СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА И ИЗМЕРИТЕЛЬ С АВТОКОРРЕКЦИЕЙ Российский патент 2022 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при построении широкополосных цифровых измерителей уровней синусоидальных сигналов.

Широко распространен на протяжении многих лет способ измерения уровня синусоидального сигнала, принятый в качестве прототипа, предусматривающий усиление синусоидального сигнала, после чего его детектирование (преобразование в постоянное напряжение, пропорциональное его уровню) и далее преобразование постоянного напряжения в цифровую форму [Мирский Г.Я. Электронные измерения - М.: Радио и связь, 1986, стр. 194-195; Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах / Под общей редакцией Б.Н. Тихонова - М.: Горячая линия - Телеком, 2007, стр. 160-161, рис. 7.10]. Реализует способ измеритель, описанный в вышеуказанной литературе, выполняющий перечисленные операции и состоящий из входного усилителя, детектора (преобразователя переменного напряжения в постоянное) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), с выхода которого снимается код измеренного уровня сигнала.

Недостатком способа, также как и устройства, его реализующего, является зависимость результата оценки уровня исследуемого сигнала от его частоты, что особенно ярко проявляется при попытке реализовать измеритель, функционирующий в относительно широкой полосе частот. Объясняется это, главным образом, неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) входного усилительного тракта, в котором достаточно сложно получить одинаковое усиление во всем диапазоне рабочих частот измерителя.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящей группы изобретений, состоит в повышении точности оценки уровня синусоидального сигнала в широкой полосе частот.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения уровня синусоидального сигнала, состоящем в усилении сигнала, детектировании и преобразовании полученного постоянного напряжения в цифровой вид, согласно изобретению, предварительно определяют амплитудно-частотную характеристику тракта усиления, измеряют частоту сигнала, и далее полученное значение частоты сигнала используют для коррекции цифрового значения детектированного сигнала путем установления функциональной связи с амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления, оценкой уровня является скорректированное значение детектированного сигнала.

Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, функциональную связь с амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления устанавливают путем изменения полученного цифрового значения детектированного сигнала в количество раз, пропорциональное значению обратной амплитудно-частотной характеристики в точке, соответствующей измеренной частоте сигнала.

Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, функциональную связь с амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления устанавливают путем изменения полученного цифрового значения детектированного сигнала в фиксированное количество раз при условии, что измеренная частота сигнала превысит заранее установленную частоту, лежащую в пределах амплитудно-частотной характеристики тракта.

Технический результат достигается также тем, что в измеритель с автокоррекцией (вариант 1), содержащий входной усилитель, детектор и аналого-цифровой преобразователь, входом измерителя является вход усилителя, выход которого соединен со входом детектора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, согласно изобретению, введены измеритель частоты и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, первый вход функционального преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход функционального преобразователя соединен с выходом измерителя частоты, вход которого соединен с выходом входного усилителя.

Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, в измерителе функциональный преобразователь выполнен в виде программируемого постоянного запоминающего устройства, реализующего аппаратно-табличный способ вычислений.

Технический результат достигается также тем, что в измеритель с автокоррекцией (вариант 2), содержащий входной усилитель, детектор и аналого-цифровой преобразователь, входом измерителя является вход усилителя, выход которого соединен со входом детектора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, согласно изобретению, введены измеритель частоты и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, первый вход функционального преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход функционального преобразователя соединен с выходом измерителя частоты, вход которого объединен со входом входного усилителя.

Технический результат достигается также тем, что в измеритель с автокоррекцией (вариант 3), содержащий входной усилитель, детектор и аналого-цифровой преобразователь, входом измерителя является вход усилителя, выход которого соединен со входом детектора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, согласно изобретению, введены фильтр верхних частот, блок выделения сигнала и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, первый вход функционального преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход функционального преобразователя соединен с выходом блока выделения сигнала, выход которого соединен с выходом фильтра верхних частот, вход которого соединен с выходом входного усилителя.

Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, в измерителе блок выделения сигнала представляет собой устройство, формирующее на выходе постоянный высокий логический уровень при появлении на его входе синусоидального сигнала и сохраняемый в течение всего времени действия синусоидального сигнала.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 представлена функциональная схема измерителя с автокоррекцией, реализующего способ по п. 1 формулы изобретения. На фиг. 2 показаны графики АЧХ, иллюстрирующие изобретение. На фиг. 3 представлена функциональная схема одного из вариантов измерителя с автокоррекцией, реализующего способ по п. 8 формулы изобретения.

Функциональная схема по фиг. 1 содержит входной усилитель 1, измеритель 2 частоты, детектор 3, АЦП 4 и функциональный преобразователь 5. Вход усилителя 1 является входом измерителя, выход усилителя 1 соединен со входом детектора 3, выход которого соединен со входом АЦП 4, выход которого соединен с первым входом функционального преобразователя 5, второй вход которого соединен с выходом измерителя 2 частоты, вход которого соединен с выходом усилителя 1.

На фиг. 2, в качестве примера, в верхней части приведен график АЧХ реального входного усилителя, в нижней части - график обратной АЧХ данного усилителя. Графики показаны в виде зависимости коэффициента усиления K от частоты f входного сигнала. На верхнем графике выделены точки (k₁, f₁), (k₂, f₂), (k₃, f₃), (k₄, f₄), (k₅, f₅), (k₆, f₆), (k₇, f₇), служащие для кусочно-линейной аппроксимации функции K(f).

Функциональная схема по фиг. 3 содержит входной усилитель 6, фильтр 7 верхних частот (ФВЧ), блок 8 выделения сигнала, детектор 9, АЦП 10 и функциональный преобразователь 11. Вход усилителя 6 является входом измерителя, выход усилителя 6 соединен со входом детектора 9, выход которого соединен со входом АЦП 10, выход которого соединен с первым входом функционального преобразователя 11, второй вход которого соединен с выходом блока 8 выделения сигнала, вход которого соединен с выходом ФВЧ 7, вход которого соединен с выходом усилителя 6. Блок 8 выделения сигнала включает в себя аналоговый компаратор 12 и одновибратор 13.

Основная идея способа заключается в непрерывном контроле частоты f входного синусоидального сигнала, уровень U которого измеряют и изменении полученного после детектировании уровня U_пр(f) в соответствии с известной неравномерностью АЧХ K(f) используемого тракта. Отмеченное можно представить в виде:

где U_вых - напряжение на выходе измерителя, являющееся оценкой уровня входного сигнала;

K_фп(f) - частотнозависимый коэффициент преобразования. Особенностью способа является управление коэффициентом K_фп(f), которое по сути сводится к переводу измеренного значения частоты сигнала в корректирующий коэффициент, выравнивающий АЧХ усилительного тракта.

Поясним вышеизложенное на примере одного из возможных вариантов измерителя, функциональная схема которого представлена на фиг. 1. Входной сигнал вида u(t)=U(t)sin2πft поступает на вход усилителя 1, служащего как для усиления входных сигналов, так и для развязки измерителя и внешних контролируемых цепей (ослабления влияния на параметры входного сигнала). В частном случае он может быть повторителем напряжения с высоким входным сопротивлением. С выхода усилителя исследуемый синусоидальный сигнал подается одновременно на вход измерителя 2 частоты и детектора 3. В последнем осуществляется классическая операция выделения медленной функции U(t), изменением которой на интервале времени измерения можно пренебречь и считать таким образом амплитуду (уровень U) постоянной величиной. Далее постоянное напряжение с выхода детектора 3 направляется на вход АЦП 4, в котором осуществляется его перевод в цифровой вид, с погрешностью задаваемой требованиями, предъявляемыми к измерителю. Полученный цифровой код U_пр уже можно считать предварительной оценкой измеряемого уровня без учета погрешностей, вносимых неравномерностью АЧХ усилителя 1 (здесь и далее для упрощения записей зависимость U_пр от частоты f не показана). Однако для получения более точной оценки в функциональном преобразователе 5 происходит умножение значения U_пр на величину K_фп(f) обратную АЧХ в точке f, соответствующей частоте входного сигнала, для определения которой служит измеритель 2 частоты. Таким образом, происходит коррекция результата измерения уровня сигнала, определяемая априори известной зависимостью K(f), то есть происходит изменение полученного цифрового значения детектированного сигнала в количество раз, пропорциональное значению обратной амплитудно-частотной характеристики в точке, соответствующей измеренной частоте сигнала (см. п. 1 формулы изобретения).

Разумеется, известная АЧХ является обязательным условием осуществимости рассматриваемого способа. В качестве примера на фиг. 2 показана АЧХ реального усилительного тракта, предназначенного для работы в составе измерителя с диапазоном рабочих частот от 1 до 300 МГц. Из общего вида АЧХ следует, что коррекция результатов детектирования потребуется на начальном участке от f₁ до f₃ и на участке от f₄ до верхней границы диапазона f₇. Причем на последнем участке отсутствие коррекции приведет к весьма существенным погрешностям оценки U, поскольку на границе диапазона, на частоте 300 МГц, уровень сигнала ослабляется в 4 раза - это несложно видеть из представленного графика. Процесс коррекции в функциональном преобразователе 5 может совершаться несколькими путями: первый, наиболее простой с методической точки зрения, предполагает получение по известной АЧХ ее обратной функции K_фп(f) (см. пример в нижней части фиг. 2); второй ориентирован на замену обратной функции детерминированным зависимостями, например, в форме кусочно-линейной аппроксимации.

В первом случае процесс получения произведения K_фп(f) U_пр может быть сведен к аппаратно-табличным операциям, состоящим в извлечении из памяти запоминающего устройства ранее вычисленных дискретных значений K_фп(f_i), которые умножаются на U_прn или, если позволяют ресурсы памяти, запоминанию набора произведений K_фп(f_i)U_прn, которые извлекаются из памяти при поступлении на адресные входы соответствующей произведению комбинации операндов f_i и U_прn. Здесь и далее индексы i и n указывают на дискретный характер частоты и напряжения соответственно. При таком подходе функциональный преобразователь может быть выполнен в виде постоянного запоминающего устройства, требуемый объем памяти которого будет зависеть как от диапазона рабочих частот (количества значений f_i), так и от разрядности используемых операндов.

Во втором случае не требуется иметь большие массивы затабулированных значений, а вводятся одна или несколько (в зависимости от вида АЧХ и предъявляемых требований к точности ее аппроксимации) аппроксимирующих функций известного вида. Возвращаясь к примеру, показанному на фиг. 2, отметим, что это линейные функции вида kf+с (k и с постоянные коэффициенты), которые приближенно описывают имеющуюся АЧХ шести прямыми на участках (f₁; f₂), (f₂; f₃), (f₃; f₄), (f₄; f₅), (f₅; f₆), (f₆; f₇). То есть в диапазоне от f₁ до f₇ (от 1 до 300 МГц) функцию K(f) можно представить в виде

Следовательно, скорректированное напряжение на выходе измерителя U_вых, на выходе функционального преобразователя 5, должно зависеть от напряжения U_пр и измеренного значения частоты f следующим образом:

Из приведенного видно, что реализация второго случая потребует выполнения ряда арифметических операций, которые целесообразно возложить на программируемый универсальный микропроцессор, и, следовательно, реализовать на его основе функциональный преобразователь 5.

Выше был показан частный случай АЧХ (см. фиг. 2) и соответствующий ей вариант аппроксимации, в то же время следует иметь в виду, что возможны ситуации, когда требования к погрешностям измерений и/или форма АЧХ таковы, что всю область частот можно разделить условно на два поддиапазона. При этом экспериментально устанавливается некоторая частота f_гр, делящая весь диапазон на две части, после превышения которой результат измерений определяется с учетом некоторого коэффициента коррекции (зависящего или не зависящего от частоты, в зависимости от конкретных требований), полученного по известной АЧХ. Например, если допустить, что по условиям конкретной задачи ранее представленную АЧХ можно разбить на два поддиапазона с внутренней границей f_гр=f₅, то в функциональном преобразователе 5 необходимо будет осуществлять операции согласно нижеприведенным условиям

Разумеется, погрешность оценки уровня исследуемого сигнала при такой коррекции будет выше, чем в ранее рассмотренном случае. Возможны также ситуации, когда требования к допустимым погрешностям позволяют вводить корректирующий коэффициент, не зависящий от частоты, например, как некоторое усредненное в поддиапазоне значение. Работа функционального преобразователя 5 в этих случаях, полагая, что в рассматриваемом примере имеются два поддиапазона с границей в точке f_гр, может сводиться к вычислениям согласно зависимостям

где f_н, f_в - нижняя и верхняя частота рабочего диапазона соответственно;

k - некоторый корректирующий коэффициент, снижающий влияние неравномерности АЧХ на результаты измерений, который, в частности, может быть вычислен как 1/k_ср (k_cp - усредненное значение частотнозависимого коэффициента усиления в поддиапазоне).

Отметим, что в вариантном исполнении вход измерителя 2 частоты может быть объединен со входом усилителя 1, если характеристики измерителя частоты позволяют работать с входными сигналами без их предварительного усиления.

Возможен упрощенный вариант измерителя, ориентированный на работу с АЧХ имеющей выраженный спад после некоторой граничной частоты f_гр, например, в высокочастотной части рабочего диапазона. В таком измерителе отсутствует частотомер как отдельный блок, но при этом осуществляется коррекция путем контроля частоты входного сигнала за счет выделения сигнала в фильтре верхних частот. Функциональная схема упрощенного измерителя показана на фиг. 3, из которой несложно видеть, что при появлении на выходе ФВЧ 7 сигнала, частота которого превышает f_гр, блок 8 формирует соответствующий ответ в виде, например, некоторого фиксированного уровня а=1, являющегося признаком перехода границы f_гр. Функциональный преобразователь 11 в такой схеме должен выполнять вычисления согласно алгоритму:

Что касается блока 8 выделения сигнала, то он может быть выполнен по схеме, показанной на фиг. 3 и в простейшем случае содержать аналоговый компаратор 12 с одновибратором 13 на выходе. При появлении на положительном входе компаратора 12 сигнала, уровень которого превышает некоторый заранее установленный порог U₀, на выходе компаратора формируется перепад, запускающий одновибратор 13, длительность импульса которого выбирается несколько большей минимального периода сигнала на входе компаратора. Наличие одновибратора, с выбранной вышеуказанным образом длительностью формируемого импульса, позволяет формировать относительно стабильное напряжение на выходе блока выделения сигнала при наличии знакопеременного напряжения на его входе.

Использование: изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при построении широкополосных цифровых измерителей уровней синусоидальных сигналов. Сущность: способ основан измерения частоты входного сигнала и коррекция предварительного результата измерения уровня путем установления функциональной связи с известной амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления входного сигнала. При этом основными операциями являются усиление входного сигнала, измерение его частоты, детектирование, преобразование постоянного напряжения в цифровой код и коррекция цифрового кода. Для реализации способа служит измеритель с функцией автокоррекции предварительных результатов, который включает в себя входной усилитель, измеритель частоты, детектор, аналого-цифровой преобразователь и функциональный преобразователь, служащий для выполнения сугубо арифметических действий. Технический результат: повышение точности оценки уровня синусоидального сигнала в широкой полосе частот. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения уровня синусоидального сигнала, состоящий в усилении сигнала, детектировании и преобразовании полученного постоянного напряжения в цифровой вид, отличающийся тем, что предварительно определяют амплитудно-частотную характеристику тракта усиления, измеряют частоту сигнала и далее полученное значение частоты сигнала используют для коррекции цифрового значения детектированного сигнала путем установления функциональной связи с амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления, оценкой уровня является скорректированное значение детектированного сигнала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что функциональную связь с амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления устанавливают путем изменения полученного цифрового значения детектированного сигнала в количество раз, пропорциональное значению обратной амплитудно-частотной характеристики в точке, соответствующей измеренной частоте сигнала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что функциональную связь с амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления устанавливают путем изменения полученного цифрового значения детектированного сигнала в фиксированное количество раз при условии, что измеренная частота сигнала превысит заранее установленную частоту, лежащую в пределах амплитудно-частотной характеристики тракта.

4. Измеритель с автокоррекцией, реализующий способ по п. 1, содержащий входной усилитель, детектор и аналого-цифровой преобразователь, входом измерителя является вход усилителя, выход которого соединен со входом детектора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что в него введены измеритель частоты и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, первый вход функционального преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход функционального преобразователя соединен с выходом измерителя частоты, вход которого соединен с выходом входного усилителя.

5. Измеритель по п. 4, отличающийся тем, что функциональный преобразователь выполнен в виде программируемого постоянного запоминающего устройства, реализующего аппаратно-табличный способ вычислений.

6. Измеритель с автокоррекцией, реализующий способ по п. 1, содержащий входной усилитель, детектор и аналого-цифровой преобразователь, входом измерителя является вход усилителя, выход которого соединен со входом детектора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что в него введены измеритель частоты и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, первый вход функционального преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход функционального преобразователя соединен с выходом измерителя частоты, вход которого объединен со входом входного усилителя.

7. Измеритель по п. 6, отличающийся тем, что функциональный преобразователь выполнен в виде программируемого постоянного запоминающего устройства, реализующего аппаратно-табличный способ вычислений.

8. Измеритель с автокоррекцией, реализующий способ по п. 1, содержащий входной усилитель, детектор и аналого-цифровой преобразователь, входом измерителя является вход усилителя, выход которого соединен со входом детектора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что в него введены фильтр верхних частот, блок выделения сигнала и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, первый вход функционального преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход функционального преобразователя соединен с выходом блока выделения сигнала, выход которого соединен с выходом фильтра верхних частот, вход которого соединен с выходом входного усилителя.

9. Измеритель по п. 8, отличающийся тем, что блок выделения сигнала представляет собой устройство, формирующее на выходе постоянный высокий логический уровень при появлении на его входе синусоидального сигнала, и сохраняемый в течение всего времени действия синусоидального сигнала.