СПОСОБ КАЛИБРОВКИ СТРОБОСКОПИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК G01R35/00 G01R13/20 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для калибровки стробоскопических преобразователей (осциллографов), предназначенных для высокоточных измерений сверхширокополосных электрических сигналов.

Известны стробоскопические преобразователи [1], в которых точность преобразования определяется схемотехническими мероприятиями, принятыми при разработке и изготовлении прибора, т.е. параметрически. Эти мероприятия можно рассматривать как калибровку прибора, выполняемую на этапах проектирования и изготовления.

Такой способ калибровки сопровождается усложнением аппаратуры и не обеспечивает достижения высоких точностей преобразователей с учетом несовершенства схем, изменением со временем их параметров и других обстоятельств. В [1] , с. 235 и 236, показаны источники погрешностей стробоскопических преобразователей. В частности, показано, что только нелинейность генератора быстрого пилообразного напряжения, влияющего на точность временной оси, может дать погрешность измерений в 5 - 10%, в то время как линейности этого генератора добиться сложно.

В большинстве измерительных приборов, например [1] с. 220, [2] с. 185 - 190, для повышения точности измерений применяются методы калибровки стробоскопического преобразователя или осциллографа, заключающиеся в подаче на вход прибора сигналов от калибровочного источника и получении выходного сигнала. Если амплитудные и временные параметры входных сигналов от калибровочного источника известны, то сравнение параметров выходных сигналов прибора с известными значениями позволяет оценить точность и устранить погрешности.

Такой способ повышения точности измерений требует наличия источника калибровочных сигналов со стабильными и известными параметрами. Стабильности источника калибровочных сигналов в случае СШП сигналов добиться можно, а измерение параметров калибровочных СШП источников требует аппаратуры более высокого класса точности, чем калибруемая. При обычных условиях такая аппаратура крайне дорога, а при измерениях рекордных по скорости и точности ее не существует. Кроме того, калибровка временной шкалы, как правило, сводится к определению ее масштаба путем сравнения длительности сигнала на выходе прибора с известной длительностью сигнала калибровочного источника. При этом не учитывается нелинейность вдоль временной шкалы. При калибровке стробоскопических преобразователей, а также при их периодической поверке в качестве источника калибровочных сигналов в [3] предлагается использовать генераторы синусоидальных сигналов (ГСС), а точность установки частоты проверять частотомером. Проведенные эксперименты показали, что такой способ не обеспечивает высокой точности калибровки. Это связано с нестабильностью периода ГСС, наличием низкочастотных составляющих в выходном сигнале ГСС, неточностью измерения периода по выходному сигналу преобразователя и другими обстоятельствами. Частотомеры, контролирующие точность установки частоты, определяют лишь усредненное значение частоты по множеству периодов, а поэтому не выявляют указанные нестабильности ГСС на каждом периоде.

Наиболее близким к предлагаемому является способ калибровки автоматизированного импульсно-рефлектометрического СВЧ-измерителя [3], согласно которому на его вход подается сигнал от калибровочного источника и снимается выходной сигнал. В качестве источника калибровочного сигнала сначала выступает источник постоянного напряжения, а затем источник синусоидального сигнала. В результате обработки производится амплитудная калибровка измерителя.

Недостатком такого способа является отсутствие калибровки по времени, а также высокая сложность как аппаратных средств, так и алгоритмов калибровки. Амплитудная калибровка [3] повышает точность измерений, однако отсутствие калибровки по времени может вносить большие искажения, в том числе и в измерения амплитуды, особенно при исследовании быстрых процессов. Сложность технических средств измерений обусловлена потребностью в источниках калибровочных сигналов с известными параметрами, что в случае СШП сигналов является непростым делом. Наконец, сложность алгоритмов обработки результатов калибровки, в частности необходимость выделения гармоник калибровочного сигнала, затрудняет измерения.

Целью изобретения является повышение точности стробоскопических преобразователей за счет их калибровки по времени дешевыми средствами.

В последние годы возрос интерес к исследованию систем с использованием сверхширокополосных (СШП) сигналов, в частности коротких импульсов нано- и пикосекундной длительности. Такие сигналы, обладая широким спектром, позволяют оценить свойства исследуемых систем в широком частотном диапазоне при ограниченном числе испытаний в отличие, например, от исследования систем монохроматическими сигналами. Основной проблемой при обработке таких сигналов является невозможность их непосредственного приема, что приводит к необходимости применения стробоскопических преобразователей. Последние позволяют из каждой реализации СШП сигнала "выкусить" один отсчет. Подавая на вход преобразователя серию сигналов с периодом Т (фиг. 1) и сдвигая каждый раз по времени точку "выкусывания" на шаг считывания ΔТ относительно начала входного сигнала, можно получить выходной сигнал, отличающийся от входного с точностью до масштаба по временной оси, т.е. осуществить масштабно-временное преобразование. Вся совокупность отсчетов, полученных на выходе преобразователя, образует окно приема, в котором могут располагаться сотни - тысячи отсчетов. Исследуемый сигнал занимает часть этого окна. Современные стробоскопические преобразователи используют компьютер, который управляет работой преобразователя и осуществляет обработку измерений. При этом к точности масштабно-временного преобразования предъявляются повышенные требования, в частности необходимо, во-первых, чтобы шаг считывания был постоянен ΔT=const во всем окне приема, а во-вторых, чтобы было точно известно значение ΔT, причем при использовании компьютера отпадает необходимость в строгой периодизации измерений (T = var).

В классических схемах стробоскопических преобразователей [1] желаемый сдвиг точек "выкусывания" на шаг считывания ΔТ обеспечивается за счет генераторов быстрого и медленного пилообразных напряжений. В момент совпадения их амплитуд вырабатывается строб-импульс, который вырезает в смесителе один отсчет исследуемого сигнала. Нелинейность генератора быстрого пилообразного напряжения приводит к нестабильности шага считывания ΔТ вдоль окна приема и тем самым к несоответствию формы выходного сигнала входному. Длительность развертки Т (окна приема) определяется стабильностью частоты генератора медленного пилообразного напряжения. Линейность и стабильность генераторов достигается параметрическими способами за счет усложнения схем. Такая схема применяется в стробоскопических осциллографах, где требования к точности преобразования невысоки.

В стробоскопических преобразователях задержка на шаг считывания ΔТ [1], с. 60, может достигаться за счет управляемой линии задержки, в качестве которой может использоваться диод с накоплением заряда (ДНЗ). Задержка ДНЗ зависит от управляющего напряжения, которое можно получить с выхода цифроаналогового преобразователя. В свою очередь цифроаналоговый преобразователь может управляться кодами, поступающими от постоянного запоминающего устройства или компьютера. Изменяя управляющие коды, можно получить желаемую задержку в ДНЗ. В общем случае ДНЗ может имеет нелинейную зависимость задержки от кода (напряжения), что приводит к нестабильности ΔТ в окне приема и погрешностям измерений. Эту нелинейность можно скомпенсировать путем изменения задающих кодов, но для этого требуется знать характер нелинейности, т.е. определить величины ΔТ_i вдоль окна приема. Кроме того, для обработки измерений требуется точное знание величины ΔТ, привязывающее выходные отсчеты к реальному времени. Величина задержки при фиксированном значении управляющего напряжения является параметром ДНЗ и в общем случае точно неизвестна.

Таким образом, из изложенного выше можно сделать следующие выводы:
1. Отсутствие калибровки по времени может приводить к существенным искажениям в измерении сигналов.

2. Причинами временных искажений в стробоскопических преобразователях являются: нестабильность шага считывания ΔТ вдоль временной оси и неточное знание величины ΔТ.

3. Известные способы калибровки стробоскопических преобразователей не обеспечивают высокую точность измерений из-за отсутствия или низкого качества калибровки по времени.

Предлагаемый способ калибровки временной оси стробоскопического преобразователя позволяет решить эти проблемы дешевыми средствами.

Существенными отличиями заявляемого способа калибровки стробоскопического преобразователя от известных аналогов являются:
1. Возможность использования источника калибровочных сигналов с точно неизвестными параметрами. Это обстоятельство существенно упрощает и удешевляет калибровку. Позволяет проводить калибровку в тех случаях, когда отсутствуют средства измерений, превосходящие по точности калибруемые. У известных способов калибровки необходимы источники с известными параметрами.

2. Возможность оценки нелинейности временной шкалы (нестабильности шага считывания ΔТ) вдоль всего окна приема. У известных способов калибровки нестабильность ΔТ вдоль окна не оценивается.

3. Простота технических средств, обеспечивающих измерения: на первом этапе требуется лишь изменяемая линия задержки с некалиброванными параметрами, а на втором - калиброванная линия задержки. У известных способов требуются сложные и дорогостоящие источники калибровочных сигналов и средства измерения.

4. Использование двух взаимосвязанных этапов калибровки, дающих возможность сначала скомпенсировать нелинейности временной шкалы преобразователя, а затем и определить масштаб временной оси - реальное значение ΔТ. У известных аналогов при калибровке оценивается лишь среднее значение ΔТ в окне приема.

Заявляемый способ предполагает использование источника калибровочных сигналов со стабильным, но заранее неизвестным временным параметром t, в качестве которого может выступать, например, длительность фронта или длительность импульса на половине амплитуды и другие параметры, которые можно точно и удобно измерить на выходе преобразователя. Калибровку предлагается проводить в два этапа.

На первом этапе производится линеаризация развертки. Для этого выбирают приближенно шаг считывания ΔТ, который, как было показано выше, нестабилен вдоль окна приема. Выбор и изменение ΔТ в преобразователях [1] может быть выполнено за счет изменения скорости нарастания генератора медленного пилообразного напряжения, а при использовании ДНЗ за счет изменения кодов, управляющих задержкой. Выбирается также окно приема, содержащее N отсчетов. Число отсчетов в окне приема определяется количеством задержек ΔТ, формируемых преобразователем. Обычно величина N составляет несколько сотен - тысяч отсчетов. Выбор ΔТ и N следует производить так, чтобы ожидаемое число отсчетов n= t/ΔТ, приходящихся на параметр t, с одной стороны, обеспечивало требуемую точность измерения параметра t (n >> 1), например, если n=100, то точность измерения параметра t составит 1%. С другой стороны, чтобы число отсчетов n= t/ΔТ, приходящихся на параметр t в выходном сигнале, многократно помещалось в выходном окне (n << N). При этом надо учитывать то, что величина ΔТ известна не точно. На вход стробоскопического преобразователя подают сигналы от калибровочного источника, получают отсчеты выходного сигнала и измеряют реальное число отсчетов n₁, приходящихся на параметр t в выходном сигнале при первом положении в окне. Затем изменяют положение выходного сигнала в окне и измеряют величину n₂. Смещения выходного сигнала в выходном окне можно добиться, например, путем задержки поступления синхронизирующего (стробирующего) импульса, запускающего смеситель, причем величина задержки не имеет принципиального значения, лишь бы выходные отсчеты сместились в окне и не вышли за его границы. Различие в значениях n₁ и n₂ свидетельствует о различии в шагах считывания ΔT₁ и ΔТ₂. Продвигая выходной сигнал вдоль всего окна, можно определить нестабильность ΔТ на всем интервале наблюдения. Для компенсации нестабильности шага считывания ΔТ по различию в значениях n_i можно использовать два приема - программный и аппаратный. Первый прием основан на том, что выходные сигналы современных стробоскопических осциллографов обрабатываются компьютером. При этом нестабильность временной шкалы может быть учтена при программной обработке результатов измерений. Второй прием связан с аппаратной коррекцией схем стробоскопического преобразователя, в частности с совершенствованием генератора быстрого и медленного пилообразных напряжений. При использовании ДНЗ линеаризовать шкалу проще за счет изменения кодов, управляющих задержкой.

Второй этап калибровки предполагает определение реального значения ΔТ. С этой целью на вход преобразователя необходимо подать пары импульсов, отстоящих друг от друга на известный временной интервал θ. Пару импульсов можно получить от того же источника калибровочных сигналов, что и на первом этапе, используя прямой и задержанный сигналы. Калиброванную задержку между парами импульсов получить сравнительно просто, используя, например, отрезок кабеля известной длины. Калибровочные сигналы должны иметь характерные участки, например крутые фронты, позволяющие достаточно точно определить расстояние между выходными импульсами. Величина задержки θ должна быть такой, чтобы оба сигнала помещались в окне, т.е. чтобы число отсчетов между ними m = θ/ΔT было меньше N. При этом надо учитывать то, что величина ΔT известна не точно. Кроме того, необходимо, чтобы достигалась заданная точность измерения, т.е. чтобы число отсчетов m >> 1, например при m=100 точность определения ΔТ составляет 1%. Определив по выходному сигналу реальное число отсчетов между импульсами, можно вычислить шаг считывания ΔT = θ/m.
Важно подчеркнуть, что высокая точность калибровки достигается только при совместном и последовательном выполнении этих этапов, поскольку без учета или компенсации нестабильности ΔТ на первом этапе сложно точно определить величину ΔТ на втором.

Заявляемый способ иллюстрируют фиг. 1 - 5. Фиг. 1 поясняет принцип стробоскопического преобразования. Временная диаграмма на фиг. 2 поясняет первый этап калибровки - линеаризацию временной шкалы, а фиг. 3 - второй этап - определение масштаба временной оси. На фиг. 4, 5 приведены схемы устройств, реализующих первый и второй этапы калибровки.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа на примере стробоскопического преобразователя фиг.4, которая содержит: 1 - источник синхросигнала, 2 - источник сигнала, 3 - блок управления, 4 - управляемую линию задержки, 5 - смеситель, выход смесителя является выходом преобразователя - 6. Для выполнения первого этапа калибровки в состав преобразователя введена линия задержки - 7 со входом управления - 9. В качестве линии задержки 7 может применяться управляемая линия задержки, такая же как 4, например, на основе диода с накоплением заряда, у которого задержка регулируется напряжением со входа 8. Заметим, что величина задержки не имеет значения, лишь бы ее изменение приводило к смещению положения выходного импульса в окне. В качестве источника сигнала 2 может выступать любой запускаемый одновибратор с неизвестными точно, но стабильными параметрами.

В начальный момент устанавливается минимальная величина задержки 7. Источник синхросигнала 1 вырабатывает серию синхронизирующих импульсов, по каждому из которых источник сигнала 2 формирует одиночный сигнал. Из этого сигнала в смесителе 5 вырезается один отсчет, отстоящий по времени от синхронизирующего сигнала на величину ΔТ, задаваемую блоками 3 и 4. Вся входная серия формирует на выходе 6 преобразователя совокупность отсчетов, огибающая которых повторяет сигнал от источника 2 с точностью до масштаба по времени. У выходного сигнала 6 выбирается временной параметр t, например длительность импульса на середине амплитудного значения, и определяется n₁ - число отсчетов сигнала 6, попавших в этот интервал. Затем изменяется величина задержки 7, что приводит к изменению положения сигнала 6 во временном окне. После подачи второй серии входных импульсов определяется величина n₂, которая при линейной временной шкале должна совпадать с n₁. Различие в этих значениях говорит о нелинейности шкалы, т.е. о нестабильности ΔТ. Изменяя далее величину задержки 7, можно оценить нелинейность во всех интервалах временного окна. В данном случае основной причиной нелинейности шкалы является управляемая линия задержки 4, реализованная на основе диода с накоплением заряда и имеющая в общем случае нелинейную зависимость временной задержки от управляющего напряжения, поступающего от блока управления 3. Для компенсации нелинейности преобразователя необходимо изменить величины управляющих напряжений, т. е. коды, поступающие от постоянного запоминающего устройства или компьютера. Таким образом, в данном случае нелинейность шкалы легко скомпенсировать путем изменения управляющих кодов.

Второй этап калибровки требует подачи на вход преобразователя серии из пар импульсов сдвинутых друг относительно друга на калиброванный временной интервал θ. В принципе эту задачу можно решить путем создания специального источника сигнала 2. Однако более простым и дешевым путем является использование возможностей смесителя 5. Реальный смеситель помимо трех выводов (входного, выходного и стробирующего) имеет четвертый вывод, к которому обычно подключается согласованная нагрузка, которая гасит нежелательные отражения стробируемого сигнала. В нашем случае этот выход может быть использован для получения второго, задержанного на θ импульса. Для этого (фиг. 5) к смесителю подключается калиброванная линия задержки 9, которая может быть выполнена в виде отрезка кабеля калиброванной длины. Это обеспечит прохождение на выход преобразователя 6 прямого и задержанного импульсов. После подачи входной серии от источника 2 определяется m - число отсчетов, приходящихся на расстояние между импульсами. Это расстояние наиболее точно измеряется между участками импульсов с максимальной крутизной. Отношение величины θ задержки 9 к количеству отсчетов m определяет шаг считывания ΔT = θ/m.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование.- М.: Сов. радио, 1972.

2. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи.: Учеб. Пособие для вузов. / Хромой Б.П. и др., под ред. Хромого Б.П. - М.: Радио и связь, 1986.

3. Способ калибровки автоматизированного импульсно- рефлектометрического СВЧ-измерителя, МПК G 01 R 35/00. Патент РФ N 2060511, приоритет 11.07.91.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровки стробоскопических преобразователей (осциллографов), предназначенных для высокоточных измерений сверхширокополосных электрических сигналов. Техническим результатом является повышение точности измерений стробоскопическими преобразователями за счет их калибровки по времени дешевыми средствами. Для этого используют калибровочный источник с точно неизвстным временным параметром t, по выходному сигналу определяют число отсчетов n параметра t при разных положениях выходного сигнала в окне и компенсируют нестабильность шага считывания ΔТ по различию в значениях n, затем подают на вход преобразователя парные сигналы, отстоящие друг от друга на известную величину задержки θ, измеряют число отсчетов m между парами выходных сигналов и вычисляют шаг считывания ΔT = θ/m. 5 ил.

Способ калибровки стробоскопических преобразователей, заключающийся в том, что на вход стробоскопического преобразователя подают сигналы от калибровочного источника и получают выходной сигнал стробоскопического преобразователя, отличающийся тем, что в качестве калибровочного используют источник сигнала со стабильным, но точно неизвестным временным параметром t, выбирают приближенно шаг считывания ΔТ и окно приема выходного сигнала стробоскопического преобразователя с числом отсчетов N так, чтобы число отсчетов n = t/ΔT параметра t в выходном сигнале стробоскопического преобразователя удовлетворяло условиям: 1 << n << N, по выходному сигналу стробоскопического преобразователя определяют число отсчетов n_i параметра t при i-ом положении в окне, изменяют положение выходного сигнала стробоскопического преобразователя вдоль окна и компенсируют нестабильность шага считывания ΔТ по различию в значениях n_i, затем подают на вход стробоскопического преобразователя парные сигналы, отстоящие друг от друга на известную величину задержки θ, удовлетворяющую условию по числу отсчетов m между выходными сигналами стробоскопического преобразователя определяют шаг считывания ΔT = θ/m.