигнальным входом ПЗС-структуры 6, а выходные шины 16 — ее выходом. 10

Анализатор ортогональных состав-. ляющих спектра электрических сигналов работает следующим образом.

Исследуемый сигнал с выхода сог,ласующего каскада 2 поступает на р-и-переходы 15(1)-1,...,15(N)-N одновременно через шину 17 входного сигнала. K входам блока 4 управления и блока 3 формирования потенциалов поступает периодическая последовательщ ность импульсов ol генератор 1. С приходом первого управляющего импульса блок 3 устанавливает на своих выходах, подключенных к записывающим элект родам 14 (1) - l,..., 14 (1) -N высокий отрицательный потенциал на короткое время, равное длительности управляющего импульса генератора 1.

ДлитеJlbHocfb управляющего импульса выбирается таким образом, что иссле- эв дуемый сигнал за время длительности импульсов не изменялся. За время действия первого управляющего им. пульса зарядовые пакеты, которые образуются в р-и-переходах 15 1)-1, 35 ..., l5(1)-N и каждый из которых пропорционален значению исследуемого сигнала в момент действия первого импульса, причем зарядовые пакеты одинаковы, перетекают под дей-4 ствием более высокого отрицательного потенциала на электродах 13(1)-1, ...,13(1) -М хранения зарядовых пакетов под соответствующие электроды 13(1)-1,...,13(1)-N хранения. С приходом второго, третьего и т.д. ,импульсов от генеоатора 1 устанавливаются высокие отрицательные потенциалы, соответственно на записывающих электродах 14(2)-1,...,14(2)-N;

14(3)-1,...,14(3)-й и т.д. Описанные процессы повторяются. По окончании длительности исследуемого сигнала под электродами хранения находятся зарядовые. пакеты, величина

55 заряда которых пропорциональна соответ ст вующим значениям выборок исследуемого сигнала, взятых периодически с интервалом, равным пеоиоду сле18 6 дования управляющих импульсов (период следования управляющих импульсов свя" эан с шириной спектра исследуемого сигнала обобщенной теоремой Коте" льникова). Число выборок сигнала равно N,.ãäå N-1 Т/Ту Т » длительность исследуемого сигнала, Т - пери" од следования управляющих, импульсов негератора 1. Причем под электродами

13(1)- 1,..., 13(1) -М хранения хранятся одинаковые зарядовые пакеты, вели" чина заряда каждого из которых пропорциональна значению первой выборки исследуемого аигнала, под электродами 13(2)- 1,...13,2)-N хранениявторой выборки и т.д. Процесс записи выборок сигнала в виде зарядовых пакетов заканчивается к моменту времени Т+Тт,, где Т„„- длительность переходного процесса прибора с заря" довой связью, т.е. к моменту поступления N+1-го управляющего импульса.

К этому моменту времени после поступления и окончания Й-го управляющего импульса потенциал на записывающих электродах повышается и устанавливается близким к нулю.

При поступлении N+1-го управляющего импульса с выхода генератора 1 на вход блока 3 формирования потенциалов на выходах последнего, подключенных к вtopblH передающим электродам, потенциал которых в исходном состоянии близок к нулю, устанавливаетсяя высокий отрицательный потенциал, но не выше, чем отрицательный потенциал распоеделительного электро" да . Причем высокий отрицательный потенциал устанавливается не íà всех вторых передающих электродах 12(1)12(N), а только на их части, которая задается блоком 4 управления и определяется частотой Щ„, на которой определяется ортогональная составляющая спектра, пропорциональная сумме C„S $(è -1) Т )s in (n-1) Т> (здесь 5,t) - исследуемый сигнал, S ((n-1)T>) — выборки исследуемого сигнала),.если определяется синусная составляющая спектра, либо сумме

5 I ï -1 ) Ту ) соэИ (и "1 ) Т, если определяет ся косинусная сост авляющая спект ра, причем В К= 2K7l (N-l ) Ту.

При установлении высокого отрицательного потенциала на части вторых передающих электродов с указанными номерами зарядовые пакеты, .находя" щиеся под эдектродами хоанения с

7 91711 соо1ветствующими номерами, переходят под распределительный электрод 11 соответствующей ПЗС-структуры 8.

Причем под распределительный электрод каждой ПЗС-структуры переходит только один зарядовый пакет, Через время Ти, на вторых переда" ющих электродах 12 {1)-1,...,12(2)-3 устанавливается прежний потенциал, а на первых передающих электродах

10-1,...,10-М устанавливается высокий отрицательный потенциал (но не выше, чем на выходных электродах

9- 1,...,9-М) и зарядовые пакеты переходят под соответствующие выходные электроды 9-1,...,9-N. По выходным шинам 16-1 и 16-2 протекают токи, причем ток, про1екающий по шине

16- 1, пропорционален, величине

М-3

7, (1-S )q 20 и и а чок, протекающий по шине 16-2 величине

2 "Ъ) и

n=4 . (здесь Q - величина заряда в n""ом зарядовом паке1е). При этом на выходе дифференциального усилителя 5 фост,мируе1ся напряжение, пропорциональное величине Зо

N-1

Sè и (1) и=л

Так как выходные электроды разрезаны по синусоидальному закону, т,е. площадь электрода изменяется по си35 нусоидальному закону (фиг.3), то коэффициент S изменяется с изменением номера по синусоидальному закону. Таким образом, величина (1) пропорциональна значению синусной состав-, ляющей спектра исследуемого сигнала на частоте иИ, После окончания процесса формирования выходного напряжения (через время Т ) дифференциального усили1еля потенциал выходных электродов

9-1,...,9-N устанавливается большим потенциалов первых передающих электродов 10- 1,, 10-N,ïîòåíöèàë которых в свою очередь, больше потенциала распре50 делительных электродов 11-1... 11-М, и зарядовые пакеты переходят под соответствующие распределительные электроды. По истечении. времени T> (после окон;ания переходного процесса) по1енциал группы вторых. передающих электродов, номера которых соответствуют номерам электродов хранения, под которыми нет зарядовых пакетов, усчанавливаечся высоким отрицатель" ным, но не выше, чем на электродах . хранения, а на распределительных электродах потенциал устанавливается близким к нулю. При этом зарядовые паке1ы возвращаются под прежние электроды хранения. Через интервал времени Т„„ потенциалы указанной группы вторых передающих электродов устанавливаются близкими к нулю, схема возвращается в исходное состояние.

Для измерения ортогональной составляющей спектра на другой частотей <блок (4 управления разрешает установление высоких отрицательных потенциалов блоку 3 формирования потенциалов другой соответствующей(N (группе вторых передающих электродов 12. Описанные процессы формирования ортогональных составляющих спектра исследуемого сигнала повторяются. Время измерения ортогональной составляющей спектра равно суммарному времени передачи зарядовых пакетов от электродов хранения к выходным электродам и обра1но, т.е. Т„ = 4Т

Таким образом, на выходе дифференциального усилителя 5, являющемся выходом анализа1ора, формируется последоват ельHoc1ь равноотстоящих на время Т импульсов, длительность каждого из которых равна Т, а амплитуда пропорциональна значению соочветсчвующей ор1огональной составляющей спектра исследуемого сигнала. Длительнос1ь этой последовательности импульсов при полном анализе спектра равна 4(М-1)Т . Величина

Т„„ для ПЗС может достигать величины долей микросекунд и менее, поэтому время воспроизведения спектра может быть значительно меньше длительности сигнала Т, и в большинстве случаев может быть одного порядка с Т>, т.е. анализатор работает в реальном времени.

После окончания процесса воспроизведения ор1огональных составляющих спектра,т.е. в момент времени (N-1)» хТ +Т „+4 (М-1) Т„потенциалы всех записывающих электродов 14 устанавливаются значительно ниже потенциалов всех вторых передающих электродов 12, и зарядовые пакеты перетекают в р-области соответствующих р-и-переходов 15, после чего схема готова к следующему циклу работы (анализа), 9 91711 кочорый начинаеч ся в момент времени (N-1) Т„+г Т„„+4! И-1) Т .

Таким образом, анализатор может воспроизводичь бртогональные сосчавляющие спектра c÷ríàëà дличельносчью

Т с временем воспроизведения (4M+2)T, ч.е. пракчически в реальном времени.

Анализатор орчогональных состав" ляющих спекчра электрических сигна" лов очличаечся упрощением схемы уст- . lO ройсчва и ее технической реализацией при заданной точносчи анализа и больших базах анализируемого сигна" ла за счет исключения 2B+1 (где В база сигнала, равная произведению по- >s лосы анализа на длительность анали" зируемого сигнала) аналоговых балансных суммачоров-инч еграчоров с 2B+1 входами каждый и других аналоговых элеменчов и узлов выполнения анализа- уо чара на дискреч ных элеменчах и ПЗС, а чакже повышением счабильности эа счет устранения большого количесч" ва аналоговых элеменчов и узлов в анализаторе, усчранением влияния нечочносчи их усчановки и счабильносчи парамечров на чочность анализа (например стабильность поченциалов на электродах Il3C предлагаемого анализатора, несчабильносчь дличельносчи импульсов блока формирования поченциалов и моментов переключения их также не сказываются на счабильности парамечров предлагаемого анализачора), и обеспечением существенной микроминиачюризации устройства за счеч выполнения анализатора на основе ПЗС с моноличной счрукчурой.

40 формула изобречения

1. Анализатор орчогональных сос" чавляющих спекчра электрических сигналов, содержащий последовачельно со-. <> единенные генерачор периодической последовачельносчи управляющих импульсов, блок управления и блок формирования потенциалов, а чакже согласующий каскад, вход которого соедй8 10 нен с входом анализатора, о т л ич а ю шийся чем, ччо, с целью повышения стабильности и обеспечения микроминиачюриэации устройства, он снабжен последовач ельно соединенными счрукчурой на основе приборов с зарядовой связью и дифференциальным усилителем, причем поченциальные входы упомянутой счpyкчуры и дифференциального усиличеля подключены к первым выходам блока формирования поченциалов, сигнальный вход счруктуры на основе приборов с зарядовой связью подключен к выходу согласующего каскада, а выход дифференциаль" ного усилителя соединен с выходом анализачора.

2. Анализачор по п.1, о ч л и ч а ю шийся чем, ччо структура на основе приборов с зарядовой связью выполнена на подложке с проводимосчью и-чипа и сосчоич из расположенных на подложке частичных счрукчур на основе приборов с зарядовой связью, не находящихся между собой в зарядовой связи, каждая из кочорых выполнена в виде последовач ельно рас" положенных выходного элекчрода, первого передающего элекчрода, распределичельного элекч рода, группы вчорых передающих электродов, группы электродов хранения, группы записывающих элекчродов и группы р-n --переходов, выходных шин и шины вход" ного сигнала, причем р-и -переходы подключены к шине входного сигнала, выходные электроды подключены к выходным шинам, группы записывающих элекчродов, вчорых передающих элек- . тродов и элекчродов хранения, а также распределительный и первый пере. дающий элекч роды подключены к соот веч сч вующим поченциальным входам сч руктуры.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидечельсчво СССР

N 456226, кл. G 01 R 23/00, 1973.

2. Electron hett, 1977, 13, У 159

431-432.

917> ) 8

И- Ol

М- Cl

И-ЯБ й- (l)zg

Л(- (r)б

n -(С) Г4 и-(Т)б!

Ф- (E)0l

Ю-() И и- (z8s

l-Ы

fag

l-Й

3-И

l- (z)ri

s- (s/г/ с-()и

Е-(Х)0

l-(г)н

c- (zfhc с и

1 (с -. » ъ4Ф"

9ll 7118

Составитель Л. Устинова

Редактор А. Лежнина Техред р. абинец Корректор " Швь дкая

Заказ 1881/65 . Тираж 719 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 филиал ППП "Паченч ", г.Ужгород, ул.Проектная, 4