СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Российский патент 1999 года по МПК G01R13/20 

Изобретения относятся к области измерителей быстрых (сверхширокополосных) электрических сигналов, например радиолокационных, и могут быть использованы для их ввода в "медленные" устройства обработки, такие как осциллографы, ЭВМ и т.п.

Известен стробоскопический преобразователь [1] , содержащий источники сигналов и синхросигналов, генераторы медленного и быстрого пилообразных напряжений, компаратор и смеситель.

Недостатком устройства [1] является низкая точность преобразований, связанная с тем, что для достижения высококачественной линейности источников пилообразного напряжения и компаратора используются достаточно сложные [2] аналоговые схемы. Работа этих схем в высокочастотной области сопровождается возникновением шумов и нестабильностей, что приводит к искажению как формы сигнала, так и нарушению временного согласования развертки осциллографа с работой схемы стробоскопического преобразователя. Последнюю проблему было призвано решить введение обратной связи через экран осциллографа в устройство [1] . Такое решение не удовлетворяет высоким требованиям к качеству измерения сверхвысокочастотных сигналов.

В качестве прототипа выбран стробоскопический преобразователь [2], стр. 9, содержащий (фиг. 1) источник синхросигнала U_сс-1, источник сигнала U_с-2, смеситель - 3, генераторы медленного - 4 и быстрого - 5 пилообразных напряжений, а также компаратор - 6, выход смесителя 3-U_о является выходом устройства, сигнальный вход соединен с выходом U_с источника сигнала - 2, а стробирующий вход с выходом компаратора - 6, выходы генераторов медленного - 4 и быстрого - 5 пилообразных напряжений соединены со входами компаратора - 6, выход источника синхросигналов 1-U_сс соединен с запускающими входами источников сигнала - 2 и генератора быстрой пилы - 5. Отметим, что источники сигналов - 2 и синхросигналов - 1 в [2] стр. 9 не показаны, однако их наличие и способ взаимодействия очевидны из описания действия схемы.

Принцип стробоскопического преобразования состоит в том, что поскольку при необходимости обработки быстрых (сверхширокополосных) сигналов возможности современной электронной техники не позволяют сделать это в реальном масштабе времени, то для решения этой проблемы прибегают к многократной реализации с периодом T быстродействующего сигнала U_с от источника - 2 по синхронизирующим сигналам U_сс от источника - 1. Из каждой реализации используют лишь один отсчет исследуемого сигнала U_с. Если эти отсчеты линейно сдвинуты по времени относительно начала сигнала U_с на постоянный интервал ΔT , то огибающая полученных отсчетов U_о повторяет исходный сигнал с точностью до масштабно-временного преобразования.

В соответствии с этой идеей (фиг. 2) источник синхросигналов U_сс-1 с периодом T запускает источник сигнала U_с-2 и генератор быстрой пилы - 5. Запуск генератора медленной пилы - 4 может, например, также осуществляться по сигналу U_сс от генератора быстрой пилы, а период медленной пилы выбирается, исходя из длительности процесса U_с путем ручных регулировок развертки осциллографа, т. е. генератора - 4. Совпадение уровней быстрой U_БП и медленной U_МП пил приводит к появлению на выходе компаратора - 6 коротких импульсов U_строб отстоящих друг от друга на T+ΔT, которые пропускают отсчеты U_о измеряемого сигнала U_с через смеситель на выход схемы 7. В результате огибающая отсчетов U_о представляет собой масштабно-временное преобразование сигнала U_с.

Недостатком устройства [2] является низкая точность масштабно-временного преобразования. В работе [2] , глава 4, показано, что основным источником нестабильности преобразования является генератор "быстрой" пилы, поскольку искажения "медленной" пилы, хотя и приводят к ошибкам измерений, но компенсируются соответствующим изменением скорости развертки осциллографа. Для достижения высокого качества масштабно-временного преобразования требуются высокая точность, стабильность и линейность генераторов пилообразных напряжений 4 и 5, компаратора 6 и других элементов схемы.

Современные устройства обработки, как правило, используют ЭВМ для обработки отсчетов, поэтому для получения высокого качества масштабно-временного преобразования схема [2] оказывается малопригодной. Заметим, что сам принцип формирования стробирующих импульсов U_строб на основе генераторов пилообразных напряжений основывался на наличии в осциллографе генератора медленной пилы для развертки экрана.

Цель изобретений состоит в достижении высокой точности масштабно-временного преобразования, решаемого стробоскопическим преобразователем так, чтобы точные методы исследования, например, с использованием ЭВМ, не требовали реализации сложных алгоритмов обработки, в частности, фильтрации и т. п. Противоречие в традиционных [1, 2] методах достижения этой цели заключается в том, что повышение качества линейности развертки быстрого и медленного пилообразных напряжений, точности и быстродействия компаратора требует усложнения соответствующих схем с целью параметрической или схемотехнической стабилизации их работы. Вместе с тем любое усложнение схемы в сверхвысокочастотной области сопровождается возникновением новых источников шумов и нестабильностей, на ликвидацию которых частично направлено, например, устройство [1]. Таким образом, идея, заложенная в предлагаемой группе изобретений состоит в максимальном упрощении высокочастотной части устройства и обеспечении возможности компенсации возникающих искажений за счет управления процессами в низкочастотной области. Такое управление может состоять либо в предварительной настройке схемы за счет пропуска и контроля прохождения известных сигналов, либо в периодическом оценивании и адаптации процесса стробоскопического преобразования ЭВМ.

Для достижения поставленной цели предлагается использовать управляемую линию задержки сигнала - 4, включаемую либо фиг. 3 между генератором синхросигнала и смесителем или фиг. 4 между генератором синхросигнала и источником сигнала, а также блок управления линией задержки. Переменная величина задержки позволяет задержать либо стробимпульс на выходе смесителя на T+ΔT, либо задержать реализацию процесса от источника сигналов на T+ΔT что в принципе эквивалентно. Низкочастотное управление задержки от блока управления - 5 позволяет добиться ее высокой точности и скомпенсировать возможные искажения.

Таким образом, основным техническим результатом реализации предлагаемой группы изобретений является достижение высокой точности масштабно-временного преобразования сверхвысокочастотного сигнала за счет использования простой, малошумящей в области высоких частот линии задержки - 4, обеспеченной возможностью точной (адаптивной) настройки блоком управления - 5 в области низких частот с учетом искажений, вносимых в схему высокочастотными составляющими.

Существенным отличием предлагаемой группы изобретений является использование управляемой линии задержки, которая обеспечивает запаздывание либо синхронизирующего импульса U_сс относительно измеряемого U_с либо измеряемого относительно синхронизирующего U_сс, причем предлагаемый вариант реализации этой задержки в высокочастотной области отличает высокие простота и стабильность, а низкочастотное управление позволяет учесть искажения схемы.

Конкретная реализация схемы управляемой линии задержки синхросигналов, в частности, рассмотренная ниже ее часть, построенная на основе диода с накоплением заряда, отработана авторами в ходе экспериментальных исследований.

Предлагаемая группа изобретений может быть использована в исследовательских и измерительных комплексах, ставящих своей целью, например, получение высококачественных откликов от объектов, при облучении их сверхширокополосными зондирующими радиолокационными сигналами для построения изображений на базе ЭВМ.

На фиг. 1 изображена структурная схема прототипа изобретения, а на фиг. 2 - принцип его действия. Структурные схемы, предлагаемой группы изобретений приведены на фиг. 3 и 4 соответственно. На фиг. 5 приведены схемы управляемой линии задержки сигналов и блока управления, а фиг. 6 иллюстрирует временные диаграммы работы управляемой линии задержки. На фиг. 7 изображены зависимости времени задержки управляемой линии задержки от тока диода. Временная диаграмма, иллюстрирующая принцип действия первой фиг. 3 схемы из группы изобретений приведена на фиг. 8, а второй - на фиг. 9.

Основными блоками, обеспечивающими реализацию предлагаемой группы изобретений, являются управляемая линия задержки и блок управления. Рассмотрим возможный способ их практической реализации.

В качестве управляемой задержки сигнала может использоваться схема фиг. 5, содержащая [2] стр. 60. C1, C2 - конденсаторы большой емкости, не оказывающие влияния на работу схемы, но развязывающие ее по постоянному току, R - резистор, задающий ток в цепи источника опорного напряжения U_оп, D - диод с накоплением заряда.

В работе [2] данная схема используется для формирования "коротких" выходных импульсов U_вых входных U_вх. Вместе с тем, там же отмечается, что задержка, вносимая этой схемой, зависит от тока, задаваемого источником U_оп и резистором R. Действительно, в исходном положении диод Д открыт и через него протекает ток I_Д≈U_оп/R. Этот ток создает заряд неосновных носителей заряда в базе, пропорциональной току I_Д. Прямоугольный импульс отрицательной полярности U_вх фиг. 6 приводит к появлению постоянного обратного тока I_обр, который рассасывает заряды и через время t_з запирает диод, на выходе которого формируется сигнал U_вых с хорошим фронтом. Время запирания диода t_з зависит от тока I_Д и параметров диода. Экспериментальные исследования, проведенные авторами, показали, что эта зависимость носит характер близкий к линейному фиг. 7, линия 1. Таким образом, изменяя ток I_Д за счет U_оп или R можно влиять на величину задержки t_з, причем при нелинейной зависимости t_з(I) - кривая 2, фиг. 7 ее можно легко скомпенсировать за счет обратно пропорционального изменения тока I_Д. управляя соответствующим образом R или V_оп.

Блок управления 5 фиг. 5 может включать счетчик - 7, запоминающее устройство, например. ПЗУ-8 и цифроаналоговый преобразователь - 9. Содержимое счетчика - 7, в качестве адреса А подается на адресный вход запоминающего устройства, из которого извлекается код К(А), формирующий на выходе цифроаналогового преобразователя 9 опорное напряжение V_оп, пропорциональное коду К(А). Изменение содержимого счетчика 7 по сигналам U_сс приводит к изменению адреса А, кода К(А), величины опорного напряжения U_оп и соответственно величины t_з - задержки в управляемой линии задержки 4. Коды К(А), записанные в запоминающее устройство, должны быть таковы, чтобы обеспечивать желаемое изменение задержки, например, линейное нарастание t_з = hΔT, где n - номер синхроимпульса U_сс с учетом нелинейности управляемой линии задержки 4 и других элементов.

В качестве источника синхросигналов 1 может использоваться автоколебательный мультивибратор. К его характеристикам не предъявляется высоких требований: длительность импульса - единицы - десятки наносекунд, а частота - десятки - сотни килогерц при низких требованиях к стабильности, поэтому для его построения могут использоваться типовые схемы, например, мультивибратор на логических элементах.

Источником сигналов 2 может быть любая схема генератора импульсов с внешним запуском, например, ждущий мультивибратор.

В качестве смесителя 3 могут использоваться типовые схемы например, предлагаемые в [2], глава 2.

Рассмотрим принцип действия предложенных схем стробоскопических преобразователей 3 и 4. В исходном положении в ПЗУ-8 блока управления-5 заложены коды, соответствующие желаемому характеру изменения U_оп, а следовательно величины задержки t_з управляемой линии задержки 4. Счетчик 7 обнулен, так что U_оп задает t_з, соответствующее величине задержки для первого измерения.

Процессы в стробоскопическом преобразователе фиг. 3 иллюстрирует временная диаграмма фиг. 8. Источник синхросигнала - 1 с периодом T вырабатывает сигнал U_сс, который запускает процесс в источнике сигнала - 2, на выходе которого появляется сигнал U_с, поступающий на сигнальный вход смесителя 3. Управляемая линия задержки 4 формирует из U_сс с некоторой задержкой t_з стробирующие импульсы U_строб, которые открывают смеситель 3 и пропускают на выход стробоскопического преобразователя отсчеты измеряемого сигнала U_о. Каждый сигнал U_сс изменяет задающее воздействие от блока управления 5, а следовательно, величину задержки U_строб относительно U_сс. Если t_з изменяется линейно, то выходные отсчеты U_о будут сдвинуты друг относительно друга на T+ΔT, а следовательно огибающая U_о будет представлять собой масштабно-временное преобразование сигнала U_с.

В стробоскопическом преобразователе 4 происходят процессы, изображенные на фиг. 4. Здесь в качестве стробирующих и U_строб используются синхронизирующие сигналы U_сс, а блок управления 5 и управляемая линия задержки 4 обеспечивают запаздывание начала реализации процесса в источнике сигнала 2 относительно U_сс, в результате чего стробирующие импульсы U_строб "вырезают" из U_с отсчеты, также отстоящие друг относительно друга на T+ΔT.
Особенностями временной диаграммы фиг. 9 является то, что во-первых, U_строб "вырезает" отсчеты из предыдущей реализации процесса U_с, во-вторых, величина задержки t_з изменяется обратно пропорционально со временем и, в-третьих, выходные сигналы U_о представляют собой масштабно-временное преобразование сигнала U_с в обратном времени.

Таким образом, стробоскопические преобразователи фиг. 3, 4 обеспечивают получение измерений сигнала U_с с точностью до масштабно-временного преобразования. При этом управляемая линия задержки 4 и блок управления ею 5 позволяют добиться высокого качества и точности преобразования за счет простой малошумящей схемы и возможности скомпенсировать искажения. Эти схемы позволяют также гибко управлять процессом измерения сигналов, например, уменьшая изменения величины задержки Δt_з = t_зi-t_зi+1 от одного измерения до другого, можно повысить степень детализации отдельных участков U_с, или, наоборот, пропустить некоторые части U_с, увеличивая Δt_з.
Особый интерес представляет использование такого стробоскопического преобразователя в измерительных комплексах, включающих ЭВМ на которую может быть возложена функция блока управления 5. В этом случае, получая на вход измерения U_о, ЭВМ может оперативно управлять процессом измерения, воздействуя на управляемую линию задержки 4.

Литература.

1. А.С.СССР SV 1714524A1. Стробоскопический осциллограф со стабилизацией изображения. Миляев П. В. и др. G 01 R 13/00 Приоритет 15.01.90, Зарег. 22.01.91 г.

2. Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование М. "Сов. радио" - 1972 г.

Группа изобретений относится к области измерителей импульсов нано-и пикосекундной длительности и может быть использована для ввода "быстрых сигналов" в "медленные" устройства обработки. Сущность предлагаемой группы изобретений состоит во введении в состав преобразователя управляемой линии задержки на основе диода с накоплением заряда и блока управления задержкой синхронизируемых источником синхросигналов. Простая, малошумящая в области высоких частот схема управляемой задержки и низкочастотное управление ею от блока управления с учетом искажений и нелинейностей всех элементов преобразователя позволяют добиться высокого качества масштабно-временного преобразования. Управляемая задержка стробирующего сигнала смесителя относительно изменяемого сигнала или измеряемого сигнала относительно стробирующего образуют варианты реализации предложенной группы изобретений. Технический результат: наибольший эффект от использования изобретений может быть достигнут в измерительных комплексах, содержащих ЭВМ, когда адаптивное управление задержкой от ЭВМ позволяет получить желаемое качество и свойства масштабно-временного преобразования. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Стробоскопический преобразователь, содержащий источник синхросигнала, смеситель и источник сигнала, вход которого соединен с выходом источника синхросигнала, а выход - с сигнальным входом смесителя, выход смесителя является выходом устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены управляемая линия задержки и блок управления, синхронизирующие входы которых соединены с выходом источника синхросигнала, задающий вход управляемой линии задержки соединен с выходом блока управления, а выход - со стробирующим входом смесителя. 2. Стробоскопический преобразователь, содержащий источник синхросигнала, источник сигнала и смеситель, сигнальный вход которого соединен с выходом источника сигнала, а выход является выходом устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены управляемая линия задержки и блок управления, синхронизирующие входы которых соединены с выходом источника синхросигнала, задающий вход управляемой линии задержки соединен с выходом блока управления, а выход - со входом источника сигнала, стробирующий вход смесителя соединен с выходом источника синхросигнала. 3. Устройство п.1 или 2, отличающееся тем, что управляемая линия задержки содержит первый и второй конденсаторы, резистор и диод с накоплением заряда, анод которого соединен с первыми обкладками конденсаторов и первым выводом резистора, вторая обкладка первого конденсатора является синхронизирующим входом, второй вывод резистора - задающим входом, а вторая обкладка второго конденсатора - выходом управляемой линии задержки, катод диода с накоплением заряда заземлен. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что блок управления содержит цифроаналоговый преобразователь, запоминающее устройство и счетчик, вход которого является синхронизирующим входом блока управления, а выход соединен с адресным входом запоминающего устройства, вход цифроаналогового преобразователя соединен с выходом запоминающего устройства, а выход является выходом блока управления.