ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ Российский патент 1995 года по МПК G01R23/02 

Изобретение относится к радиоизмерениям и предназначено для измерений частоты радиоимпульсов и их длительности, частоты непрерывных синусоидальных сигналов, а также временных интервалов с высокой точностью в реальном масштабе времени.

Известен цифровой частотомер, содержащий источник эталонных сигналов, включающий соединенные последовательно генератор опорной частоты и формирователь импульсов опорной частоты; схему совпадения, триггер, вход которого соединен с двумя каналами, каждый из которых включает последовательно соединенные ключ и счетчик импульсов, причем второй вход ключа второго канала соединен со входом триггера, а вход устройства соединен со вторыми входами совпадения и ключа первого канала через устройство преобразования входного сигнала, содержащее формирователь импульсов измеряемой частоты [1]
Недостатками этого устройства являются невозможность проведения измерения частоты в реальном масштабе времени в случае поступления на вход радиоимпульсов с длительностью, недостаточной для заполнения счетчика измеряемой частоты, а также невозможность проведения измерений длительности временных интервалов. Кроме того, подобное устройство обладает низкой точностью, которая обусловлена отсутствием синхронизации конца "мерного интервала" с окончанием периода измеряемой частоты и нестабильностью опорной (эталонной) частоты, а также высокой сложностью изготовления высокостабильного генератора опорной (эталонной) частоты.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является цифровой частотомер, содержащий последовательно соединенные формирователь импульсов измеряемой частоты, вход которого является входом устройства, ключ, два счетчика, схему совпадения, вход которой подключен к выходу формирователя импульсов измеряемой частоты, два триггера, два последовательно соединенных ждущих мультивибратора, вход первого из которых соединен с выходом формирователя импульсов измеряемой частоты и первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, рециркулятор, выполненный в виде последовательно соединенных усилителя и линии задержки, выход которого соединен с входом усилителя и является первым выходом рециркулятора, вторым выходом которого является выход усилителя, который подключен к второму входу первого счетчика, дополнительный вход которого соединен с выходом первого ждущего мультивибратора и с первым входом второго триггера, второй вход которого подключен к первому выходу рециркулятора, входами которого являются входы усилителя, первый из которых соединен с выходом первого ждущего мультивибратора, а второй с выходом схем совпадения, второй вход которой подключен к выходу второго ждущего мультивибратора, кроме того устройство содержит вторую линию задержки, решающий блок, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, а его третий вход подключен к выходу второй линии задержки, и многоканальный дискриминатор длительности, состоящий из секционной линии задержки, к каждому выходу которой подключены последовательно соединенные сумматор, ограничители и выходной каскад, выход которого служит соответствующим выходом многоканального дискриминатора длительности, вход которого образован соединением входа секционированной линии задержки со всеми вторыми входами сумматоров, при этом выход первого триггера подключен к входу второй линии задержки, к дополнительному входу второго счетчика и к входу многоканального дискриминатора длительности, выходы которого подключены к соответствующим входам второго счетчика [2]
Недостатком данного устройства является довольно узкая область применения (измеряется только частота радиосигналов в то время, как реализованный в устройстве метод измерения позволяет дополнительно измерять длительность временных интервалов). Кроме того, устройство обладает низкой точностью измерения, так как большой вклад в результирующую погрешность измерения вносит нестабильность периода следования импульсов эталонной частоты, формируемых рециркулятором в каждом мерном интервале. Подобная нестабильность обусловлена переходными процессами в активном элементе рециркулятора при апериодичном открывании и закрывании его входа.

Одним из путей расширения функциональных возможностей устройства при одновременном повышении точности измерения является изыскание и реализация таких технических решений, которые обеспечивали бы исключение указанных выше недостатков прототипа. Этих недостатков лишен предлагаемый цифровой измеритель параметров радиосигналов в реальном масштабе времени, содержащий формирователь импульсов измеряемой частоты, ждущий мультивибратор, первый и второй счетчики импульсов, рециркулятор, состоящий из последовательно включенных усилителя и линии задержки, первый и второй триггеры, многоканальный дискриминатор длительности и решающее устройство, отличающийся от прототипа тем, что в него введены первый и второй амплитудные детекторы, формирователь периода следования радиосигналов, формирователь импульсов измеряемых временных интервалов, электронный ключ, первый и второй переключатели, электронный выключатель, элемент ИЛИ, формирователь импульса запуска, выполненный, например, в виде последовательно включенных обостряющей RLC-цепи и ждущего мультивибратора и цифровой индикатор, причем первый вход первого переключателя является входом измерителя, первый выход первого переключателя соединен с входом формирователя импульсов измеряемой частоты, второй выход соединен через первый амплитудный детектор с первым входом формирователя импульсов измеряемых временных интервалов, третий выход первого переключателя соединен через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и формирователь периода следования радиосигналов с вторым входом формирователя импульсов измеряемых временных интервалов, четвертый выход соединен с третьим входом формирователя импульсов измеряемых временных интервалов, первые выходы формирователя импульсов измеряемой частоты и формирователя импульсов измеряемых временных интервалов объединены и подключены к первому управляющему входу электронного ключа, вторые выходы объединены и подключены к первому управляющему входу второго триггера, первому входу первого счетчика импульсов, первому входу ждущего мультивибратора и второму управляющему входу электронного ключа, первый вход которого соединен через рециркулятор с выходом формирователя импульса запуска и вторым управляющим входом второго триггера, выход электронного ключа подключен к второму входу первого счетчика импульсов и второму управляющему входу первого триггера, выходы первого и второго триггеров подключены соответственно и второму входам элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом многоканального дискриминатора длительности, состоящего из N-секционной линии задержки, к каждому из выходов которой подключено элемент совпадения, выходы которых являются выходами многоканального дискриминатора длительности, вход N-секционной линии задержки соединен с вторыми входами элементов совпадения и являются входом многоканального дискриминатора длительности, выходы которого подключены к N-разрядным входам второго счетчика импульсов, первый вход которого соединен с (N+1) выходом N-секционной линии задержки, выход второго счетчика импульсов соединен с первым входом решающего устройства, второй вход которого подключен к выходу первого счетчика импульсов, выходы решающего устройства соединены через второй переключатель с первым входом цифрового индикатора, при этом выход ждущего мультивибратора соединен со вторым входом электронного ключа, третьим входом первого счетчика импульсов, с третьими управляющими входами первого и второго триггера, с управляющим входом решающего устройства и с вторым входом второго счетчика импульсов, второй вход ждущего мультивибратора соединен с выходом электронного включателя и через второй переключатель со вторым входом цифрового индикатора, а третий вход решающего устройства соединен с вторым входом первого переключателя.

Расширение функциональных возможностей предлагаемого измерителя обеспечивается за счет реализации в нем возможности измерения временных интервалов за счет введения с соответствующим включением формирователя импульсов измеряемых временных интервалов, двух амплитудных устройств и формирователя периода следования радиосигналов. Одновременно обеспечивается повышение точности измерения частоты и длительности временных интервалов путем реализации стационарного режима работы рециркулятора, что исключает погрешности связанные с нестабильностью периода следования импульсов формируемой эталонной последовательности, а также учета погрешности дискретности в результатах измерений.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого измерителя; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие его работу. Предлагаемый цифровой измеритель содержит переключатель 1, формирователь 2 импульсов измеряемой частоты, выполненный, например, в виде датчика пересечения нулевого уровня, формирователь 3 импульсов измеряемых временных интервалов, выполненный, например, в виде последовательно включенных дифференци- рующей цепи и диодного ограничителя, амплитудный детектор 4, амплитудный детектор 5, формирователь 6 периода следования радиосигналов, выполненный, например, в виде последовательно включенных дифференцирующей цепи и диодного ограничителя, формирователь 7 импульса запуска, выполненный, например, в виде последовательно включенных обостряющей RLC-цепи и ждущего мультивибратора, рециркулятор 8, состоящий из усилителя 9 и линии 10 задержки, электронный ключ 11, счетчик 12 импульсов, ждущий мультивибратор 13, электронный выключатель 4, триггер 15, триггер 16, элемент ИЛИ 17, многоканальный дискриминатор 18 длительности, состоящий из N-секционной линии 19 задержки и элементов 20.1, 20.2. 20. N совпадения, счетчик 2 импульсов, решающее устройство 22, переключатель 23, цифровой индикатор 24. Причем первый вход переключателя 1 является входом измерителя, первый выход переключателя 1 соединен с входом формирователя 2, второй выход соединен через амплитудный детектор 4 с первым входом формирователя 3, третий выход переключателя 1 соединен через последовательно соединенные амплитудный детектор 5 и формирователь 6 с вторым входом формирователя 3, четвертый выход соединен с третьим входом формирователя 3, первые выходы формирователей 2 и 3 объединены и подключены к первому управляющему входу триггера 15 и первому управляющему входу электронного ключа 11, вторые выходы формирователей 2 и 3 объединены и подключены к первому управляющему входу триггера 16, первому входу счетчика 12, первому входу ждущего мультивибратора 13 и второму управляющему входу электронного ключа 11, первый вход которого соединен через рецуркулятор 8 с выходом формирователя 7 и вторым управляющим входом триггера 15, выход электронного ключа 11 подключен к второму входу счетчика 12 и второму управляющему входу триггера 15, выходы триггеров 15 и 16 подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ 17, выход которого соединен с входом многоканального дискриминатора 18 длительности, выходы дискриминатора 18 подключены к N-разрядным входам счетчика 21 импульсов, первый вход которого соединен с (N+1) выходом N-секционной линии 19 задержки, выход счетчика 21 соединен с первым входом решающего устройства 22, второй вход которого подключен к выходу счетчика 12, выход решающего устройства 22 соединен через переключатель23 с первым входом цифрового индикатора 24, выход ждущего мультивибратора 13 соединен с вторым входом электронного ключа 11, третьим входом счетчика 12, с третьими управляющими входами триггеров 15 и 16, с управляющим входом решающего устройства 22 и с вторым входом счетчика 21, второй вход ждущего мультивибратора 13 соединен с выходом электронного включателя 14 и через переключатель 23 с вторым входом цифрового индикатора 24, а третий вход решающего устройства 22 соединен с вторым входом переключателя 1.

Принцип работы измерителя заключается в следующем.

Исследуемый сигнал, представляющий собой последовательность радиоимпульсов (или одиночный, видео-радиоимпульс, непрерывный радиосигнал), подается на вход переключателя 1. В первом положении переключателя 1 осуществляется измерение частоты радиосигнала; во втором положении длительности радиоимпульсов в третьем положении периода повторения радиоимпульсов; в четвертом положении длительности временного интервала. Так, например, при измерении частоты сигнал поступает на вход формирователя 2, при измерении длительности радиосигналов (τ_и) и период их повторения (τ_п) соответственно через амплитудный детекторы 4 и 5 и формирователь 6 на 1 и 2 входы формирователя 3, а при измерении длительности временного интервала на третий вход формирователя 3.

При поступлении радиоимпульсов или непрерывного радиосигнала (фиг.2а) на входе формирователя 2, выполненного в виде датчика пересечений нулевого уровня, в нем формируются короткие видеоимпульсы (фиг. 2б) в моменты времени, соответствующие каждому переходу синусоиды из отрицательной области в положительную (импульс положительной полярности) и из положительной области в отрицательную (импульс отрицательной полярности). Первый положительный видеоимпульс, поступая с первого выхода формирователя 2 на первый управляющий вход электронного ключа 11, открывает его. В этом случае счетчик 12 импульсов фиксирует число импульсов эталонной частоты повторения (фиг.2в), поступающих с выхода рециркулятора 8, состоящего из усилителя 9 и линии 10 задержки. Рециркулятор 8 запускается импульсом запуска, поступающим с выхода формирователя 7, выполненного в виде последовательно включенных обостряющей RLC-цепи и ждущего мультивибратора. Данное устройство формирует импульс запуска при подаче напряжения питания на измеритель. В этом случае обостряющая RLC-цепи формирует импульс запуска (фиг.2в), которая поступает на вход рециркулятора 8. При этом период повторения импульсов частоты соответствует времени задержки Δ Т_р линии 10 задержки. Обнуление счетчика 12 и выдача результатов счета в решающее устройство 22 происходит в момент времени, соответствующий появлению импульса отрицательной полярности с второго выхода формирователя 2 на втором управляющем входе электронного ключа 11. Решающее устройство 21 определяет грубо полупериод колебаний входного радиосигнала:
Т_f Δ Т_р (М-1),
где Δ Т_р период следования импульсов, формируемых рециркулятором 8;
М число импульсов, зафиксированных счетчиком 12 импульсов.

Повышение точности определения исследуемого радиосигнала обеспечивается путем снижения погрешности определения полупериода колебаний Т_f данного радиосигнала за счет учета "интервалов ошибок", возникающие при несовпадении по времени импульсов эталонной частоты повторения с импульсами положительной и отрицательной полярности сигналов, поступающих на электронный ключ 11. "Интервалы ошибок" начала и конца измерений формируется с помощью триггеров 15 и 16 соответственно (фиг.2д). Так, импульсом положительной полярности с первого выхода формирователя 2 триггер 15 переводится в единичное состояние. В нулевое состояние триггер 15 возвращается первым импульсом с выхода электронного ключа 11, в результате чего формируется "интервал ошибок" начала измерений, равный τ₀₁ (фиг.2д). "Интервал ошибок" конца измерений τ₀₂= ΔT_р- (фиг.2д) формируется следующим образом. Импульсом отрицательной полярности с второго выхода формирователя 2 триггер 16 переводится в единичное состояние, затем триггер 16 возвращается в нулевое состояние при воздействии импульса с выхода рециркулятора 8. Тогда с учетом известных "интервалов ошибок" можно точно определить Т_fиз следующего выражения:
Т_f Δ Т_р (М-1) + τ₀₁+ΔT_р-τ₀₂'= M˙ΔT_р+τ₀₁-τ₀₂'.

Определение "интервала ошибок" начала τ₀₁ и конца измерений τ₀₂' осуществляется с помощью многоканального дискриминатора 18 длительности. Так, например, импульс длительностью τ₀₁ (фиг.2д) через элемент ИЛИ 17 попадает на вход N-секционной линии 19 задержки. Задержанный последовательно на время Δτ_з˙ 1; Δτ_з˙ 2; Δτ_з˙ N импульс с каждого из N выводов линии 19 задержки поступает на вход соответствующего элемента 20.1, 20.2.20.N cовпадения, на другие входы которых поступает незадержанный измеряемый видеоимпульс с выхода элемента ИЛИ 17 с длительностью τ₀₁. В результате на К выходах многоканального дискриминатора 18 длительности появляются сигналы с дискретностью во времени, равной Δτ_з. Число этих импульсов определяется счетчиком 21 импульсов. В этом случае τ₀₁=Δτ_з˙ К₁, где Δτ_з- время задержки одной секции линии 19 задержки;
K₁ число импульсов на входе дискриминатора 18 при измерении длительности τ₀₁. Аналогично определяется длительность τ₀₂'=Δτ_з K₂, где K₂ число импульсов на выходе дискриминатора 18 при измерении длительности τ₀₂.

При этом время задержки Δτ_з одной секции линии задержки и число секций N выбирается из условия Δτ_з=Δ T_р/N. Обнуление счетчика 21 импульсов и выдача результатов счета в решающее устройство 22 происходит в момент времени, соответствующий заднему фронту видеосигнала на (N+1) выходе линии 19 задержки. Решающее устройство 22 выполняет простейшие операции при вычислении частоты исследуемого радиосигнала в соответствии с аналитическим выражением
f_х 1/2 Т_f, где Т_f М ˙Δ Т_р + Δτ_з˙ K₁ Δτ_з˙ К₂.

Результаты измерений отображаются на цифровом индикаторе 24. При этом с первого выхода решающего устройства 22 поступает информация о результатах единичного измерения, а с второго усредненные данные о результатах измерения с учетом всех предыдущих измерений (L), т.е. при измерении частоты
f_xср= f_xi; i=1; 2; L
Коммутация 1 и 2 выходов решающего устройства 22 осуществляется с помощью переключателя 23.

Синхронизация работы схем и устройств измерителя (11, 12, 15, 16, 21 и 22) осуществляется в момент времени, соответствующий заднему фронту импульса, формируемого ждущим мультивибратором 13 длительностью τ_м≥ (1,3-1,5) Δτ_з. Начало каждого последующего измерения будет определяться наличием очередного импульса положительной полярности на выходе формирователя 2. Следует отметить, что при отображении на цифровом индикаторе 24 усредненной информации о результатах измерения, возможен ее сброс путем нажатия электронного выключателя 14, при котором необходимые схемы и устройства измерителя, в том числе и цифровой индикатор 24, устанавливается в исходное состояние.

Работа предлагаемого измерителя при измерении временных интервалов (переключатель 1 во 2; 3 или 4 положении) аналогична рассмотренной выше. Однако в данном случае с помощью схем и устройств 3,4,5 и 6 осуществляется дополнительно формирование коротких импульсов, моменты появления которых соответствуют времени появления переднего и заднего фронтов исследуемых временных интервалов. Так, например, на первом выходе формирователя 3 формируются положительные импульсы, моменты подавления которых соответствуют переднему фронту исследуемого радиоимпульса (переключатель 1 во 2 положении), а на втором выходе отрицательные видеоимпульсы, соответствующие по времени заднему фронту данного радиоимпульса. В этом случае решающее устройство 22 выполняет простейшие операции при вычислении длительности радиоимпульса в соответствии с аналитическим выражением
t_х М ˙Δ Т_р + Δτ_з (K₁ K₂) при единичном измерении (информация на первом выходе устройства 22) и
f_xср= t_xi при усреднении информации о результатах измерения временных интервалов (информация на втором выходе устройства 22). Алгоритм работы решающего устройства 22 (вычисление частоты радиосигнала или длительности временных интервалов) определяется положением переключателя 1.

Таким образом, расширение функциональных возможностей измерителя при одновременном повышении точности измерения достигается путем реализации в нем дополнительной операции измерения, а именно длительности временных импульсов с исключением в результатах измерения погрешности дискретности начала и конца измерений. Кроме того, учет погрешности дискретности начала и конца измерений позволил обеспечить стационарный режим работы рециркулятора, что дало возможность исключить погрешность измерения частоты и длительности временных интервалов, связанной с нестабильностью периода следования импульсов, формируемых рециркулятором.

Использование: изобретение относится к радиоизмерениям и предназначено для измерения частоты радиоимпульсов и их длительности, частоты непрерывных синусоидальных сигналов, временных интервалов с высокой точностью в реальном масштабе времени. Измеритель содержит: переключатель 1, формирователь 2 импульсов измеряемой частоты, формирователь 3 (импульсов измеряемых временных интервалов, два амплитудных детектора 4 и 5, формирователь 6 периода следования радиосигналов, формирователь 7 импульса запуска, рециркулятор 8, электронный ключ 11, два счетчика 12 и 21 импульсов, ждущий мультивибратор 12, электронный выключатель 14, два триггера 15 и 16, элемент ИЛИ 17, многоканальный дискриминатор 18 длительности, решающее устройство 22, цифровой индикатор 24. 2 ил.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ, содержащий формирователь импульсов измеряемой частоты, ждущий мультивибратор, первый и второй счетчики импульсов, рециркулятор, состоящий из последовательно включенных усилителя и линии задержки, первый и второй триггеры, многоканальный дискриминатор длительности и решающее устройство, отличающийся тем, что в него введены первый и второй амплитудные детекторы, формирователь периода следования радиосигналов, формирователь импульсов измеряемых временных интервалов, электронный ключ, первый и второй переключатели, электронный выключатель, формирователь импульсов запуска, элемент ИЛИ и цифровой индикатор, причем первый вход первого переключателя является входом измерителя, первый выход первого переключателя соединен в входом формирователя импульсов измеряемой частоты, второй выход соединен через первый амплитудный детектор с первым входом формирователя импульсов измеряемых временных интервалов, третий выход первого переключателя соединен через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и формирователь периода следования радиосигналов с вторым входом формирователя импульсов измеряемых временных интервалов, четвертый выход соединен с третьим входом формирователя импульсов измеряемых временных интервалов, первые выходы формирователя импульсов измеряемой частоты и формирователя импульсов измеряемых временных интервалов объединены и подключены к первому управляющему входу первого триггера и первому управляющему входу электронного ключа, вторые выходы объединены и подключены к первому управляющему входу второго триггера, первому входу первого счетчика импульсов, первому входу ждущего мультивибратора и второму управляющему входу электронного ключа, первый вход которого соединен через рециркулятор с выходом формирователя импульсов запуска и непосредственно с вторым управляющим входом второго триггера, выход электронного ключа подключен к второму входу первого счетчика импульсов и второму управляющему входу первого триггера, выходы первого и второго триггеров подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом многоканального дискриминатора длительности, состоящего из N-секционной линии задержки, к каждому из выходов которой подключен элемент совпадения, выходы которых являются N выходами многоканального дискриминатора длительности, вход N-секционной линии задержки соединен с вторыми входами элементов совпадения и является входом многоканального дискриминатора длительности, выходы которого подключены к N-разрядным входам второго счетчика импульсов, первый вход которого соединен с (N+1)-М выходом N-секционной линии задержки, выход второго счетчика импульсов соединен с первым входом решающего устройства, второй вход которого подключен к выходу первого счетчика импульсов, выходы решающего устройства соединены через второй переключатель с первым входом цифрового индикатора, при этом выход ждущего мультивибратора соединен с вторым входом электронного ключа, с третьим входом первого счетчика импульсов, с третьими управляющими входами первого и второго триггеров, с управляющим входом решающего устройства и с вторым входом второго счетчика импульсов, второй вход ждущего мультивибратора соединен с выходом электронного выключателя и через второй переключатель с вторым входом цифрового индикатора, а третий вход решающего устройства соединен с вторым входом первого переключателя.