Устройство для определения импульсных характеристик линейных объектов Советский патент 1985 года по МПК G05B23/00 

1

Изобретение относится к техническим средствам в области контролвноиэмерительной техники, предназначенным для определения динамических характеристик линейных объектов, например импульсных характеристик ИХ Радиотехнических Объектов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Наиболее близким технич еским решением к изобретению является уст ройство, содержащее исследуемый объект, первый и второй корреляторы, управляемый фильтр, кольцевой распределитель, элемент сравнения, запоминающий элемент коррелятора, , сумматоры, делители, запоминающие элементы, согласующие ключи, усилители-юграничители, блоки умножения и устредняющие устройства.

Принцип работы этого устройства основан на определении ординат ИХ с использованием приема компенсации сигнала с выхода управляемого фильтра с большим числом управляемых элементов, соответствующих числу определяемых ординат ИХ.и с выхода исследуемого объекта l ,

Недостатки известного устройства состоят в следующем. Поскольку значения измеряемых корреляционных характеристик определены с ошибкой, особенно грубо измеряются значения этих характеристик с малым весом, то появляется шум измеренийj который приводит к значительным onni6KaM в определении ординат ИХ исследуемого объекта, т,в, в известном устройстве сигнал с выхода каждого делителя управляемого фильтра, состоящего из большого числа делителей, незначителен в суммарном выходном сигнале управляемого фильтра, сравним и даже меньше шума измерений.

Таким образом, известное устройство не позволяет определять ординаты ИХ линейных объектов с достаточной точностью.

Цель изобретения - повыиюние точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения импульсных характеристик линейных объектов, содержащее коррелятор, вход которого связан с выходом сследуемого объекта, и сумматор, ведены генератор строба, блок- пере лючения режимов работы и последоваельно соединенные синхронизатор и лок управления, первый выход корелятора через генератор строба связан со своим первьэи входом, выход блока переключения режимов работы с вторым входом коррелятора , второй ыход которого через синхронизатор одключен к третьему входу корреляора, второй выход синхронизатора оединен со своим вторым входом и етвертым входом коррелятора, зыход

блока управления - с пятым входом коррелятора, третий и четвертый выходы которого связаны соответственно с первым и вторым входами сумматора, входом и выходом исследуемый объект подключен соответственно к пятому выходу и шестому входу коррелятора .

Коррелятор выполнен в виде последовательного соединения генератора парных импульсов, источника специаль ного сигнала, усилителя-ограничителя, смесителя, ключа, детектора, усреднителя и цифрового вольтметра, второй вход которого связан с третьим, входом коррелятора, третий вход - с четвертым входом корреклятора, второй вход ключа - с первым входом корреклятора, первый выход ко торого связан с третьим выходом ге нератора парных импульсов и вторым выходом коррелятора, пятый выход коррелятора подключен к второму выходу генератора парных импульсов, а шестой вход коррелятора - к второму входу смесителя.

На фиг.1а и фиг.15 изображены соответственно ёходная последовательность импульсов и сигнал на выходе, исследуемого объекта; на фиг.2 - интегральная характеристика, измеряемая на выходе усреднителя при входной последовательности коротких парных импульсов с чередующейся полярносты-Q- на фиг.За и фиг.3& - псевдокорреляционные функции (ПКЛ) соответственно для входной последовательности однополярных и разнополярных парных импульсов; на фиг.4 - взаимная корреляционная функция (ВКФ) исследуемого и специального сигналов, на фиг.5 - функциональная схема устройства; на фиг.б - функциональная схема блока управления устройства./

В описании приняты следующие обозначения: 5 - дельта-функция Дирака , Т - период следования коротких парных импульсов; - коэффициент пропорциональности ,2е временной сдвиг между парными импульсами, изменяемый соответственно в пределах

- максимальный интервал

,

корреляции ИХ или ее длительность л О, 1, 2,.,,,N; W(t) - импульсная характеристика исследуемого объекта,

- задержка импульсного отклика относительно входного воздействия,

п U - полезный сигнал импульсного отклика, , W, паразитные помехи, представляющие собой соответственно переотражения от концов линии: акустической и электрической, сигиалт тройного прохождения, сигнал прямого просачивания со входа исследуемого объекта на выход, 2 НТ - время усреднения, N - число парных импульсов, ( С с 1 - ПКФ, соответствую щая входному сигналу в виде последовательности о;;нополярных парных импульсов, R dg - ПКФ, соответствующая входному сигналу в виде после довательности разнополярных парных импульсов, iС е i интервал приближенного дифференцирования, (T;) - абсолюная ошибка измерения ПКФ, R (og) - ВКФ исследуемого сигнала со специальным сигналом, ) специальный сигнал, радиоимпульс с частотной модуляцией, например, близкой к линейной.

Устройство содержит генератора 1 парных импульсов, источник 2 специального сигнала, в качестве которого используют генератор сигнала, например с ЛЧМ модуляцией, исследуемый . объект 3, усилитель-ограничитель 4, смеситель 5, генератор б строба, синхронизатор 7, в качестве которого используют счетчик со сбросом, ключ детектор 9, усреднитель 10, в ка честве которого используют филь.тр низкой частоты (ФНЧ), цифровой фольтметр 11, сумматор 12, в , качестве которого используют счетчик с прямым и реверсивным входами, блок 13 управления, блок 14 переключения режи|мов работы генератора парных импульсов, коррелятор 15, счетчик 16, дешифратор 17, набор 18 герметических контактов, прецизионный магазин 19 9опротивлений.

Работа устройства основана на том, что подают на вход исследуемого объекта.на ПАВ последовательность коротких парных импульсов, изображен ную на фиг. 1 а и описываему1э выражением.

: Mtl KBtt-2nT 8 t-te-2ni (2пиП1-8 1- е-(2пиП1

1 Vи на.выходе исследуемого линейного радиотехнического объекта получают реакцию на входное воздействие, пред ставляемую выражением

Bplt kW t-%2r l 4 w t-t,-te-2ni KV/ t-Jj-(5nHU -w t-Cj-Ce4 «HlT.

Для выделения полезного сигнала из суммы разнесенных во времени помех применяют временную селекцию. В результате получают сигнал, описываемый в виде следующего выраженияvj(t-i: ,1-4 ц-Сз) ,,№Н)-W ).

Амплитуду импульсного отклика от первого парного импульса ограничивают до уровня максимального значения импульсного отклика от жгорого парного импульса. После этого ограничения регистрируют следующий сигнал

B(U 99;gnVJ t- 5-2nl)Wnli-:3-ce-2nTV6sign NnU-Vliv,.,t-t,.tg.(

который представлен на фиг.IS. Форма импульсного отклика от первого парного импульса после ограничения приближается к прямоугольной.

Смешанный сигнал B(t) пропускают через детектор, усредняют ФНЧ и измеряют цифровым вольтметром, т,е. реализуют выполнение следующего выражени

(

0 ,

N-t

(: .it-vzn bv u-r

-Т. ч

(n).

5 в выражении (1) переходят к новой переменной t t - llj и, считая все пар ные импульсы в- среднем одинаковыми, получают

2Т .

RXVyi 95;gn Nr.ltVY()- N«ii-ee-Tiilj-i,

(2)

Так как подинтегральное вырадение в первой фигурной скобке существует на интервале от нуля доТ , а во второй - от Т до 2Т, т.е. они взаимно независимы, то переписывают выражение (2) в виде

Зт R(Eel4j 89,g«vjJtb,(b,,,,t..

-Klt-VT)Mt, (3)

5 Смешанный сигнал Q sign f,(t) -f + WpCt-Je) отличен от нУля на интервале 2ь„-ig (фиг.1&) . Разбивая этот интервал на следующие промежутки: ,2«,--b 2С„0 e второй промежуток является, областью перекрытия смеишваемнх сиг|налов, записывают выражением (3) в следующей форме

Ьктпол л

rwte

«1ci|e W«lt)jJt vj;;; )Ut

о

j IWnlt-llelldt.

--С+Н)

m

При записи выражения (4) учтено.

что

Ssi|nVgJtlU.l,i-t,| с - число.

5 Сигнал R(e1, описываемый выражением (.4), представлен на фиг.2. Из выражения (4) видно, что модуль-ИХ связан fc интегральной характеристикой ССе) через прием дифференцирования. Данный прием подчеркивает ошибку измерения. Анализ зависимости R а) , (фиг.2) показывает, что информационные колебания сигнала R (е) подавлены шумом измерений и

5 могут быть выявлены. Подавление шуMOB измерений при восстановлении И из интегральной характеристики достигается ее разбиением на две ПКФ в следующем виде , R I-er I-elфункции R Ct е) и 1 ) представляют сдбой соответственно первый и второй интегралы выражения ( Декомпозицию интегральной характеристики осуществляют разбиением вх ной последовательности импульсов н две разнесенные во времени последо вательности парных импульсов следу щего вида ХВД б Ь2«т 4 1:;:е-2лТ AnW f8 i42«MlT -8 t-VU -)T. Иными словами сначала измеряют ) , соответствующую после довательности An(-t) однополярных парных импульсов, а затем измеряют ПКФ, соответствующую последовательности in (t) разнополярных пар ных импульсов. Эти характеристики представлены соответственно на фиг и фиг.Зб. Анализ формы этих кривых показываетJ что разбиение приводит к резкому возрастанию амплитуды ин формационных колебаний, вследствие этого выполнение приема дифференцирования становится корректным. Действительно, погрешность преобразования при выполнении приема, дифференцирования представляют в в де суммы погрешностей ivi e)-«iU ebei b e). Первую компоненту погрешности «(itg), характеризуквдую размытость приближенного дифференцирования, оценивают по формуле о f { t/Л. Л ,т « to,)- Я 1,0 inniiu V 2 IJВыбрав, например, интервал-при ближенного дифференцирования равным л ч получают максимальную по грешность от .размытости при аппроксимации на интервале (n+l) функции R (€е) функцией siflC e), рав ной 0,04%. Эта аппроксимация вполне приемлема для оценки сверху величины погрешности. Вторую компоненту погрешности, характеризующую относительнуй сшибку от воздействия шумов измерений 1определяют в следующем виде , . .;).Л (;.,l « (,.- -. .t rro;VuR :;J«Ч-гп- йМч Гг Если процедуру : разбиения не выполнять, то в отношении абсолютной погрешности к истинному значению последняя (заменатель выражения 5) сравнима с величиной абсолютной погрешности измерений и относительная ошибка крайне велика. При разбиении исходной функции на две ПКФ амплитуда информационных колебаний существенна, ориентировочно в 10 раз превышает уровень шумов измерений. При этом относительная погрешность It ii на интервале тг е-Тй составляет величину IlO . Таким образом, максимальная погрешность от размытости и действия шумов измерений ориентировочно равна об- 4 10+1 10 Некоторое снижение погрешности достигают оптимальным выбором интервала приближенного дифференцирования. Определение ординат ИХ в областях а - 5 с большим подавлением боковых лепестков ПКФ (Лиг.3а,S) осуществляется со значительной относительной ошибкой. Кроме того, достижение высокого коэффициента прямоугольности сигнала затруднительно вследствие того, что нарастание и спад ИХ исследуемого объекта плавные. Повышение точности определения ИХ достигается тем, что в качестве первого смешиваемого сигнала выбирают специально сформированный радиоимпульс с частотной модуляцией, например, близкой к линейной. Из выражения (4) видно, что определяемая из него НХ дифференцирования R Cif не зависит от Дормы первого .смешиваемого сигнала 9 N(t), поэтому этот сигнал выбирают из условий повьааения точности определения ИХ. На фиг.4 показана взаимная корреляционная функция специально сформированного сигнала с ЛЧМ модуляцией с ИХ исследуемого линейного объекта. ВКФ растянута почти равномерно вдоль оси абцисс (фиг.4). Этот эффект позволяет выравнять точность определения ИХ во всей области ее существования. Кроме того, момент выхода из области перекрытия специально сформированного сигнала с ЛЧМ модуляцией с ИХ исследуемого объекта регистрируется с достаточно высокой точностью. Это обуславливается тем, что огибающие ВКФ имеют очеиь крутой спад при уменьшении области взаимодействия двух смешиваемых сигналов. В области 8 - г (фиг.4) кривай резко изменяется, и поэтому точка фиксируется с достаточно высокой точностью. Это позволяет оценить длительность ИХ исследуемого объекта, например, на поверхностных акустических волнах с приемлемой для практики точностью.

Если исследуемым объектом является ЛЧМ фильтр на ПАВ, то в качестве специального сигнала выбир«1ют не1модулированный по частоте радиоимпульс или радиоимпульс с законом модуляции по частоте, обратиым закону модуляции ИХ исследуемого ЛЧМ фильтра на ПАВ.

Импульсную характеристику из ее модуля определяют введением априорного допущения о ее дифференцируемости.

Устройство работает следующим образом.

Первый парный импульс с первого выхода генератора 1 подают на вход источника 2 специального сигнала, второй парный импульс с амплитудой, существенно меньшей амплитуды первого парного импульса, временное соотношение между которвыми последовательно изменяют, подают с второго выхода генератора парнвых импульсов на вход исследуемого объекта 3. Генератор парный импульсов работает в двух режимах. В первом режиме с первого и второго выходов генератора вырабатывается последовательность коротких однополярных парных импульсов, а во втором - разнополярных. В первом режиме измеряют первую состаляюгчую ( / а во втором режиме - вторую составляющую HXiij ( .

Выходной сигнал источника специального сигнала подают через усилитель-ограничитель 4 на первый вход смесителя 5, в котором осуществляют суммирование сигналов, подаваемых по первому и второгту входам. На второй вход смесителя поступает сигнал с выхода исследуемого объекта. Синхроимпульсами с третьего выхода генератора парных импульсов запускают генератор 6 строба и синхронизатор 7. Строб-импульс с выхода генератора строба подаиот на второй вход ключа 8, по первому входу которого поступает смешанный сигнал с выхода смесителя, что позволяет отстроится от паразитных это-сигналов и выде лить полезный импульс. Этот полезны сигнал пропускают через детектор 9, усредняют усреднителем 10 и подают на первый вход цифрового вольтметра 11, который по второму входу запускается импульсом с первого выхода синхронизатора, формируемого при накоплении 10 синхроимпульсов. При запуске цифрового вольтметра он преобразует в код величину выходного напряжения с усреднителя ) ра ную среднему значению модуля ИХ и передает кодовую последовательность импульсов на первый прямой вход сумматора 12. В это время синхронизато продолжает накапливать число синхроимпульсов , и как только он накопит их 110000, на его втором выходе прявляется импульс, который воздействует на вход блока 13 управления, выходной сигнал которого поступает на вход генератора парных импульсов, и он изменяет величину временного

сдвига между парными импульсами на равную , . Сигнал с второго выхода синхронизатора также воздействует на еговторой вход и обнуляет его. Обнуление синхронизатора и изменеO ние временного сдвига между парными . импульсами происходят одновременно. Результатом обнуления является то, что цикл повторяется, и как только синхронизатор накопит вторую партию

5 в lOS синхроимпульсов, на его первом выходе появляется импульс, который воздействует на второй вход цифрового вольтметра, преобразующего в код величину выходного напряжения с усреднителя R (С, и передающего кодовую последовательность импульсов на второй реверсивный вход су «латора. В сумматоре эта величина вычитается из значения R ) , нзме5 ренного на предыдущем шаге. Разность равная значению первой составляющей ИХ 1 ) 1 выдается на промежуточный носитель на выходе сумматора. Как только синхронизатор накопит вторую партию в 110000 синхрош-туль0сов, на его выходе появляется им пульс, который обнуляет синхронизатор, изменяет временной сдвиг между парными импульсайи и записывает повторно на сумматор по первому прямому входу величинуR {t,,) , изме- ренную на втором таге, и начинается третий цикл измерений. Такшл образом, на сумматоре реализуют прием приближенного дифференцирования

0 сигнала R Сое) . Эта процедура продолжается последовательно пока не бу дет зарегистрирована первая составляквдая HXl/Vitte) . Затем генератор парных импульсов переводят во второй режим работы, воздействуя сигналом с переключателя 14 режимов работы на его второй вход, и регистрируют аналогично вторую составляющую ИХ rVilte).

П После этого характеристики I VJCCe) и1(( суммируют и определяют модуль ИХ исследуемого объекта.

Импульсную характеристику из ее модуля получают введением априорного допущения о дифференцируемости ИХ.

5

Устройство содержит коррелятор 15 и осуществляет псевдокорреляционную обработку импульсных характеристик исследуемых линейных объек-тов, например радиотехнических-объек

0 тов на. поверхностных акустических волнах. Аналогию измеряемых ПКФ с корреляционной характеристикой следует рассматривать в их зависимости от одной и той же переменной сдвига о е .

Блок управления (фиг,Б) временны1 и сдвигами между парными импульсами работает следуквдим образом, СигЪал с выхода синхронизатора воздействует на Bxoji счетчика 16 блока управления. Счетчик 16 регистрирует число циклов измерений и представ ляет собой двоично-десятичный счетчик на три декады. Сигнал состояния счетчика дешифрируется дешифратором 17 и поступает в блок, состоящий из набора герметических контактов 18, которые последовательно шунтируют ступени презиционного магазина 19 сопротивлений, встроенного в цепь управления изменением временных сдвигов генератора парных импульсов. Блок управления позволяет осуществять в автоматическом режиме измерение временных сдвигов между парными импульсами с высокой степенью плавности.

Устройство работает до частот в 200 МГц, верхняя частота ограничивается возможностью формирования импульсов наносекундной длительности генератором парных импульсов. Каждый отсчет ПКФ измерятеся с повторяемостью в четыре - пять значащих цифр за время 0,5 - 1,0 с. Изменение переменной сдвига обеспечивается с дискретностью ,1 не.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНЫХ ОБЬЕКТОВ, содержащее коррелятор вход которого связан с выходомисследуемого объекта, и сумматор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно-содержит генератор строба; блок переключения режимов работы и последователд1но соединенные синхронизатор и блок управления, первый выход коррелятора через генератор строба связан со своим первым входом, выход блока переключения режимов работы соединен с вторым входом, коррелятора, второй выход которого через синхронизатор подключен к третьему входу коррелятора, второй выход синхронизатора соединен со своим вторым входом и четвертым входом коррелятора, выход блока управления выведен на пятый вход коррелятора, третий и четвертый выходы которого связаны соответственно с первым и вторым входом сумматора, входом и выходом исследуемый объект подключен соответственно к пятому выходу и шестому входу коррелятора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коррелятор выполнен в виде последовательного соединения генератора парных импульсов , источника специального сигнала, усилителя-ограничителя, смесиi теля, ключа, детектора, усреднителя и цифрового вольтметра, второй вход СО которого связан с третьим, входом коррелятора, третий вход - с четвертым входом коррелятора, второй вход ключа соединен с первым входом коррелятора, первый выход которого связан с третьим выходом генератора парных .импульсов и вторым выходом коррелятора i пятый выход коррелятора подключен к второму выходу генератора Од парных импульсов, а шестой вход корда релятора - к второму входу смесителя.

а н««;

т .

5 Wit)

l2f

0/- { i,Zfm-fe

fi

Фиг.г