Среднеквадратичный милливольтметр Российский патент 2023 года по МПК G01R19/02 

Предлагаемое изобретение относится к измерению характеристик флуктуационного шума, в частности, к технике приема слабых импульсных сигналов, и может быть использовано при проектировании и изготовлении приемников для локации, связи и других областей.

Известно, что знание дисперсии шума важно для правильного построения режима порогового выделения сигналов [1].

Известна техника приема слабых оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [2]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [3]. Указанные решения не обеспечивают максимального отношения сигнала к шуму, поскольку не контролируют это отношение.

Эффективное (среднеквадратическое) значение электрической величины определяют стандартные лабораторные приборы [4-6]. Принятые в них технические и метрологические принципы осуществимы в стационарной аппаратуре, но не обеспечивают возможность их применения в миниатюрной аппаратуре в широком диапазоне температур.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является среднеквадратичный милливольтметр [6], содержащий входное согласующее устройство, инструментальные аналоговые преобразователи и выходной аналоговый преобразователь квадратичного напряжения в линейное для выходного устройства выдачи данных. В этом лабораторном милливольтметре имеются два преобразователя на интегральных инструментальных усилителях на базе широкополосных операционных усилителей. В качестве квадраторов использованы две согласованные пары высокочастотных диодов Шоттки, работающих без смещения. Это обеспечило двухполупериодную обработку сигнала. По сравнению с серийным милливольтметром В3-48А применение инструментальных усилителей и широкополосных ОУ позволило упростить схему прибора и его налаживание, расширить полосу частот измеряемых сигналов.

Структура этого милливольтметра реализуется в лабораторном приборе габаритами (без выносного пробника), 271×191×123 мм и массой 2,57 кг, работающем в узком температурном диапазоне. Такая аппаратура непригодна для встраивания в миниатюрные приемные устройства, особенно в составе портативных систем связи, локации и т.п.

Задачей изобретения является оперативное определение среднеквадратического значения флуктуационного нормального шума приемных устройств в процессе производства и обслуживания миниатюрной, в том числе носимой и встраиваемой аппаратуры, в широком эксплуатационном диапазоне при несложном метрологическом обеспечении.

Указанная задача решается за счет того, что в известном среднеквадратичном милливольтметре, содержащем входное устройство, инструментальный преобразователь и выходное устройство, инструментальный преобразователь выполнен в виде линейного усилителя и включенного на его выходе порогового устройства с порогом срабатывания 1σ<U<3σ, где σ - среднеквадратическое значение шума на входе порогового устройства, и введен источник опорного напряжения с делителем, выход которого подключен к опорному входу порогового устройства, а на выходе порогового устройства введены измеритель средней частоты f срабатываний порогового устройства от выбросов шума, превышающих порог, и решающее устройство для определения оценки измеряемой величины где f₀ - средняя частота превышения шумом нулевого уровня, постоянная для данной системы, причем, выходное устройство, включенное на выходе решающего устройства, представляет собой дешифратор для выдачи результатов на внешний терминал, например, цифроиндикатор.

Пороговое устройство выполнено в виде аналогового компаратора, а коэффициент деления делителя K=U_оп/U, где U_оп - выходное напряжение источника опорного напряжения, a U - пороговое напряжение компаратора.

Измеритель средней частоты f срабатываний порогового устройства выполнен в виде счетчика импульсов с устанавливающим период накопления Т времязадающим устройством.

Принцип работы устройства основан на зависимости средней частоты f пересечения порога U выбросами флуктуационного шума [7, 8], подчиняющегося нормальному распределению

где - средняя частота пересечения шумом нулевого порога;

R(τ) - корреляционная функция шума, определяемая частотной характеристикой приемно-усилительного тракта.

Частоту f₀ можно определить предварительно при пороговом уровне U=0 путем подсчета количества No пересечений нуля шумом за время Т' и вычисления частоты f₀ по формуле f₀=N₀T. Этот параметр является постоянным для данного устройства и не требует проверки при каждом измерении а.

Из соотношения (1) следует выражение для вычисления а, используемое в настоящем изобретении

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.

На фиг. 2 - исполнение порогового устройства с источником опорного напряжения.

На фиг. 3 - график погрешности определения о зависимости от отношения Wo.

Квадратичный милливольтметр (фиг. 1) включает входное устройство 1 для согласования схемы с источниками сигнала и шума и последовательно включенные на его выходе усилитель 2, пороговое устройство 3, счетчик 4 и решающее устройство 5 с выходным устройством 6. На опорном входе порогового устройства 3 последовательно включены источник опорного напряжения 7 и делитель напряжения 8. На управляющем входе счетчика 4 включено времязадающее устройство 9.

В начале работы на опорный вход порогового устройства 3 с источника опорного напряжения 7 подают напряжение U=U_пор=U_оп/K, где K - коэффициент деления делителя 8. Затем включают времязадающее устройство 9, открывающее счетчик 4 на время Т. В моменты пересечения шумовыми выбросами с выхода усилителя установленного порога U пороговое устройство срабатывает, увеличивая состояние счетчика на единицу. По окончании интервала Т в счетчике накапливается сумма N срабатываний, поступающая в решающее устройство 5. По значениям U, f=N/T и известной частоте f₀, установленной предварительно для данной аппаратуры, в решающем устройстве 5 формируется оценка измеряемой величины выдаваемая на выходное устройство 6.

Предлагаемое техническое решение может быть встроено в штатную структуру фотоприемного устройства и позволяет измерять интенсивность шума на выходе линейного тракта в рабочем составе устройства в процессе его работы.

На фиг. 2 показана структура определяющего точность измерений порогового устройства на базе аналогового компаратора 3 с источником опорного напряжения 7 и делителем 8.

Существующие быстродействующие чувствительные компараторы обеспечивают частоту срабатываний до (10-50) МГц [10, 11].

Источники опорного напряжения при номинальном выходном напряжении 1,2 В и точности его поддержания ±(0,1-0,2)% имеют температурный дрейф (8-30)⋅10^-1 %/град [12-14]. Как следует из выражения (2), погрешность установки опорного напряжения U входит в погрешность измерения а с одинаковым относительным значением. Следовательно, для существующих источников погрешность также составляет (0,1-0,2) %, однако эта погрешность может быть учтена при калибровке решающего устройства.

Существенное влияние на погрешность измерения может оказывать ошибка поддержания отношения f₀/f. Эта погрешность зависит от уровня порога U относительно о. На графике фиг. 3 показана эта зависимость при ошибке определения f₀/f, равной 0,1%. В этом случае при отношении U/σ<0,5 погрешность измерения возрастает до 0,4% и более, а при отношении U/σ>1,5 погрешность измерений, наоборот, снижается до (0,1-0,05)%.

При проектировании милливольтметра необходимо свести к допустимому минимуму погрешность, связанную с пуассоновским характером последовательности превышений порога шумом [8]. Согласно этому статистическому распределению, случайное число N имеет математическое ожидание M_N=N, дисперсию D_N=N.

Среднеквадратическое отклонение При создании аппаратуры принимают условие где X=(2-4) - допустимое относительное отклонение случайной величины N от среднего значения Mn; - доверительный коэффициент, характеризующий вероятность такого отклонения. То есть откуда следует требование

Пример 1

N>(3/0,01)²=90000.

Период накопления Т зависит от выбранного количества N и отношения порог/шум, определяющего среднюю частоту шумовых превышений порога f.

Пример 2

Отношение U/σ=2; f₀=10⁷ 1/с. Средняя частота (1)

Период накопления Т=N/f=90000/1353353=0,067 с.

Следовательно, обеспечивается минимальная погрешность (0,05-1) % измерения, достаточная для оперативной оценки уровня шума приемно-усилительных устройств в широком температурном диапазоне, как в автономном исполнении устройства, так и в составе функциональных комплексов.

Аналоговые инструментальные процедуры не содержат нелинейных функциональных преобразований, и реализуются на существующей элементной базе в миниатюрных объемах с надежной воспроизводимостью и стабильностью, а также с простым метрологическим обеспечением.

Предлагаемое устройство обладает минимальным временем измерения. При допустимой погрешности определения а в пределах (0,1-1) % время измерения составляет Т<0,05-0,1 с.

Таким образом, устройство обеспечивает решение поставленной задачи - оперативное определение среднеквадратического значения флуктуационного нормального шума приемных устройств в процессе производства и обслуживания миниатюрной, в том числе носимой и встраиваемой аппаратуры, в широком эксплуатационном диапазоне при несложном метрологическом обеспечении.

Источники информации

1. Вильнер В.Г. и др. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с накоплением. - М.: Фотоника. 2007. №6. - с. 22-26.

2. И.Д. Анисимова и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники приемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. - М.: Радио и связь, 1984 г. - 216 с.

3. Патент РФ №2 248 670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения.

4. Насонов B.C. Справочник по радиоизмерительным приборам. - М: Советское радио, 1976, т.1., 234 с.

5. Ф.В. Кушнир. Электрорадиоизмерения.: Уч. пособие для вузов. - Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1983 г. - 320 с.

6. Д. Молоков. Высокочастотный среднеквадратичный милливольтметр. Журнал «Радио». №5, 2019 г. - с. 14-21 - прототип.

7. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.

8. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970, - с. 392.

9. Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - с. 345.

10. Высокоскоростной компаратор TL714C. Texas Instruments. Datasheet 2003.

11. Высокоскоростной компаратор е МАХ941/МАХ942/МАХ944. MAXIM. Datasheet 2004.

12. Источник опорного напряжения ADR3412. Analog Devices. Datasheet 2010.

13. Источник опорного напряжения МАХ6023ЕВТ12. MAXIM. Datasheet 2012.

14. Источник опорного напряжения LM4040AIM3-2.5/NOPB, Texas Instruments Datasheet 2016.

Изобретение относится к технике измерения параметров флуктуационного шума и может быть использовано в любой области, где требуется определение эффективных значений шума. Среднеквадратичный милливольтметр, содержащий входное устройство, инструментальный преобразователь и выходное устройство, инструментальный преобразователь выполнен в виде линейного усилителя и включенного на его выходе порогового устройства с порогом срабатывания где σ - среднеквадратическое значение шума на входе порогового устройства, и введен источник опорного напряжения с делителем, выход которого подключен к опорному входу порогового устройства, а на выходе порогового устройства введены измеритель средней частоты f срабатываний порогового устройства от выбросов шума, превышающих порог, и решающее устройство для определения оценки измеряемой величины где f₀ - средняя частота превышения шумом нулевого уровня, постоянная для данной системы, причем, выходное устройство, включенное на выходе решающего устройства, представляет собой дешифратор для выдачи результатов на внешний терминал, например, цифроиндикатор. Пороговое устройство выполнено в виде аналогового компаратора, а коэффициент деления делителя где U_оп - выходное напряжение источника опорного напряжения, a U - пороговое напряжение компаратора. Измеритель средней частоты f срабатываний порогового устройства выполнен в виде счетчика импульсов с времязадающим устройством. Техническим результатом при реализации заявленного решения является оперативное определение среднеквадратического значения флуктуационного шума при построении миниатюрной, в том числе носимой и встраиваемой аппаратуры, работающей в широком диапазоне климатических условий. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Среднеквадратичный милливольтметр, содержащий входное устройство, инструментальный преобразователь и выходное устройство, отличающийся тем, что инструментальный преобразователь выполнен в виде линейного усилителя и включенного на его выходе порогового устройства с порогом срабатывания 1σ<U<3σ, где σ - среднеквадратическое значение шума на входе порогового устройства, и введен источник опорного напряжения с делителем, выход которого подключен к опорному входу порогового устройства, а на выходе порогового устройства введены измеритель средней частоты f срабатываний порогового устройства от выбросов шума, превышающих порог, и решающее устройство для определения оценки измеряемой величины где f₀ - средняя частота превышения шумом нулевого уровня, постоянная для данной системы, причем, выходное устройство, включенное на выходе решающего устройства, представляет собой дешифратор для выдачи результатов на внешний терминал, например, цифроиндикатор.

2. Среднеквадратичный милливольтметр по п. 1, отличающийся тем, что пороговое устройство выполнено в виде аналогового компаратора, а коэффициент деления делителя K=U_оп/U, где U_оп - выходное напряжение источника опорного напряжения, a U - пороговое напряжение компаратора.

3. Среднеквадратичный милливольтметр по п. 1, отличающийся тем, что измеритель средней частоты f срабатываний порогового устройства выполнен в виде счетчика импульсов с времязадающим устройством.