СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ИНТЕРВАЛА Российский патент 2012 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано в точных измерителях временных интервалов, в импульсной локации, экспериментальной физике и др.

Известен простейший способ измерения временного интервала путем его преобразования в числовой код, по принципу счета числа тактовых импульсов стабильной частоты, заполняющих измеряемый временной интервал, задаваемый сигнальными импульсами «старт» и «стоп» [1]. Предельная точность этого способа «прямого счета» ограничена дискретностью тактовых импульсов.

Известны пути повышения точности такого измерения без повышения тактовой частоты за счет введения интерполяционной поправки с помощью вспомогательных тактовых последовательностей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ [2] измерения временного интервала Т путем формирования последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирования в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счета количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирования поправки ΔN и определения интервала Т по формуле Т=τ(N+ΔN). Для определения поправки ΔN в этом способе используют дополнительную последовательность тактовых импульсов, сдвинутую относительно основной последовательности по частоте и синхронизированную с задержанным сигнальным импульсом.

При таком способе обработку информации и определение поправки ΔN производят в режиме реального времени, что требует сложной быстродействующей аппаратуры, подверженной к тому же риску грубых ошибок при воздействии электромагнитных наводок и помех и других неблагоприятных факторов, свойственных аналоговой обработке информации.

Задачей изобретения является повышение точности и помехозащищенности измерения временного интервала стандартными аппаратными средствами.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе измерения временного интервала Т путем формирования последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирования в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счета количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирования поправки ΔN и определения интервала Т по формуле Т=τ(N+ΔN), длительность Т_и сигнального импульса устанавливают более двух тактовых периодов τ, незадержанный сигнальный импульс предварительно оцифровывают с периодом τ и сохраняют результаты оцифровки в W≥3 массивах {S_1i}_w, где i=1, 2,…, I - порядковый номер выборки в массиве, w - порядковый номер массива, I>2 - количество выборок, в процессе оцифровки в каждом массиве {S_1i}_w, берут выборки незадержанного импульса в отсчитываемые от его начала моменты времени t_iw=(w-1)τ/W+(i-1)-r, а начало его оцифровки задают таким образом, чтобы выборка с максимальным значением имела во всех массивах одинаковый порядковый номер, причем в набор выборочных значений массивов {S_1i}_w включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее, в процессе измерения временного интервала задержанный сигнальный импульс оцифровывают с привязкой к тактовой последовательности, формируя массив {S_2i}, при этом массивы {S_1i}_w и {S_2i} формируют с одинаковым количеством выборок I в каждом массиве, так, чтобы максимальная выборка в массиве {S_2i} находилась в той же позиции, что и в массивах {S_1i}_w, после чего формируют W оценок R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R_w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, и формируют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-l)/W.

Для обеспечения максимальной чувствительности способа к положению задержанного сигнального импульса массивы {S_1i}_w и {S_2i} нормируют так, чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение.

Для исключения неучтенной систематической погрешности при определении временного интервала Т вводят дополнительную поправку ΔN_к, определяемую предварительно путем измерения эталонного интервала времени Т_э, вычисления поправки ΔN_к по формуле ΔN_к=(Т_э-Т)/τ, а в процессе измерения определяют оценку Т измеряемого интервала по формуле Т=τ(N+ΔN+ΔN_к).

На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса измерения временного интервала Т, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S_1i} и {S_2i}. На фиг.2 показан сигнальный импульс S₂(t) при нулевом сдвиге относительно тактового импульса (фиг.2а) и со сдвигом на 0,4 тактового периода (фиг.2б). Фиг.3 иллюстрирует формирование функции . Показаны зависимости вида , для значений сдвига сигнала S₂(t), равного 0 и 0,4 (W=10). На фиг.4а) и б) представлены реализации R_w при воздействии аддитивного шума при отношении сигнал/шум соответственно 100 и 30.

В начале измеряемого интервала времени Т формируют сигнальный импульс S₁(t)1, а в конце - импульс S₂(t)2. К импульсу 1 привязывают последовательность тактовых импульсов 3 таким образом, чтобы временное положение импульса 1 соответствовало массиву выборочных значений {S_1i}₁. Массив {S_1i}₁ принадлежит к набору массивов {S_1i}_w 4, определяемых предварительно оцифровкой первого сигнального импульса. При оцифровке импульса S₁(t) формируют W массивов его выборочных значений. Выборки в этих массивах определяют с периодом тактовой последовательности τ. Оцифровку производят так, чтобы первая выборка в каждом массиве была задержана относительно условного начала импульса S₁(t) на отрезок времени (w-1)τ/W, где w=1, 2,.…, W - порядковый номер массива {S_1i}_w; W - количество массивов.

Расчетами и экспериментально показано, что количество W массивов {S_1i}_w должно быть не менее трех. В набор выборочных значений массивов {S_1i}_w включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее. Количество выборок I во всех массивах должно быть одинаковым. Условное начало импульса S₁(t) выбирают так, чтобы при оцифровке во всех массивах {S_1i}_w выборка с максимальным значением находилась на одинаковой позиции i=i_max.

Полученный набор массивов {S_1i}_w (шаблоны) сохраняют в памяти системы.

В процессе измерения временного интервала Т производят оцифровку второго сигнального импульса S₂(t) 2 в моменты прихода тактовых импульсов. По результатам оцифровки формируют массив {S_2i} 5 таким образом, чтобы он содержал выборку с максимальным значением в той же позиции, что и в массивах {S_1i}_w, а количество выборок в этом массиве равнялось I.

После формирования массива {S_2i} производят его сравнение с каждым из шаблонов {S_1i}_w, путем формирования коэффициентов R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, например, в виде коэффициента корреляции или среднего абсолютного отклонения . Затем определяют порядковый номер w=w* того шаблона, который по выбранному критерию ближе к массиву {S_2i}, и определяют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-l)/W.

Пример.

Тактовая последовательность в условном масштабе времени t имеет период τ=1.

Сигнальные импульсы в этом масштабе описываются выражением S(t)=At²exp(-bt). Вид сигнальных импульсов при А=184 и b=1 представлен на фиг.2. Как видно из графика, длительность сигнального импульса составляет 8 периодов тактовой частоты, а амплитуда в условном масштабе равна 100. Начало сигнального импульса 1 фиг.2а) условно привязано ко второму тактовому импульсу, а сигнальный импульс на фиг.2б) сдвинут относительно этого положения на 0,4 тактовых периода.

В результате оцифровки первого сигнального импульса получены десять массивов {S_1i}_w нормированных выборочных значений сигнала S₁(t), приведенных в табл.1.

Таблица 1 Массивы {S_1i}_w, выборочных значений сигнала S₁(t)=S(t)=At²exp(-bt) Массив (шаблон) № выборки i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 {S_1i}₁ 0,3823 1,0000 0,9714 0,6851 0,4115 {S_1i}₂ 0,4609 1,0000 0,9280 0,6411 0,3806 {S_1i}₃ 0,5369 1,0000 0,8902 0,6032 0,3540 {S_1i}₄ 0,6099 1,0000 0,8570 0,5702 0,3311 {S_1i}₅ 0,6796 1,0000 0,8277 0,5413 0,3112 {S_1i}₆ 0,7458 1,0000 0,8017 0,5159 0,2936 {S_1i}₇ 0,8087 1,0000 0,7783 0,4932 0,2781 {S_1i}₈ 0,8684 1,0000 0,7573 0,4730 0,2644 {S_1i}₉ 0,9250 1,0000 0,7383 0,4549 0,2520 {S_1i}₁₀ 0,9786 1,0000 0,7210 0,4385 0,2410

Периодичность выборок равна тактовому периоду τ=1. Начальный сдвиг оцифровки w-го шаблона равен (w-1)/10, то есть первый шаблон имеет нулевой сдвиг, а сдвиг 10-го шаблона равен 0,9 периода тактовой последовательности. При оцифровке начало сигнала S₁(t) выбрано так, чтобы максимальная выборка приходилась на одну позицию во всех шаблонах (j=2). В каждом шаблоне оставлены выборки со значениями S_1i>0,2. При этом количество выборок во всех шаблонах I=5.

В результате оцифровки получены нормированные массивы сигнала S₂(t) с нулевым сдвигом и со сдвигом на 0,4 тактового периода. Результаты оцифровки {S_2i} при двух значениях сдвига сигнала S₂(t), показанных на фиг.2, приведены в табл.2. Так же, как и в шаблонах, количество выборок I=5, а максимальная выборка находится во второй позиции.

Таблица 2 Результаты оцифровки {S_2i} сигнального импульса S₂(t) при его сдвиге на 0 и 0,4 тактового периода сдвиг сигнала № выборки i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 0 0,3823 1,0000 0,9714 0,6851 0,4115 0,4 0,6796 1,0000 0,8277 0,5413 0,3112

Сравнение массивов {S_2i} с шаблонами {S_1i}_w производилось по критерию среднего абсолютного отклонения . Результаты сравнения приведены в Табл. 3 и на графиках фиг.3а) (нулевой сдвиг сигнала) и фиг.3б) (сдвиг сигнала равен 0,4).

Таблица 3 Среднее абсолютное отклонение R_w массива {S_2i} от шаблонов {S_1i}_w сдвиг сигнала № шаблона 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0 0,1969 0,3752 0,5373 0,6851 0,8203 0,9448 1,0594 1,1655 1,2638 0,4 0,6851 0,4882 0,3099 0,1478 0 0,1352 0,2594 0,3743 1,1655 0,4804

Минимальное значение R_w 6 соответствует сдвигу сигнала на 0,4 тактового периода. По номеру w* соответствующего шаблона формируют поправку ΔN. В первом случае она равна (1-1)/10=0, а во втором (5-1)/10=0,4, что соответствует реальному сдвигу.

Приведенные результаты получены в отсутствие шумовых искажений.

В таблице 4 приведены результаты обработки данных по предлагаемому способу при воздействии нескольких реализаций аддитивного шума в полосе частот, соответствующей спектральной характеристике сигнала.

Таблица 4 Среднее абсолютное отклонение R_w массива {S_2i} от шаблонов {S_1i}_w при воздействии аддитивного шума. Подчеркнуты минимальные значения. отношение сигнал/шум № шаблона 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 100 0,6779 0,481 0,3027 0,1406 0,017 0,1424 0,2669 0,3815 0,4876 0,5859 100 0,661 0,4641 0,2858 0,1237 0,0241 0,1593 0,2838 0,3984 0,5045 0,6028 100 0,7044 0,5075 0,3292 0,1671 0,0317 0,1159 0,2404 0,355 0,4611 0,5594 100 0,6898 0,4929 0,3146 0,1525 0,0373 0,1305 0,255 0,3696 0,4757 0,574 30 0,5743 0,3774 0,2041 0.108 0,128 0,246 0,3705 0,4851 0,5912 0,6895 30 0,6689 0,472 0,2937 0,1316 0,1502 0,1994 0,2759 0,3905 0,4966 0,5949 30 0,6955 0,4986 0,3203 0,1582 0,048 0,148 0,2493 0,3639 0,47 0,5683 30 0,81 0,6131 0,4348 0,2727 0,1249 0,0537 0,1348 0,2494 0,3555 0,4538 10 0,8918 0,6949 0,5166 0,3895 0,3811 0,3783 0,4088 0,454 0,4973 0,539

Из таблицы и графиков Фиг.4 видно, что при отношении сигнал/шум=100 зависимость R_w 6 от w практически не отличается от идеальной. При отношении сигнал/шум=30 положение минимума функции может смещаться в соседнюю позицию. При этом ошибка измерения временного интервала достигает 0,1τ. При дальнейшем уменьшении отношения сигнал/шум пик зависимости R_w становится менее выраженным, и это может привести к увеличению ошибки. Необходимо отметить, что в подобных условиях и при заданных ограничениях ошибка, присущая известному техническому решению [2] и другим подобным решениям, может превышать ошибку, обеспечиваемую предлагаемым способом, поскольку известные способы не предназначены для измерений в присутствии шумов и не оптимизированы по этому фактору. Ошибка в них может достигать длительности фронта сигнального импульса [1, стр.77].

Наибольшая однозначность и помехозащищенность измерений обеспечивается при нормировке массивов {S_1i}_w и {S_2i} так, чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение. В рассмотренном выше примере величина максимальной выборки всех массивов равна 1.

Для того чтобы при формировании шаблонов {S_1i}_w в каждом из них максимальная выборка находилась в одной позиции, начало импульса S₁(t), которым он привязывается к тактовой последовательности, выбирается условно. При этом может возникнуть систематический сдвиг оценки измерения, который исключают путем предварительной калибровки эталонным временным интервалом Т_э и определения соответствующей поправки ΔN_к=(Т_э-Т_э ^*)/τ, где Т_э - измеренная величина эталонного интервала. В процессе измерения определяют оценку Т измеряемого интервала по формуле Т=τ(N+ΔN+ΔN_к).

Предлагаемый способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота F_T=25 МГц (тактовый период Т=40 нc). Количество массивов {S_0i} W=100. Максимальные выборки всех массивов {S_0i}_w находятся во 2-й позиции, а общее количество выборок К=5. Среднеквадратичная ошибка измерения интервала Т не превышает 0,4 нс (это соответствует ошибке измерения дальности 0,06 м). У известных приборов ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.

Предлагаемый способ измерения временного интервала по сравнению с известными способами обеспечивает значительно более точную оценку положения второго сигнального импульса по отношению к началу измеряемого интервала как в условиях воздействия шумов, так и в их отсутствие.

В результате использования способа обеспечивается существенное повышение точности и помехозащищенности измерения временного интервала стандартными аппаратными средствами.

Источники информации

1. Е.А.Мелешко «Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике». М.: Атомиздат, 1977, с.139.

2. Патент РФ №2133053, 1999. Е.И.Гурин. «Способ ускоренной нониусной интерполяции временных интервалов» - прототип.

Изобретение относится к области электронного приборостроения и может быть использовано в импульсной локации, в экспериментальной физике, а также других областях техники, где требуется точное измерение временных интервалов. Изобретение направлено на повышение точности измерения временного интервала стандартными аппаратными средствами, что обеспечивается за счет того, что при измерении временного интервала Т осуществляют формирование последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирование в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счет количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирование поправки ΔN и определения интервала Т по формуле T=τ(N+ΔN). При этом длительность Т_и сигнального импульса устанавливают более двух тактовых периодов τ, незадержанный сигнальный импульс предварительно оцифровывают с периодом τ и сохраняют результаты оцифровки в W≥3 массивах {S_1i}_w, где i=1, 2, …, I - порядковый номер выборки в массиве, w - порядковый номер массива, I>2 - количество выборок, в процессе оцифровки в каждом массиве {S_1i}_w, берут выборки незадержанного импульса в отсчитываемые от его начала моменты времени t_iw=(w-1)τ/W+(i-1)·τ, а начало его оцифровки задают таким образом, чтобы выборка с максимальным значением имела во всех массивах одинаковый порядковый номер, причем в набор выборочных значений массивов {S_1i}_w включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее, в процессе измерения временного интервала задержанный сигнальный импульс оцифровывают с привязкой к тактовой последовательности, формируя массив {S_2i}, при этом массивы {S_1i}_w и {S_2i} формируют с одинаковым количеством выборок I в каждом массиве так, чтобы максимальная выборка в массиве {S_i;} находилась в той же позиции, что и в массивах {S_1i}_w, после чего формируют W оценок R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R_w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, и формируют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-1)/W. Массивы {S_1i}_w и {S_2i} можно нормировать так, чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение. Для еще большего повышения точности можно формировать дополнительную поправку ΔN_к, определяемую предварительно путем измерения эталонного интервала времени. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

1. Способ измерения временного интервала Т путем формирования последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирования в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счета количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирования поправки ΔN и определения интервала Т по формуле T=τ(N+ΔN), отличающийся тем, что длительность Т_и сигнального импульса устанавливают более двух тактовых периодов τ, незадержанный сигнальный импульс предварительно оцифровывают с периодом τ и сохраняют результаты оцифровки в W≥3 массивах
{S_1i}_w, где i=1, 2,…, I - порядковый номер выборки в массиве, w - порядковый номер массива, I>2 - количество выборок, в процессе оцифровки в каждом массиве {S_1i}_w берут выборки незадержанного импульса в отсчитываемые от его начала моменты времени t_iw=(w-1)τ/W+(i-1)·τ, а начало его оцифровки задают таким образом, чтобы выборка с максимальным значением имела во всех массивах одинаковый порядковый номер, причем в набор выборочных значений массивов {S_1i}_w включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее, в процессе измерения временного интервала задержанный сигнальный импульс оцифровывают с привязкой к тактовой последовательности, формируя массив {S_2i}, при этом массивы {S_1i}_w и {S_2i} формируют с одинаковым количеством выборок I в каждом массиве так, чтобы максимальная выборка в массиве {S_2i} находилась в той же позиции, что и в массивах {S_1i}_w, после чего формируют W оценок R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R_w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, и формируют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-1)/W.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S_1i}_w и {S_2i} нормируют так чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении временного интервала Т вводят дополнительную поправку ΔN_к, определяемую предварительно путем измерения эталонного интервала времени Т_э, вычисления поправки ΔN_к по формуле ΔN_к=(Т_э-Т_э ^*)/τ, где Т_э ^* - измеренная величина интервала Т_э, а в процессе измерения определяют оценку Т измеряемого интервала по формуле T=τ(N+ΔN+ΔN_к).