УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФОРМЫ ОДНОКРАТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R29/02 

Изобретение относится к информационно измерительной технике и может быть использовано при исследовании быстропротекающих процессов.

Измерение формы импульсных сигналов нано- и субнаносекундного диапазона производится во многих случаях путем преобразования временного масштаба, в основе которого лежит дискретизация этих сигналов, т. е. выделение мгновенного значения соответствующего известному моменту времени, запоминание каждой дискретной выборки (что и является регистрацией и позволяет осуществлять любые операции: измерение, преобразование в цифровой код и т. д.) и последующее относительно медленное считывание.

Известен масштабно-временной преобразователь однократных сигналов [1] содержащий коаксиальную линию задержки с отводами, к которым подключены управляемые импульсами с генератора строб-импульсов ключи-смесители, с выходов которых дискретные значения выборок исследуемого сигнала поступают на усилители-расширители, не нарушающие их амплитудного соотношения. При помощи коммутатора производится относительно медленное считывание дискретных значений выборок. На выходе коммутатора получают исследуемый сигнал в эквивалентом масштабе времени.

Устройство [1] при измерении формы импульсных сигналов субнано- и пикосекундного диапазона длительности характеризуется высокой погрешностью, что по существу делает его непригодным.

Известно устройство [2] разработка заявителя для регистрации однократных и редкоповторяющихся сигналов, в котором канал преобразования состоит из последовательно соединенных порогового элемента и преобразователя интервал-код, соединенного с блоком памяти.

В известном устройстве [3] разработка заявителя снижена погрешность преобразования при обеспечении относительно высокого быстродействия, что достигнуто введением широкополосных несимметричных делителей напряжения.

Общим недостатком устройств [1 и 2] является увеличение погрешности преобразования при расширении полосы частот исследуемого сигнала. Экспериментально установлено, что при достижении верхней граничной частоты полосы пропускания f_в значения 1 1,5 ГГц погрешность составляет 10%
Как следует из вышесказанного, одной из основных проблем при разработке цифровых измерителей формы и параметров импульсных сигналов нано- и пикосекундного диапазона является получение последовательности стробирующих импульсов, жестко привязанных к исследуемому однократному или периодическому сигналы. Эта проблема относится как к измерению однократных, так и периодических сигналов, так как режим стробирования возможен как в реальном, так и в эффективном времени [1]
В стробоскопических осциллографах эта проблема решается путем организации внутреннего цикла формирования стробирующих импульсов, период которого может быть значительно больше периода следования исследуемых импульсов [4]
Обработка однократных импульсных сигналов нано- и пикосекундного диапазона цифровым способом накладывает ряд дополнительных сложностей, связанных с тем, что исследуемый сигнал единственный.

Обработка однократных оптических импульсных сигналов может проводиться как традиционными способами, т.е. преобразование на фотоприемнике и далее исследование сигнала цифровым или аналоговым осциллографированием, так и с использованием волоконно-оптической техники обработки и преобразования сигналов.

Использование оптических средств позволяет упростить электронную часть измерителя формы и параметров однократного импульсного сигнала, повысить точность и улучшить временное разрешение.

Перспективным является использование оптического циркуляционного контура на волоконно-оптическом кабеле (ВОК), рассмотренного в [5] для преобразования однократного импульсного сигнала в квазипериодическую последовательность и исследование в эффективном времени.

В авт. св. [6] рассматривается устройство измерителя длительности одиночных оптических импульсов на основе оптического контура, содержащее светоделитель, циркуляционный оптический контур, в который включен двухвходовой оптический элемент И, первый вход которого связан со светоделителем-раздвоителем непосредственно, а второй через оптическую задержку, причем выходное излучение элемента И совпадает с направлением циркуляции измеряемого светового импульса, позволяющим уменьшить погрешность измерения до величины Δt где Δt временной сдвиг, определяемый внутренней линией оптической задержки.

Использование оптического циркуляционного контура на волоконно-оптическом кабеле с малым затуханием и дисперсией и других элементов волоконной техники позволяет провести эффективное преобразование однократного импульсного сигнала в квазипериодическую последовательность, сохранить форму и параметры импульсов в последовательности, неизменной с временным разрешением до десятков пикосекунд.

Исследование полученной последовательности в эффективном времени вновь ставит проблему получения последовательности стробирующих импульсов, жестко привязанной к последовательности основных импульсов и имеющей период следования Т_с Т_о + Δt где Δt шаг дискретизации, связанный с требуемым временным разрешением.

Так для исследования сигналов в полосе частот до 1 ГГц необходимо иметь Δt 100 пс, а нестабильность временного положения стробирующих импульсов относительно основных (джиттер) δ_t ≃ 1 пс. Кроме того, для формирования последовательности стробирующих импульсов нет возможности организовать длительный цикл синхронизации, как это делается в стробоскопических осциллографах, так как число импульсов квазипериодической последовательности ограничено.

Создать устройство синхронизации, удовлетворяющее приведенным требованиям, с использованием только электронной схемотехники и элементной базы, не представляется возможным.

Наиболее близким по решаемой задаче является устройство для регистрации формы однократных импульсов [3] по конструктивному выполнению устройство [6] для измерения параметров (длительности) оптических одиночных импульсов, содержащее основной оптический контур, светоделитель-раздвоитель, элемент оптической задержки. Оптический циркуляционный контур в нем выполнен с использованием стопроцентных отражающих зеркал, обратной призмы, усилителя интенсивности света и т. д.

Целью изобретения является расширение полосы пропускания регистрируемых сигналов при обеспечении удовлетворительно низкой погрешности.

Цель изобретения заключается в устройстве для регистрации однократных оптических и электрических импульсных сигналов, содержащем основной оптический циркуляционный контур, подключенный к оптическому ответвителю, светоделитель-раздвоитель, оптический элемент задержки, достигается тем, что в устройство введены дополнительный оптический циркуляционный контур, подключенный к дополнительному оптическому ответвителю, блок формирования стробирующих импульсов и блок выборки и хранения, причем вход светоделителя-раздвоителя через коммутатор соединен с информационными входами устройства, первый и второй выходы с основным и дополнительным ответвителем, выход дополнительного ответвителя напрямую, а выход основного через оптический элемент задержки соединены с первым и вторым фотодетекторами соответственно, выход второго фотодетектора соединен с первым входом блока выборки и хранения, выход первого фотодетектора через блок формирования стробирующих импульсов с вторым входом блока выборки и хранения, выход которого является информационным выходом устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве формирование основной и стробирующей последовательностей импульсов из однократного или редкоповторяющегося сигнала производится оптическими средствами, причем период следования импульсов стробирующей последовательности сдвинут на неизвестное и фиксированное время относительно периода следования импульсов основной последовательности. При этом основное время задержки Т t_о•i, где t_о период следования импульсов основной или стробирующей последовательности, i 1 N, где N максимальное число импульсов в одной из этих последовательностей, формируется оптическими средствами, т. е. практически без искажения формы исследуемого сигнала. Величина дополнительной задержки также формируется оптическими средствами, оптическим элементом задержки.

Над электрическими сигналами, сформированными из оптических путем преобразования на широкополосных фотодетекторах, осуществляется операция временной привязки, дискретизации и хранения полученных выборок, которые могут быть осуществлены без искажения формы исследуемого сигнала с временным разрешением порядка 50 пс.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие его работу.

Устройство состоит из коммутатора 1, оптического раздвоителя 2, направленных ответвителей 3 и 4, оптических циркуляционных контуров 5 и 6, элемента оптической задержки 7, быстродействующих фотодетекторов 8 и 9, блока выборки и хранения 10, блока формирования стробирующих импульсов 11, лазерного диода 12.

Коммутатор 1 является волоконно-оптическим коммутатором 2 канала 1, в качестве которого может быть использовано, например, оптическое реле ПКО-ПБ05-Т1Х2, выпускаемое ПО "Радиореле". Чтобы с его помощью коммутировать сигнал с электрического входа, сигнал необходимо преобразовать в оптический, подав на быстродействующий лазерный диод 12, например, типа ИЛПН-206 (НТЦ "Микролазер", завод "Полюс").

Оптический раздвоитель 2 является оптическим разветвителем 1•2, выполненным для волоконных линий. Такой разветвитель выпускается рядом предприятий, например НПК перспективных технологий. Направленные ответвители 3 и 4 совместно с оптическими циркуляционными контурами 5 и 6 представляют собой волоконно-оптический узел, выполненный, например, по сплавной технологии с волоконно-оптическим кабелем циркулирующего контура. Направленный ответвитель с циркуляционным контуром, описанный в [5] позволяет получить число циркуляций не менее 30 шт.

Быстродействующие фотодетекторы 8 и 9 в настоящее время также выпускаются рядом предприятий. Например, можно использовать лавинный фотодиод ЛФДГ-70 с временем нарастания 70 пс, выпускаемый МП "Мэтэк" при заводе "Полюс". Блок выборки и хранения 10 представляет из себя известное устройство, реализованное, например, на запоминающем конденсаторе, формирующее выборки сигнала при воздействии стробирующих импульсов, вырабатываемых в блоке формирования стробирующих импульсов 11, который может состоять из усилителя-ограничителя, быстродействующего компаратора, схемы временной задержки и обострителя импульсов. Подобные устройства реализованы в серийных стробоскопических осциллографах и рассмотрены, например, в техническом описании к стробоскопическому осциллографу С1-122; ЯЧС-100 блок двухканального стробоскопического преобразователя ГВ2.206.120 ТО.

Устройство работает следующим образом.

На входе устройства имеется коммутатор 1, который позволяет подавать в схему либо оптический импульс, либо оптический аналог электрического импульса, преобразованный на лазерном диоде 12. Далее входной сигнал в виде однократного оптического импульса раздваивается оптическим раздвоителем 2 и через направленные ответвители 3 и 4 поступает на основной оптический циркуляционный контур 5 и дополнительный оптический циркуляционный контур 6, которые представляют из себя замкнутые кольца из волоконно-оптического кабеля с разными длинами. Образованные в результате циркуляции однократного сигнала в замкнутых оптических контурах квазипериодические последовательности оптических импульсов выводятся через направленные ответвители 3 и 4 из оптических контуров 5 и 6. Последовательность оптических импульсов с основного контура 5, имеющая период следования импульсов То (фиг. 2, а), задерживается элементом оптической задержки 7 на величину t₃₁, преобразуется в электрические сигналы быстродействующим фотодетектором 8 и поступает в блок выборки и хранения 10 (фиг. 2, в). Последовательность оптических импульсов с дополнительного контура 6, имеющая период следования импульсов Т_с Т_о + Δt (фиг. 2, б), преобразуется в электрический сигнал бестродействующим фотодетектором 9 и поступает в блок формирования стробирующих импульсов 11, где формируется последовательность стробирующих импульсов с тем же периодом Т_с и поступает также в устройство выборки и хранения 10 (фиг. 2, д).

Время задержки t₃₂ в блоке 11 устанавливается таким, чтобы первый стробирующий импульс попал на начальный участок первого импульса исследуемого сигнала в интервале от 0 до Δt, т. е. t₁ t₃₂ t₃₁ ≅ Δt. В приведенном описании величина Δt, равная разности периодов циркуляции импульсов в основном и дополнительном контурах, эквивалентна шагу дискретизации входного импульсного сигнала с периодом t_д = Δt.
Таким образом, в блок выборки и хранения 10 подаются обрабатываемый сигнал в виде квазипериодической последовательности импульсов копий входного импульса с периодом Т_о и последовательность стробирующих импульсов с периодом Т_с Т_о + Δt, что и обеспечивает правильную работу блока выборки и хранения 10 с шагом дискретизации Δt.
На выходе блока выборки и хранения 10 имеется последовательность расширенных импульсных выборок из входного сигнала (фиг. 2, д), взятых с шагом Δt и подвергнутых трансформации временного масштаба с коэффициентом трансформации q = T_c/Δt, что позволит в последующих блоках преобразовать выборки в цифровой вид, подать на персональный компьютер (ПК) для программно-математической обработки. В результате такой обработки будет восстановлена форма исследуемого импульса P_вх(t), а также вычислены такие его параметры, как амплитуда, длительность на полувысоте, время нарастания и другие.

Положительным эффектом, возникающим при использовании предлагаемого устройства является расширение полосы пропускания тракта регистрации однократных оптических и электрических импульсных сигналов, достигаемое при значительном упрощении регистрирующей части: все устройство может быть выполнено в виде небольшого блока, сопрягаемого с ПК по стандартной магистрали. Достижимое временное разрешение определяется величиной Δt, которая фактически определяется различием длины основного и дополнительного циркуляционных контуров

где l₁ длина основного оптического контура;
l₂ длина дополнительного оптического контура;
V_р скорость распространения света в волокне оптических контуров.

Если l₂ l₁ 1 см, V_р 2•10⁸ м/с, то Δt 50 пс, что соответствует верхней граничной частоте f_в в спектре исследуемого с помощью предлагаемого устройства сигнала в соответствии с теоремой Котельникова f_в = 1/2Δt = 10 ГГц.
В связи с использованием в тракте прохождения сигнала волоконных элементов и линий задержки, полоса пропускания которых не менее чем на порядок превышает полосу пропускания соответствующих электрических аналогов, основной составляющей погрешности измерения формы и параметров исследуемого сигнала предлагаемым устройством является погрешность масштабно-временного преобразования, аналогичная погрешности измерения параметров сигнала стробоскопическими осциллографами. Так для осциллографа С1-122 с блоками ЯЧС-100 и ЯЧС-101 основная погрешность коэффициентов отклонения и развертки составляет 4 10% в зависимости от значений этих коэффициентов.

Погрешность измерения с помощью предлагаемого устройства будет мала, так как она связана, в основном, с выработкой временного сдвига Δt в оптических циркуляционных контурах 5, 6 и оптической задержкой в блоке 7 и определяется стабильностью скорости распространения оптических волн в волоконно-оптическом кабеле, которая очень высока. В блоке формирования стробирующих импульсов 11 производится также небольшая регулируемая задержка сигнала электронным способом, но она существенно не влияет на погрешность всего устройства.

Величину погрешности 10% можно принять в качестве верхней оценки погрешности измерения параметров сигналов с помощью предлагаемого устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется наилучшими основными параметрами в сравнении с известными, решающими ту же задачу.

Литература
1. Грязнов М. И. Гуревич М. Л. и Рябинин Ю. А. Измерение параметров импульсов. Радио и связь, 1991.

2. Авторское свидетельство N 501363, кл. G 01 R 19/04, 1973.

3. Патент N 1422857, кл. G 01 R 29/02.

4. Найденов А. И. и Новопольский В. А. Электронно-лучевые осциллографы. Энергоатомиздат, 1983.

5. Newton S. A. Howland R. S. Jackson K. P. and Shaw H. J. Hight-speed pulse generator using single mode fibre reciculating delay lines. - Electron.Lett. vol. 19, p. 756, 1983.

6. Авторское свидетельство N 571788, кл. G 04 F 13/02, 1973.

Использование: исследование однократных быстропротекающих процессов, импульсов с ускорителей и т. д. Цель: расширение полосы исследуемых сигналов при обеспечении удовлетворительной погрешности и относительной простоте реализации. Сущность изобретения: формирование основной и стробирующей последовательности импульсов из однократного или редкоповторяющегося сигнала производится оптическими средствами, т. е. практически без искажений. Положительный эффект: расширение полосы пропускания до 10 ГГц при обеспечении удовлетворительной погрешности и относительной простоте реализации. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для регистрации формы однократных оптических и электрических импульсных сигналов, содержащее основной оптический циркуляционный контур, подключенный к основному оптическому ответвителю, светоделитель-раздвоитель, оптический элемент задержки, отличающееся тем, что в него введены оптический коммутатор, фотодетекторы, дополнительный оптический циркуляционный контур, подключенный к дополнительному оптическому ответвителю, блок формирования стробирующих импульсов и блок выборки и хранения, причем вход светоделителя-раздвоителя через оптический коммутатор соединен с информационными входами устройства, первый и второй выходы с основным и дополнительным оптическими ответвителями соответственно, выход дополнительного оптического ответвителя напрямую, а выход основного оптического ответвителя через оптический элемент задержки соединены с первым и вторым фотодетектором соответственно, выход второго фотодетектора соединен с первым входом блока выборки и хранения, выход первого фотодетектора через блок формирования стробирующих импульсов с вторым входом блока выборки и хранения, выход которого является информационным выходом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основной и дополнительный оптические циркуляционные контуры выполнены на волоконно-оптических кабелях (ВОК) в виде замкнутых колец и имеют периоды циркуляции, определяемые длиной ВОК в кольце Т₀ и T₀+Δt соответственно.