Осциллографический способ измерения временных параметров сигналов Советский патент 1988 года по МПК G01R13/20 

.-

Изобретение отиос.ится к радиниз- мерите. плюй технике и может быть ис- гтолг.зонано для измерения временИ)1Х параметров импульсного сигнала, на- ирш-iep длительности импульса, времени нарастания.

Цель изобретения - повышение точности измерения коротких временных интервалов.

Сущность способа заключается в том, что определение заданных уровней исследуемого сигнала, между которыми заключен интересукяций временной интервал, проводят в трансфор- мированном масштабе времени методом стробирования, а измерение выделенного с помощью этих ypoBHefi интервал времени проводят в реальном масштабе времени.

При этом составляющую погрешности обусловленную конечным временем нарастания входной цепи измерителя, снижают с помощью метода стробирова- ния, позволяющего реализовать мини мальное значение времени нарастания. С другой стороны, составляющую погрешности, присущую известным стробоскопическим методам измерения временных интервалов и связанную с неидеальностью временной шкалы, сформированной в трансформированном масштабе времени, снижают путем формирования временной шкалы в реальном масштабе времени, например, с помощью прецизионного кварцевого генератора.

Известные стробоскопические методы не позволяют проводить измерение коротких временных интервалов в ре- альном масштабе времени, с высокой точностью. Это объясняется тем общим принципом, которьп лежит в основе построения всех шир,окополосных строб преобразователей. Высоким быстродей- ствием и малым временем нарастания ( : 30 пс) обладают только входные цепи строб-преобразователя, а усиление, преобразование и измерение мгновенных отсчетов исследуемого сигнала осуществляется после их запоминания на накопительной емкости, в относительно узкополосной и низкочастотной схеме, с временем нарастания порядка микросекунды. Погреш- ность, с которой может быть зафиксирован момент появления результата измерения на выходе строб-преобразо- влтеля в реальном масштабе времени

25

30

- с

10

н15м лае 20

и, -. онтаа35а.

е- 40 им об- й- 45 Q , оаззио-

(момент совпадения мгновенного значении сиг нала с заданным уровнем Старт Или Стоп) , не может быть меньше, чем время нарастания стробоскопического преобразователя в реальном масштабе времени. Это время определяется выходной цепью строб-преобразователя и составляет 1 мкс.

Таким образом, стробоскопические методы не используются для проведения измерений в реальном масштабе времени из-за противоречия между малым временем нарастания входной цепи строб-преобразователя и большим временем нарастания его выходной цепи.

Предлагаемый способ позволяет устранить указанное противоречие за счет того, что совпадение мгновенных отсчетов исследуемого сигнала с заданными уровнями Старт и Стоп используют не для фиксации соответствующих моментов времени, как во всех известных способах, а для фиксации соответствующих значений второго сигнала развертки, при которых это совпадение произошло. Моменты времени, соответствующие совпадению мгновенных значений исследуемого сигнала с заданными уровнями Старт и Стоп, фиксируют в реальном масштабе времени путем сравнения первого сигнала развертки с зафиксированными ранее значениями второго сигнала развертки,не дож1адаясь на этом этапе появления результата сравнения выходного сигнала строб-преобразователя с заданными уровнями. Проведение процедуры выделения начального и конечного моментов времени, ограничивающих искомый интервал, в два этапа (вначале фиксируют первое и второе значения второго сигнала развертки, а затем моменты времени, соответствующие им) является новым .и позволяет ос тцест- влять измерение временных интервалов с недостижимой ранее точностью, которая ограничена временем нарастания строб-импульса стробоскопического преобразователя ( пс) .

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - диаграммы напряжений в характерных точках схемы (обозначения диаграмм соответствуют обозначениям на структурной схеме); на фиг.-З - осциллограмма исследуемого сигнала .при измерении длительности импульса t на уровне 0,5.

Устройство содержит строб-преобразователь 1, компаратор 2, усилитель 3 вертикального отклонения, электрон йо-лучевую трубку 4, усилите ть 5 подсвета, счетный триггер 6, счетчик 7 автосдвига, счетчик 8 меток, генератор 9 быстрого пилообразного напряжения (БПН), синхронизатор Ю, усилитель 11 горизонтального отклонения, первый мультиплексор 12, цифро- аналоговый преобразователь (ЦАП) 13, счетчик 14 режима, потенциометр 15 Старт, потенциометр 16 Стоп, второй мультиплексор 17, элемент И 18, генератор 19 эталонной частоты, реверсивный счетчик 20, регистр 21, счетчик 22 накоплений, цифровой индикатор 23.

Вход строб-преобразователя 1 соединен с шиной исследуемого сигнала, вход стробирования - с вьгходом компаратора 2, а выход - через усилитель 3 вертикального отклонения с вертикально отклоняющими пластинами электронно-лучевой трубки 4. Модулятор (не показан) электронно-Лучевой трубки 4 подключен через усилитель 5 подсвета к выходу компаратора 2, установочному входу счетного триггера 6, счетным входам счетчика 7 автосдвига и счетчика 8 меток. Первый вход компаратора 2 подключен через генератор 9 быстрого пилообразного напряжения к счетному входу счетного триггера 6 и выходу синхронизатора 10, вход которого подключен к шч- не синхронизации. Второй вход компаратора 2 подключен через усилитель 11 горизонтального отклонения к горизонтально отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки 4 и к выходу первого мультиплексора 12. Кодовый выход счетчика 7 автосдвига подключен через цифроаналоговый преобразователь 13 к входам первого мультиплексора 12, а выход переполнения - к входам первого мультиплексора 12. Выход переполнения счетчика 8 соединен с входами первого мультиплексора 12, выход которого соединен со счетным входом счетчика 14 режима и с установочными входами счетника 7 автосдвига и счетчика 8 меток. Вход первого мультиплексора 12 соединен со средним выводом потенциометра 15

10

15

20

25

30

35

0

5

0

5

Старт, а вход - со средним ш.шодом потенциометра 16 Стоп, крайние выводы которых подключены к источникам питания противоположной полярности. Выход старшего разряда счетчика 14 режима соединен с управляющими входами первого мультиплексора 12 и второго мультиплексора 17, а выход младшего разряда - с управляющими входами этих же мультиплексоров,блокирующие выходы которых подключены к шине нулевого потенциала (корпус). Входь второго мультиплексора также подключены к шине нулевого потенциа- ла. Выход счетного триггера 6 соединен с первым входом элемента И 18, второй вход которого соединен с выходом генератора 19 эталонной частоты, а выход - с входами второго мультиплексора 17, выходы которого подключены к входам Заем и Перенос реверсивного счетчика 20. Кодовый выход реверсивного счетчика 20 соединен с информационным входом регистра 21, а установочный вход реверсивного счетчика 20 и синхронизирующий вход регистра 21 соединены с выходом переполнения счетчика 22 накопления, счетный вход которого соединен с выходом переполнения счетчика 14 режима. Выход регистра 21 соединен с входом цифрового индикатора 23.При этом связи между счетчиком 7 автосдви- га и цифроаналоговым преобразователем 13, реверсивным счетчиком 20 и регистром 21, регистром 21 и цифровым индикатором 23 выполнены многоразрядными шинами (направление передачи сигналов по шинам показано на фиг.1 стрелками).

Строб-преобразователь 1 содержит смеситель мостового типа на диодах, усилитель и строб-генератор.

Усилитель 3 вертикального отклонения и усилитель 11 горизонтального отклонения выполнены по дифференциальной схеме на основе усилительных Ксяскадов типа ОЭ-ОБ.

Усилитель 5 подсвета собран на каскадах типа общая база, общий эмиттер и общий коллектор. Для формирования длительности импульса подсвета в схеме используется дифференцирующая цепочка.

Синхронизатор 10 содержит входной усилитель, быстродействующий бистабильньтй триггер, переключатель

полярности, выходной формирователь и схему задержки.

Первый мультиплексор 12 и второй мультиплексор 17 содержат дешифратор и по дра четырехканальных коммутатора .

Предлагаемый способ с помощью данного устройства осуществляют следующим образом.

Исследуемый сигнал поступает на вход строб-преобразователя 1, который осуществляет выборку мгновенных значений этого сигнала в моменты времени t,

-г

-3

определяемые сигналом стробирования с выхода компаратора 2 (фиг.2г). Отсчеты исследуемого сигнала, полученные путем стробирования, поступают с выхода строб-преобразователя 1 через усилитель 3 вертикального отклонения на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 4.

Компаратор 2 сравнивает первый сигнал развертки (фиг.26), вырабатываемый генератором 9 быстрого пилообразного напряжения по сигналам синхронизации (фиг.2а) с выхода синхронизатора 10, с вторым сигналом развертки (фиг.2в), поступающим с выхода первого мультиплексора 12 (сигналы, поступающие с выхода первого мультиплексора, обозначены пунктирной линией).

Один цикл работы данного устройства разбит на четыре такта (фиг.2) В первом такте на выход мультиплексора 12 поступает напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 13 (фиг.2в), управляемого счетчиком 7 автосдвига, который подсчитывает число проведенных стробирований. В результате на выходе преобразователя 13 формируется ступенчато нарастющее пилообразное напряжение, которое осуществляет автосдвиг момента стробирования на один шаг после проведения очередного стробирования. Это же напряжение поступает через усилитель 11 горизонтального отклонения на горизонтально отклоняющие пластины трубки 4, осуществляя развертку точечного изображения иссле.- дуемого сигнала. Подсвет точек изображения осуществляется сигналом стробирования, поступающим через

5

0

усилитель 5 подсвета на модулятор трубки 4.

Автосдвиг момента стробирования продолжается до тех пор, пока на выходе счетчика 7 автосдвига не появляется сигнал переполнения, который поступает с выхода мультиплексора 12 на счетный вход счетчика 14 режима. Счетчик 14 режима изменяет свое состояние на единицу (в счетчике 14 записана 2) и подключает тем самым вход мультиплексора 12 к его выходу.

Одновременно сигнал с выхода мультиплексора 12 поступает на установочные входы счетчика 7 автосдвига и счетчика 8 метки, устанавливая их в начальное состояние. С этого момента (фиг.2) начинается второй такт работы устройства.

В течение второго такта компаратор 2 проводит сравнение быстрого пилообразного напряжения с выхода ге- 5 нератора 9 с постоянным напряжением, поступающим чере з мультиплексор 12 с потенциометра 15 Старт. При этом стробирование входного сигнала осуществляется в одной точке в момент времени (фиг.2г). Сигнал стробирования, поступающий с выхода компаратора 2 через усилитель 5 подсвета на модулятор трубки 4, подсвечивает точку на сигнале, в которой проводится стробирование. За счет дополнительных импульсов подсвета в течение второго такта точка на изображении сигнала, соответствующая моменту времени , подсвечена ярче остальных и может быть использована в качестве яркостной метки Старт (фиг.З). Положение этой метки на изображении сигнала регулируется потенциометром 15 Старт путем изменения постоянного напряжения, поступающего на компаратор 2.

Стробирован ие исследуемого сигнала в точке Старт продолжается до появления сигнала переполнения на выходе счетчика 8 метки. Сигнал переполнения поступает с выхода счетчика 8 через открытый во втором те канал мультиплексора 12 на его выход и далее на счетный вход счетчика 14 режима и установочные входы счетчиков 7 и 8. Счетчик 14 режима увеличивает свое состояние на единицу (в счетчике записывается 3) и подключает вход мультиплексора 12

0

5

0

5

0

5

к выходу. Счетчики 7 и 8 устанавливются в начальйое состояние. Начинается третий такт работы устройства (фиг.2).

В третьем такте на экране трубки повторно формируется точечное изображение исследуемого сигнала аналогично тому, как это делается в пер- вом такте. Длительность первого и третьего тактов определяется емкостью N счетчика 7 автосдвига (в данном случае N 256) и периодом повторения синхроимпульсов (фиг.2а). Номер такта и режим работы, всего устройства определяются счетчиком 14 режима, который содержит два счетных триггера и имеет емкость, равную четырем, в соответствии с числом тактов работы устройства. После переполнения в третьем такте счетчика 7 автосдвига сигнал переполнения поступает с выхода мультиплексора 12 на счетчик 14 и начинается четвертый такт работы устройства.

В четвертом такте компаратор ,2 проводит сравнение быстрого пилообразного напряжения с постоянным напряжением, поступающим с потенциометра 16 Стоп. При этом стробйро- вание входного сигнала осуществляется в одной точке в момент времени

стоп

(фиг.2г). На изображении сигнала подсвечивается яркостная метка Стоп, соответствующая моменту стробирования. Положение этой метки регулируется потенциометром 16 Стоп. Длительность второго и четвертого тактов определяется емкость га счетчика 8 метки (в данном случае m 10) и периодом повторения синхроимпульсов (фиг.2а). Таким образом, яркость меток Старт и Стоп по отношению к яркости остальньж точек на изображении сигнала определяется отношением емкостей счетчиков 7 и В. Каждая из N точек на изображении сигнала подсвечивается дважды за один цикл работы, в первом и третьем тактах,а .подсвечивание каждой из меток проводится по m раз во втором и четвертом тактах соответственно .

Б течение работы данного устройства последовательность тактов его работы непрерывно повторяемся 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, 1 и т.д. При этом на экране трубки 4 наблюдается точечное изображение исследуемого сигнала в трансформированном масштабе времени, сформированное в течение первого и третьего тактов, с двумя яркостными метками, подсвет которых осуществляется в течение второго и четвертого тактов (фиг.З).

Проведение измерений начинают с

определения амплитуды исследуемого

сигнала по шкале, нанесенной

на экран трубки 4 (фиг.З). Затем на основании полученного значения Ua;y,,

вычисляют постоянные уровни Старт и Стоп,между которыми заключен интересующий временной интервал. Например, при измерении времени нарастания фронта исследуемого импульса уровни Старт и Стоп составляют 0,1 и 0,9 и, соответственно (фиг.З). Отмечают полученные уровни Старт и Стоп по шкале трубки. Например, на фиг.З эти уровни отме- чены путем их совмещения с пунктирными линиями, нанесенными на экран трубки 4.

5

0

Сравнение мгновенных значений исследуемого сигнала с отмеченными по

30 шкале уровнями Старт и Стоп проводят визуально по экрану трубки. Причем для фиксирования (запоминания) первого и второго значений второго сигнала развертки, при которых мгновенные значения исследуемого сигнала равны отмеченным уровням Старт и Стоп, устанавливают с помощью потенциометров 15 и 16 ярко- стные метки Старт и Стоп в точках пересечения интересующего участка исследуемого сигнала, например фронта импульса (фиг.З), с отмеченными уровнями Старт и Стоп соответственно. Запоминание (фиксация)

5 первого и второго значений второго сигнала развертки осуществляется установкой (фиксацией) оси соответствующего потенциометра (Старт или Стоп, фиг,1) в соответствующее положение .

Яркостные метки необходимы в данном устройстве для индикации тех точек на изображении сигнала, временное положение которых относительно сигнала синхронизации соответствует значениям второго сигнала развертки, зафиксированным на потенциометрах 15 Старт и 16 Стоп, и используются для совмещения указанных точек с точ0

5

нами пересечения сигнала с уровнями Старт и Стоп. Если сравнение мгновенных значений исследуемого сиг нала с уровнями Старт и Стоп осуществляется не по экрану трубки, а автоматически, например в аналоговой форме с помощью отдельного компаратора или в цифровой форме программным путем с помощью микропроцес сора, то необходимость в яркостных метках отпадает.

Одновременно с проведением строби рования входного сигнала в устройство осуществляется формирование вспомогательных импульсов (фиг,2д), фронт которых совпадает с моментом появления синхроимпульсов (фиг.2а), а срез - с моментом стробирования (фиг.2г). Эти импульсы формируются на выходе счетного триггера 6 и поступают на вход элемента И 18, на другой вход которого подается импульсный сигнал эталонной частоты с генератора 19 (фиг.1). На выходе эле мента И 18 формируются пачки импульсов эталонной частоты (фиг.2е), причем число импульсов в пачке (на выходе элемента 18) соответствует длительности импульса, поступившего на вход элемента И 18 с выхода триггера 6 (фиг.2д).

Пачки импульсов эталонной частоты подаются на входы второго мультиплексора 17, который подключен по управляющим входам параллельно первому мультиплексору 12 и переключается одновременно с ним. Управление мультиплексором 17 также осуществляет счетчик 14 режима.

Так как входы второго мультиплексора 17 подключены к общей шине (фиг.1), то сигнал (пачки импульсов эталонной частоты) появляется на его выходе только во втором такте рабо- ты (фиг.2ж), а на выходе - только в четвертом такте работы (фиг,2з). Причем, поскольку во втором такте работы происходит стробирование сигнала- в точке, выделенной меткой Старт, на выход мультиплексора 17 проходят только пачки импульсов эталонной частоты, соответствующие длительности вспомогательного импульсного сигнала Старт (фиг.2ж). Аналогично на выход мультиплексора 17 проходят только пачки импульсов эталонной частоты, соответствующие длительности вспомогательного импу.чьс

о

Q

0

ного сигнала .Стоп (фиг.2з). В остальное время на выходы мультиплексора 17 поступает уровень логического нуля с общей шины (фиг.2ж,з).

Сигналы с выходов мультиплексора 17 поочередно поступают на входы Заем и.Перенос реверсивного двоично-десятичного счетчика 20 соот- ветственно (фиг.1, 2 ж, з). В результате после окончания цикла работы устройства (фиг.2к) в реверсивном счетчике 20 оказывается записанным число (периодов импульсного сигнала эталонной частоты), соответствующее длительности временного интервала, выделенного на экране трубки 4 ярко- стными метками Старт и Стоп (фиг.З). Длительность этого интервала равна разности между длительностью вспомогательных импульсов с выхода счетного триггера 6 в четвертом и во втором тактах работы устройства, когда происходит стробирование сигнала в точках, выделенных метками Стоп и Старт соответственно (фиг,2д). После установки яркостных меток на границах интересующего временного интервала численное значение этого интервала появляется на цифровом индикаторе 23, который отображает число, переписанное в регистр 21 из счетчика 20. Регистр 21 необходим для устойчивого (без мерцаний) отображения результата измерения.

Занесение цифровой информации в регистр 21 происходит по сигналу переполнения счетчика 22 накоплений (фиг.2л), который подсчитывает сигналы переполнения со счетчика 14 режима (фиг.2к). Сигнал переполнения со счетчика 14 режим а появляется в конце каждого цикла работы,а сигнал переполнения со счетчика 22 накоплений один раз за п циклов работы, где п - число накоплений, определенное емкостью счетчика 20. Одновременно с занесением информации в регистр 21 происходит установка счетчика 20 в нулевое состояние и начинается новое измерение.

Накопление результатов отдельных измерений в реверсивном счетчике 20 позволяет снизить частоту эталонных импульсов, вырабатываемых генератором 19j в fn раз по сравнению с частотой, которая необходима для проведения однократных измерений,при

условии получения одинаковой точности.

Наиболее высокую точность предлагаемый способ измерения длительности временных интервалов позволяет получить в осциллографе с цифровыми измерениями, который управляется встроенным микропроцессором. В этом случае определение амплитуды исследуемого сигнала осуществляется не по экрану осциллографа, а непосредственно по массиву (множеству) мгновенных значений исследуемого сигнала в цифровом коде. Вычисление постоянных уровней Старт и Стоп и сравнение мгновенных значений исследуемого сигнала с этими уровнями также осуществляется в цифровом виде микропроцессором. Это позволяет исключить погрешность задания интересующего интервала времени, связанную с нелинейностью усилителя вертикального отклонения, нелинейностью системы вертикального отклонения трубки, визуальной погрешностью совмещения по экрану трубки и т.д.

Постоянные уровни Старт и Стоп, а также первое и второе значения второго сигнала развертки запоминаются в этом случае в цифровом виде в ОЗУ микропроцессора. Преобразование запомненных значений второго сигнала развертки в аналоговую форму осуществляется с помощью отдельного цифроаналогового преобразователя.

Определение длительности вспомогательных импульсных сигналов Стлрт и Стоп, определение длительности интересующего интервала времени путем вычитания длительности сигнала Старт из длительности сигнала Стоп, преобразование полученного кода в форму, удобную для индикации, например в двоично-десятичный семи- сегментный код, и управление цифровым индикатором осуществляется программными средствами с помощью микропроцессора. Таким образом, микропроцессор (совместно с ОЗУ, ПЗУ и блоками АЦП и ЦДЛ) заменяет все счетчики 7, 8, 14, 20, 22 и регистр 21 (фиг.1). Причем появляется возможность проведения автоматических ия- с мерений, при проведении которых микропроцессор выполняет также функции резисторов. Органы управления, выполняющие функции резисторов, необходимы лишь в ручном режиме измере- 10 НИИ.

Формула изобретения

Осциллографический способ изме5 рения временных параметров сигналов, содержащий операции формирования последовательности синхроимпульсов, формирования первого, синхронного с синхроимпульсами, и второго сигна0 лов развертки, сравнения этих сигналов и формирования строб-импульсов в моменты совпадения мгновенных значений первого и второго сигналов развертки, определение амплитуды ис5 следуемого сигнала по множеству его мгновенных значений, полученных путем стробирования исследуемого сигнала, и определение двух постоянных уровней Старт и Стоп, соответству0 ющих, например 0,1 и 0,9 амплитуды исследуемого сигнала, сравнение мгновенных значений исследуемого сигнала с уровнями Старт и Стоп и определение измеряемого временного интерг вала, ограниченного зафиксированными моментами времени Старт и Стоп, о тличающийся тем, что, с целью повьщ1ения точности измерения коротких временных интервалов, фик0 сацию моментов времени Старт и Стоп осуществляют путем запоминания первого и второго значений второго сигнала развертки, при которых мгновенные значения исследуемого сиг5 нала равны постоянным уровням

Старт и Стоп соответственно,сравнения мгновенных значений первого сигнала развертки с первым и вторым запомненными значениями второго сигQ нала развертки и фиксации моментов времени их совпадения.

П51

Фиг.З

Изобретение относится к радио- измерительной технике. Осциллогра- фический способ измерения временных параметров сигналов реализован в устройстве, содержащем строб-преобразователь 1, компаратор 2, усилитель (У) 3 вертикального отклонения,электронно-лучевую трубку 4, У 5 подсвета, счетный -триггер 6, генератор (г) 9 быстрого пилообразного напряжения, синхронизатор Ю, усилитель 11 горизонтального отклонения, мультиплексоры 12, 17, цифроаналоговый преобразователь 13, счетчики 7, 8, 14 и 22 автосдвига, меток, режима и накоплений соответственно, потенциометры 15 и 16 Старт и Стоп соответственно, элемент И 18, Г 19 эталонной частоты, реверсивный счетчик 20, регистр 21 и цифровой индикатор 23. Сущность способа заключается в том, что определение заданных уровней исследуемого сигнала, между которыми заключен интересующий временной интервал, проводят в трансформированном масщтабе времени методом стробирования, а измерение выделенного с помощью этих уровней интервала времени проводят в реальном масштабе времени. Повышается точность измерений коротких временных интервалов. 3 ил. (Л Нсчн 3