Способ определения времени задержки сигналов Советский патент 1987 года по МПК G04F10/06 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения времени задержки в линиях связи, в блоках задержки сигналов, в аналоговых микросхемах с большой степенью интегра- , ции, а также в узкополосных радиотехнических цепях.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерения времени задержки сигналов.

На чертеже приведен пример выполнения устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит перестраиваемый по частоте генератор 1, к выходу которого подключена исследуемая цепь с контролируемой задержкой, линия 3 дополнительной задержки, линейный фазовый детектор 4, второй вход которого через аттенюатор 5 и линию 6 дополнительной задержки соединен с выходом генератора 1. Выход фазового детектора 4 через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 соединен с шинами данных микро-ЭВМ 8. Выходные шины микро-ЭВМ 8 соединены с цифровым индикатором 9 и цифроаналоговыми преобразователями (ЦА.Т1) 10 - 12. Выход ЦАП 10 соединен с управляющим входом генератора 1, а выходы ЦАП 11 и 12 соответственно соединены с управляющими цепями ключей 13 и 14, : включенных параллельно линиям 3 и 6 {дополнительной задержки.

Способ осуществляется следующим образом.

Гармонический сигнал (Ut+ + Ч ) разделяют;, на опорный и испыта- тельньм сигналы. Испытательный сигнал проходит через исследуемую цепь с контролируемой задержкой t и коэффициентом передачи nt . Выходной сигнал исследуемой цепи Ij co(t - t) +4 сравнивают по фазе с опорным сигналом на заданной частоте U) .

При изменении частоты испытательного и опорного сигналов фазовый сдвиг сравниваемых сигналов Ч wt 2 J (п + ot) , где п - число целых циклов изменения разности фаз; (L - доли фазового цикла. Выходное напряжение линейного фазового детектора, выполненного, например, на триггерах или логических схемах, изменяется в функции от частоты по пилообразной зависимости. Каждьй линейный участок

преобразовательной характеристики соответствует изменению разности фаз сравниваемых сигналов от О до 2 л или от - до + в зависимости от схемных особенностей фазового детектора. При измерении задержки t на заданной частоте Ы выходное напряжение фазового детектора соответствует од- ному из линейных участков преобразовательной характеристики

и s(i + if)4 + 5- s(u,)u)t + 5,,

5

где S - крутизна преобразования разности фаз , Wtr в напряжение;

-;:;- - относительная мультипликатив- 0 нал погрешность преобразования;

сР, - абсолютная аддитивная погрешность преобразования. Мультипликативная у, и аддитив- 5 ная 6 погрешности фазового преобра- (зования зависят от частоты сравнива- емык сигналов W , неравенства амплитуд этих сигналов, т.е. коэффициента передачи исследуемой цепи на 0 этой частоте (W) , измеряемой разности фаз Ч (1г) , температурной и временной нестабильности параметров фазового детектора.

Фиксируют результат первого измерения и на заданной частоте W . Затем ступенчато изменяют частоту сравниваемых сигналов и на величину дсо , которую выбирают из условия

40

о10 йО) Тп-.

10

где - порог чувствительности фазового детектора.

При таком увеличении частоты сиг- налов выходное напряжение фазового детектора изменяется в пределах одного линейного участка характеристики и возрастает до значения

(1 + )(W+AW). +S, (2)

где ij j и (2 - погрешности преобразования второй разности фаз % (()+ли) и при коэффициенте передачи цепи (W-I-AW) . Если первоначальная доля фазового

цикла uf ul; - 2f п больше -гл ,

то увеличение частоты на ли может вызвать уменьшение выходного напряжения фазового детектора или изменение его знака. Это означает переход на соседний линейный участок характеристики, что вызывает неоднозначност результата измерения.

Для обеспечения работы на одном линейном участке характеристики выб- ранной полярности выходного напряжения фазового детектора уменьшают в этом случае частоту сигналов на ту же величину AW и фиксируют уменьшенное напряжение

Ug S(1+8;)(w -AU))e . (3)

Далее задерживают опорный сигнал на дополнительную задержку д (У , которую выбирают также из условия изменения фазы в пределах одного линейного участка характеристики

--. 10

В этом случае выходное напряжение фазового детектора, если оно соответствует выражению (2), уменьшается до значения

(1 + У)(и )(1г-А г-), (4)

где ijj и cTj - погрешности третьего преобразования разности фаз 4 (to+uW)(t -&г),

Если напряжение увеличивается или изменяет знак, что может иметь место при предыдущей доле фазового цикла

дЧ (w +Aw)t - 2 п--п т то дополl -

нительно задерживают испытательный сигнал.

В этом случае фиксируют возросшее напряжение

Uj 5(И-Гз)( +AW)(t )+5j. (5)

Восстанавливают первоначальное значение частоты сравниваемых сигналов () и фиксируют полученное напряжение. Если предыдущий результат соответствует выражению (4), то

U4 S(1+lf4M tr-At)+,

(6)

где 4. и - погрешности четвертого преобразования разности

фаз 4 U С +&Т) при коэффициенте передачи цепи (W). В случае задержки испытательного

сигнала напряжение (5) уменьшается

до значения

и, s(n-ifpw сг- + , (7)

При выбранных приращениях фазового сдвига Awt « ступенчатое изменение частоты ди мало (4O«tJ ). Поэтому коэффициент передачи исследуемой цепи с контролируемой задержкой меняется также мало и можно считать, что (j) j3 (и +iW) . Выбранные изменения фазового сдвига от дополнительной задержки также малы

Wit 4. Поэтому результаты второго, третьего и четвертого измерений получены в окрестностях первоначальной точки преобразовательной характеристики фазового детектора, задаваемой первоначальной разностью фаз Ч 60. Практически, относительные и абсолютные погрешности всех четырех измерений одинаковы (.,- ,- с, (, сУ, , ).i 3 А

Из зафиксированных значений первого и второго измерений определяют разности напряжений

ли

и, -Ц

5(1+и)ды г(8)

или

4 и,

,

8(1+ .

(9)

40

45

По результатам третьего и четвертого измерений определяют следующие разности напряжений:

л (1+,)AW(t-At), (10)

или

50

(1+y )a(t + i). (11)

Далее определяют отношение разностных напряжений

ди,

itot

iU ir-A W()

(12)

или

,

дисг+л)л u;-Au;,

л u

А-г

(13)

Из полученних отношений определяют контролируемую задержку

f

о- J и,

Гирли

(1А)

или

,л, ди.1

Ги ::лиТ

(15)

Таким образом, по результатам четырех измерений напряжений U , U, Uj , U, пропорциональных разности фаз сравниваемых сигналов, ступенчатому изменению частоты сравниваемых сигналов и дополнительно вводимой задержке л определяют контролируемую задержку t при минимальном времени измерения с повышенной точностью

Устройство работает следующим образом.

Гармонический сигнал генератора 1 проходит через исследуемую цепь 2 с контролируемой задержкой 2 , линию 3 задержки с дополнительной задержкой л и воздействует на один вход линейного фазового детектора 4, на другой вход которого воздействует сигнал генератора 1, проходящий через аттенюатор 5 и линию 6 задержки с дополнительной задержкой д 2 . Выходное напряжение фазового детектора 4 с помощью АЦП 7 преобразуется в код, запо- минаемьй в оперативной памяти микро- ЭВМ 8. С помощью ЦАП 10 устанавливается требуемая частота генер-атора 1, а с помощью иДП 11 и 12 - положение Ключей 13 и 14, шунтирующих линии 3 и 6 задержки.

По команде ЭВМ с помощью ЦАП 10 устанавливается начальное значение частоты со гармонического сигнала, с помощью ЦАП 11 и 12 ключи 13 и 14 переводятся в замкнутые состояния. Вы- ходное напряжение U фазового детектора 4, пропорциональное разности фаз Ч , кодируется в А1Д1 7 и запоминается в памяти микро-ЭВМ 8. Далее на выходе ЦАП 10 формируется второй уровень напряжения, который изменяет частоту генератора на малую величину дм Полученное на выходе фазового детектора 4 напряжение Ug преобразуется в код и сравнивается в

O

5

0

5

ЭВМ 8 с предыдущим результатом измерения и . Если напряжение возрастает, то оно запоминается в памяти ЭВМ, если уменьшается или изменяет знак, ЭВМ выдает команду, по которой ЦАП 11 формирует третий уровень напряже ния, и генератор 1 уменьшает свою частоту на ту же величину -sw . Уменьшенное значение напряжения U запоминается в памяти ЭВМ. С приходом очередной команды размыкается ключ 13, и вводится дополнительная задержка в опорный сигнал фазового детектора 4. Уменьшенное выходное напряжение Uj кодируется и запоминается в памяти ЭВМ. Если происходит увеличение напряжения, то по команде ЭВМ с помощью ЦАП 11 и 12 ключ 13 замыкается, а ключ 14 размыкается. Соответствующее выходное напряжение фазового детектора Uj кодируется и запоминается. После этого командой от ЭВМ ЦАП ТО переводится в первоначальное состояние, при котором Ы О, и формируется напряжение первого уровня, устанавливающее начальное значение частоты W генератора 1. Выходное напряжение и фазового детектора 4 кодируется и запоминается в ЭВМ. После выполнения вычислений по запрограм- мированным формулам (14) и (15) результат измерения времени задержки S отображается на цифровом индикаторе 9. 5

В программу ЭВМ 8 введен алгоритм

выбора знака приращения частоты генератора 1 и положения ключей 13 и 14 из условия работы устройства на одном

0 линейном участке преобразовательной характеристики фазового детектора 4. В память ЭВМ В также введено в виде константы значение дополнительной задержки л С , которая вводится ключом

5 13 или 14. Коэффициент передачи аттенюатора 5 устанавливают примерно равным коэффициенту передачи исследуемой цепи 2 на частоте (о , чтобы уравнять амплитуды сравниваемых по

0 фазе сигналов.

Использование предлагаемого способа определения, времени задержки позволяет значительно уменьшить время измерения за счет ступенчатого (не5 калиброванного) изменения частоты и возможности автоматической обработки результатов дискретных измерений с помощью микропроцессорных средств. При этом не предъявляются жесткие

0

требования к долговременной стабильности генератора гармонических колебаний и приращениям его частоты, так как эти параметры не входят в расчетные формулы. Малые отклонения частоты в окрестностях заданной частоты существенно уменьшают влияние неравномерности амплитудно-частотной характеристики исследуемой цепи на точ ность измерения ее задержки. При выборе фазовых приращений лсо С и 0 и порядка единиц градусов возможно измерение времени задержки узкополос- н.ых цепей, что недоступно известному способу. Кроме того, исключение мультипликативной и аддитивной погрешностей преобразования разности фаз в напряжение обеспечивает повышение быстродействия и точности измерения времени задержки.

Формула изобретения

Способ определения времени задерж ки сигналов, заключающийся в том, что гармонический сигнал разделяют на опорный и испытательный, который воздействует на исследуемую цепь с контролируемой задержкой, сравнивают фазу прошедшего через исследуемую цепь сигнала с фазой опорного сигна- ла, фиксируют на заданной частоте разность фаз сравниваемых сигналов, изменяют частоту и дополнительно задерживают один из сравниваемых сигна лов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействи и точности измерения, линейно преобразуют разность фаз сравниваемых сиг налов в напряжение, фиксируют значение напряжения на заданной частоте, ступенчато изменяют частоту сигнала в направлении увеличения, анализируют величину напряжения, при этом есл оно увеличилось относительно величи

ны напряжения на заданной частоте, то его значение фиксируется, если уменьшилось или изменило знак, то ступенчато изменяют частоту в сторону уменьшения относительно заданного значения и фиксируют полученное напряжение, ступенчато задерживают опорный сигнал и анализируют величину напряжения, при этом, если напряжение уменьшилось по сравнению с напряжением, соответствующим измененной частоте, то его значение фиксируется если напряжение увеличилось или изменило знак, то исключают задержку опорного сигнала и задерживают испытательный сигнал, фиксируют значе- ( ние напряжения, устанавливают заданное значение частоты и фиксируют полученное напряжение, при этом ступенчатые изменения частоты и задержки сигналов осуществляют в таких пределах, при которых дополнительно вводимая разность фаз сравниваемых сигналов больше порога чувствительности по фазе в десять раз и меньше десятой доли полупериода сравниваемых сигналов в радианах, а контр ируе- мую задержку определяют по формуле

д и

с

-iS

i и,

где разность напряжений, соответствующих измененной и заданной частотам сравниваемых сигналов;

разность напряжений, соответствующих дополнительной задержке сигналов измененной и заданной частот; дополнительная задержка сравниваемых сигна лов.

4U Uj-U4it

Способ определения времени задержки сигналов-(С) осуществляют следующим образом.Гармонический С разделяют на ойорный и испытательный С. Испытательный С проходит через исследуемую цепь. Его сравнивают по фазе с опорным С на заданной частоте. Погрешности фазового преобразователя зависят от частоты сравниваемьрс С, неравенства амплитуд этих С. Фиксируют результат первого измерения напряжения на заданной частоте. Ступенчато изменяют частоту сравниваемых С. задерживают опорный С на дополнительную задержку, которую выбирают из условия изменения фазы в пределах одного линейного участка характеристики. Восстанавливают первоначальное значение частоты сравниваемых С и фиксируют полученное напряжение. По результатам четырех измерений напряжений, пропорциональных разности фаз сравниваемых С, ступенчатому изменению частоты срваниваемых С и дополнительно вводимой задержке, определяют контролируемую задержку при минимальном времени измерения с повышенной точностью. 1 ил. i (Л со tNd 00 QO т-Л.

Редактор 0. Головач

Составитель М. Катанова .

Техред М.Ходанич Корректор А.Зимокосов

Заказ 3487/49 Тираж 370Подписное

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