Измеритель переходных характеристик Советский патент 1987 года по МПК G05B23/02 

112

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано для исследования и контроля динамических свойств управляе- мых автоколебйтельных систем, к кото- рым относятся кварцевые и струнные датчики, а также управляемые кварцевые генераторы и другие приборы, управляемые по частоте.

Цель изобретения - повышение точ- мости и расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип преобразования приращения периода или частоты ис следуемого сигнала в изменении напряжения; на фиг.2 - функциональная схема предлагаемого измерителя переходных характеристик;на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу предла- гаемого измерителя переходных характеристик} на фиг.4 - функциональная схема делителя с переменным коэффициентом деления; на фиг. 5 - функциональная схема узла сброса; на фиг. 6- функциональная схема коммутатора} на фиг.7 - функциональная схема сумматора; на фиг.8 - восстановленные функций переходного процесса и кратковременной нестабильности частоты.

-

В предлагаемом измерителе переходных характеристик для точного восстановления функции переходного процесса установления частоты используется преобразование приращения частоты или периода колебаний в изменение напряжения в следугацем порядке.

В один и тот же момент времени из импульсов опорной частоты (4мг.1 а) начинает формироваться интервал опроса (фиг.1 Ь), где К -число импульсов опорной частоты в интер- вЬле опроса; Х - период опорной час- тоты, а иэ импульсов исследуемой частоты (фиг,1 с) - исследуемый интервал (фиг.1 d), где К - число импульсов исследуемой частоты в иссле-, дуемом интервале; Т - период иссле- дуемой частоты, формируется измерительный интервал t (фиг.1 е) как разность опорного и исследуемого интервалов, которьй коммутирует импульсы опорной (фиг.1 м) или исследуемой (фиг.1 t) частот; количество коммутируемых импульсов преобразуется в напряжение (фиг.1 n,z), причем каждому коммутируемому импульсу соответству202

ет приращение напряжения на шаг квантования.

Таким образом, приращение периода или частоты исследуемого процесса с помощью предлагаемого измерителя преобразуется в последовательность отсчетов напряжения, расположенных по времени через равные интервалы

ОПР

Вид коммутируемых импульсов (фиг.1 n,z) оказывает существенное влияние на метрологические свойства измерителя, поэтому в зависимости от их вида возможны два режима работы: 1-й режим - -коммутируются импульсы опорной частоты, 11-й режим - коммутируются импульсы исследуемой частоты.

Для оценки метрологических свойст каждого из режимов определяют изменение выходного напряжения при скачкообразном изменении периода (дТ) или частоты (uf).

1-режим работы.

Выходное напряжение до скачка на- пряжения равно

и

вы I

КоуКхТ, т:

ли.

(1)

где Т

Ко

- начальное значение периода

исследуемой частоты. После изменения периода Т на величину лТ напряжение (1) преобразу- ется к виду

и.

КоТ„-К,Т,

(2)

ВЬ,Х2 Т

О

Зависимость изменения выходного напряжения от приращения периода аТ при этом имеет вид

IV, ли

(3)

С целью упрощения выкладок интервалы tg и t, в начальный момент времени принимают равными друг друи с учетом СОГУ, т.е. К,Т, КД; ,

, ... jj отношения

1.

1

Л

Т, +&Т

T/+TX о о

&т

(3) определяют зависимость напряжения от приращения

t,n. fo-

f, -if

ли.

(4)

откуда определяют разрешающую способность 1-ого режима по частоте, т.е. девиацию частоты д, соответствую312871

щую изменению выходного напряжения на шаг квантования

uf

рг

ton. f. 1

(5)

I1-й режим работы.

Аналогично 1-ому режиму определяют соотношения типа (3),(4) и (5). Выходное напряжение изменяется в зависимости от приращения периода

tpnP т -Т„ лТ

ли

и от приращения частоты

tonp (7) Разрешающая способность 11-ого режима:

fp. T-.)

оп р

Из соотношений (4-8) следует, что 1-й режим имеет линейную характеристику преобразования период - напряжение, 11-ой режим имеет линейную характеристику преобразования частота - напряжение; разрешающая способ- ность 1-ого режима определяется не только интервалом опроса и начальным значением исследуемой частоты, но и значением опорной частоты, разрешающая способность 11-ого режима определяется только интервалом опроса.

Функция переходного процесса установления частоты может быть восстановлена путем линейной интерполяции внутри каждого интервала опроса, при этом максимальное значение погрешности восстановления определяется соотношением

. К .„

(9)

-twKc - 8

где К - коэффициент, учитывающий преобразование приращения частоты или периода в изменение напряжения.

Уменьшение погрешности восстановления возможно уменьшением интервала времени между дискретными значениями напряжения ( ).

Из фиг.1 n,z видно, что в течение измерительного интервала t происходит преобразование числа импульсов в напряжение, а в течение интервалаt - индикация полученного результата.

Для повьш1ения точности измерений за счет повьш1ения разрешающей способности измерителя между импульсами а иб (фиг.1 п) аналогичным образом формируются N таких же измерительных

12871

ния

(5)

204

импульсов (ка фиг.1 штрихйвымн линиями условно показано формирование только одного импульса). При этом число N находят из условия

5Df i iq с °пр ut . t.

(10)

fO

С учетом соотношения (5) и того, что погрешности дискретизации по частоте § и времени 5 равны соответственно

S 0

.KC

ицанс о

(11)

15 5,

4t

где uf - изменение исследуемой частоты за время переходного процесса;

ut - длительность переходного процесса,

функция (10) преобразуется к виду

f, -5,

f Si«. . .

N

f«c-g. f. Af.

(12)

25

30

35

40

45

50

55

За пределами этого интервала эффект повышения точности не достигает- ся (f,fj.

Поскольку в предлагаемом решении отсутствует узел дифференцирования, вносящий в оцениваемую величину существенную погрешность от дискретизации нелинейности и инерционности Sj , а также в N раз увеличено число информационных точек, то повьшение точности в сравнении с известным устройством может быть достигнуто BN(1 + 6g) раз.

Измеритель переходных характеристик (фиг.2) содержит первый формирователь 1 импульсов, N делителей 2, первые входы которых подключены к выходу первого формирователя 1 импульсов, и второму входу узла 3 переключения, N RS-триггеров 4, первые и вторые входы которых подключены соответственно к выходам и вторым входам соответствующих делителей 2. Выход узла 3 переключения соединен с первыми входами N элементов И 5| вторые входы которых подключены каждый к выходу соответствующего RS-триггера 4. Входы первого элемента ИЛИ 6 соединены каждый с выходом одного из N элементов И 5. Входы второго элемента ИЛИ 7 соединены каждый с выходом одного из N RS-триггеров 4. Вход второго формирователя импульсов 8 соединен с выходом второго элемента ИЛИ 7.

51

Первый и второй входы коммутатора 9 соединены соответственно с выходами первого элемента ИЛИ 6 и второго формирователя 8 импульсов. Входы сумматора 10 соединены с соответст- вующими выходами коммутатора 9. Первый вход регистратора 11 подключен к выходу сумматора 10. Выход третьего формирователя 12 импульсов соединен с входом узла 13 сброса, выходы которого подключены каждьй к вторым входам соответствующих/RS-триггеров 4, Второй выход синхронизатора 14 подключен к второму входу регистратора 11. Первая и вторая входные ши- мы 15 и 16 подключены соответственно к входам первого 1 и третьего 12 формирователей импульсов, а выходная шина 17 соединена с первым выходом синхронизатора 11.

Второй формирователь 8 импульсов (фиг.2) выполнен в виде конденсатора 18, элемента НЕ 19 и элемента 2И-НЕ 20.Делитель 2 состоит из двоичных счетчиков 21, кроссировочного поля 22, элементов 8И-НЕ 23 и элемента 2 ИПИ-НЕ 2/J (фиг.4).

Узел 3 сброса состоит из делителя 2 с переменным коэффициентом де- ления, счетных триггеров 25, селекторов-мультиплексоров 26 и элементов 2И 27 (фиг.5).

Коммутатор 9 состоит из двоичных счетчиков 28 (фиг.6), Сумматор 10 состоит из элементов ИЛИ 29, резистора R 30 и резисторов 2 R 31 (фиг.7

Предлагаемый измеритель работает следующим образом.

Перед началом проведения измере- НИИ по формулам (3) и (12) определя

ют интервал опроса t и число N, Расчитывают интервал дискретизации

t.

At

,

О -о . J

ЧТО позволяет выбрать период частоты опорного генератора Т и коэффиО

циент Kjj узла 13 сброса.

Коэффициент деления ДПКД 2 выбирают из условия

x XMoKci

где - максимальное значение

л FldKC

периода исследуемой частоты.

В зависимости от требуемой харак- формирователь 8 импульсов поступает

теристики преобразованияj определяемой выражениями (3), (4), (6) и (7) устанавливают I или 11-й режим работы узла переключения, на выход кототак;ке на второй вход коммутатора для установки последнего по переднейу фронту измерительного интервала в исходное (нулевое) состояние (фиг.3м

рого пропускается соответственно сигнал с первого (импульса опорной частоты) или второго (импульса исследуемой частоты) его входов.

Назначение всех узлов измерителя и прохождение сигналов рассматривают при одном базовом варианте, т.е. при (в состав базового варианта входят один ДПКД 2, один RS-триггер 4 и один элмент 2И 5).

Импульсы опорной частоты (фиг.З, fд) со второй входной шины 16 через третий формирователь 12 импульсов поступают на вход узла сброса,. На первом выходе узла 13 сброса формируется последовательность импульсов сброса (фиг.3,1 вых.), следующих с интервалом опроса t Kj Т . Импульс сброса устанавливает ДПВД 2 и RS-триг гер 4 в нулевое состояние (фиг.Зс-1)

Импульсы исследуемой частоты f (фиг.З f, ) с первой входной шины 15 через первый формирователь импульсов поступают на первые входы ДПКД 2 и второй вход узла переключения. Импуль установки (фиг.З в-1) появляется на выходе ДПКД 2 после прихода импульса сброса через время t . Импульсы установки подаются на первые входы RS-триггеров 4, при этом на его выходе формируется измерительный интервал, длительность которого равна

t, t,

-t.

(14)

Измерительный интервал с выхода RS-триггер 4 поступает на второй вход элемента 2И 5, на первый вход которого в зависимости от режима работы узла 3 переключения поступают импульсы частоты f или f.

На выходе элемента 2И 5 появляются импульсы, число которых равно

5

0

где Т

-onf

-t.

Т,

(15)

V

0,«

- длительность периода опорной или исследуемой частоты.

Импульсы с выхода элемента 2И 5 через элемент ИЛИ 6 поступают на пер- вьй вход коммутатора 9, прербразую- щего число импульсов в код. Измерительный интервал с выхода RS-тригге- ра 4 через элемент ИЛИ 7 и второй

формирователь 8 импульсов поступает

так;ке на второй вход коммутатора для установки последнего по переднейу фронту измерительного интервала в исходное (нулевое) состояние (фиг.3м).

71

Сумматор преобразует код импульсов в напряжение (фиг.З n,z), формируе- мое в течение измерительного интервала, причем увеличению кода на еди ницу соответствует увеличение напря жения на шаг квантования дЦ.

Напряжение на выходе сумматора

вых

и bnplb ди . (16)

вых Т,

Синхронизатор предназначен для синхронизации начала работы измерителя с временем подачи испытательного воздействия на исследуемый объект. Напряжение с выхода сумматора подается на регистратор.

Таким образом, по окончании каждого интервала опроса на регистраторе появляется напряжение характе ризующее приращение периода или частоты на соответствующем интервале опроса.

При формировании дополнительных информационных точек предлагаемый измеритель переходных характеристик работает следующим образом.

Узел 13 сброса формирует на каждом из своих выходов последовательность импульсов сброса, следующих с интервалом опроса , но каждый последующий импульс сдвинут относительно предыдущего на интервал дискретизации dt (фиг.3,1 вых., N вых) Импульсы сброса с каждого из выхо- дов узла 13 сброса устанавливают в нулевое состояние соответствукнцие ДПКД 2 и К5-триггера 4 (фиг.З, с-1, C-N). Импульсы исследуемой частоты (фиг.З, f), с первой входной шины 15 через первый формирователь 1 импульсов поступают на первые входы всех ДПКД 2, на выходе которых через временные интервалы t после прихода соответствующего импульса сброса появляются импульсы установки (фиг.З в-1, B-N), переводящие соответствующие триггеры в единичное состояние (фиг.З с-1, c-N). На выходе каждого из RS-триггеров 4 формируют измерительнь1й интервал t определяемый соотношением (14), который с помощью элементов 2И 5 заполняется импульсами частоты f или f. С помощью первого элемента N ИЛИ 6 выходные сигналы всех элементов 5 суммируются (фиг.З d), в результате на выходе элемента N ИЖ 6 формируется последовательность па20«

чек импульсов. С помощью коммутатора 9 и сумматора 10 количество импульсов в пачке преобразуется в напряжение (фиг.З h), которое поступает на регистратор 11 для контроля. Перед приходом очередной пачки импульсов коммутатор 9 устанавливается в нулевое состояние ушпульсами, сформированными из измерительных интервалов всех RS-триггеров 4 посредством вторых элементов N ИЛИ 7 и формирователя 8 импульсов (фиг.З т).

Следовательно, при любом количестве базовых вариантов изменение периода или частоты исследуемого сигнала преобразуется в последовательность отсчетов напряжения, следующих с импульсом дискретизации, определяемым соотношением (13).

Работа отдельных сложных узлов измерителя.

Делитель 2 с переменным ко эффици- ентом деления (фиг.4).

По приходу импульса сброса на второй вход ДПКД 2 все двоичные счетчики по выходам устанавливаются в нулевое состояние, после чего на них по каждому импульсу частоты, поступающему на первый вход начинает последовательно появляться двоичный код поступивших импульсов. На кроссировочном поле 22 устанавливается двоичный код числа импульсов, определяющий коэффициент деления. На выходе элемента 2 ИПИ-НЕ 24 и ДПКД 2 появляется сигнал только в том случае, если на всех входах элементов 8И-НЕ 23, соединенных перемычками с соответствующими выходами двоичного делителя, появляются единичные уровни сигналов.

Узел сброса 13 (фиг.З).

Импульсы частоты со входа поступают на ДПКД 2. С выхода ДПКД 2 сигнал поступает на цепочку последовательно соединенных счетных триггеров 25. Выходы первых четырех триггеров 25 соединены с соответствующими управляющими входами селекторов-мультиплексоров 26. Выходы последующих триггеров 25 соединены с управляющими входами уп- равляющего селектора-мультиплексора 26-1, выходы которого подключены к стробирукицим входам селекторов-мультиплексоров 26, чем обеспечивается их последовательная работа. Двоичный код с выходов первых четырех триггеров 25 каждым из селекторов-мультиплексоров 26 преобразуется в десятичный код, который поступает на одни входы соответствующих элементов 2 И 27, на другие входы которых поступают импульсы сброса с выхода ДПКД 2.

Поэтому на 1 вых.,

N

выл

после

довательно появляются импульсы сброс

Коммутатор 9 (фиг.6) состоит из последовательно соединенных двоичных счетчиков 28, Сигнал, поступающий на второй вход, устанавливает двоичные счетчики в нулевое состояние, после чего на выходах коммутатора 9 последовательно появляется двоичный код числа импульсов, поступивших на первый вход коммутатора 9.

Сумматор 10 (фиг.7) представляет собой преобраэователь код - напряжение на основе матрицы R30-2R31. Коммутация напряжения осуществляется элементами ИЛИ 29.

Осциллограммы переходного процесса установления частоты и формы кратковременной нестабильности частоты приведены на фиг.8а, б.

По сравнению с известным устройством предлагаемый измеритель переходных характеристик характеризуется в N(1 + Sg) раз высшей точностью измерений, что обусловлено цифровой формой обработки сигналов и увеличением в N раз информационных точек на участие установления частоты, более щирокими функциональными возможностями, поскольку повышение точности и разрешакицей способности позволяет измерять форму кратковременной не- дтабильности частоты за различные времена усреднения (1 мс, 10 мс и т.д.), отсутствием аналоговых узлов и блоков, полным цифровым исполнением измерителя, высокой линейность характеристик преобразования частота - напряжение или период-напряжение.

Таким образом, предлагаемый измеритель переходных процессов позво- яет определять с высокой точностью функцию переходного процесса установления частоты, а также контролировать кратковременную нестабиль

кость автогенераторов, и может быть использован при разработке и испытаниях управляемых и систем.

частотных устройств

5

0

0

Формула изобретения

Измеритель переходных характеристик, содержащий первый, второй и третий формирователи импульсов, N делителей, узел переключения, последовательно соединенные коммутатор и сумматор, последовательно соединенные синхронизатор и регистратор, а также две входные шины и одну выходную шину, которая подключена к выходу синхронизатора, а первая входная шина через первый формирователь импульсов соединена с первыми входами делителей, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности и расширения функциональных возможностей, введены узел сброса, N RS-триггеров, N элементо в И, два эле, мента ИЛИ, выход третьего формирователя импульсов соединен с входом узла сброса и первым входом узла переключения, второй вход которого под- ключен к выходу первого формирователя импульсов, каждый из N выходов узла сброса подключен к второму входу со- ответствующего делителя и к первому входу соответствующего RS-триггера, второй вход каждого RS-триггера подключен к выходу соответствующего дели- теля,первые входы элементов И подключены к выходам соответству скдих RS- триггеров и соответствующим входам второго элемента ИЛИ, выход которого через второй формирователь импульсов соединен с первым входом коммутатора, выходы элементов И соединены каждый с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход

5 сумматора подключен к второму входу регистратора, вторая входная шина соединена с входом третьего формирователя импульсов, выход узла переключения подключен к вторым входам эле0 мента И.

5

0

fut. 2

2ltix

I i I I I Mi I I I t I I

ж

-fc

JL

I-J

M9Uf

t I I I И M I I I M i I

2S

TS

T w

Изобретение относится к технике радиотехнических измерений. Цель изобретения - повьшение точности и расширение функциональных возможностей. Измеритель переходных характеристик состоит из базового измерителя, содержащего первый, второй и .третий формирователи импульсов, N делителей с переменным коэффициентом деления, узел переключения, коммутатор, сумматор, синхронизатор и регистратор, а также две входные и одну выходную шины, причем для достижения цели в. него введены узел сброса, N RS-триггеров, N элементов И и два элемента ИЛИ, а число N определяется начальной исследуемой частотой колебаний и ее изменением за время переходного процесса, а также длительностью последнего и допустимыми погрешностями его дискретизации по частоте и времени. 8 ил. i W ю 00

Я-1

M ,, .-.- f

I -

U

/5

-L-lfl U-F

г;

|m

Mix

ряется краткое/эеменная не- стадильносгпь частоты S

Фиг.В

Редактор Л.Повхан

Составитель В.Кузин

Техред Л.Сердюкова Корректор И.Муска

Заказ 271Тираж 885 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4