Устройство подавления нестабильностей стробоскопического регистратора Советский патент 1989 года по МПК G01R13/20 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в стробоскопических установках при наблюдении периодических сигналов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей при од- повременном повышении точности.

На чертеже представлена блок-схема устройства подавления нестабильности стробоскопического регистратора.

На схеме показаны генератор 1 сигналов, источник 2 зондирующего сигнала, исследуемая система 3, приемник 4 зондирующего сигнала, блок 5 синхронизации, Стробоскопический осциллограф 6, двухкоординатный самописец 7, генератор 8 пилообразного напряжения с регулируемой скоростью нарастания, первый 9, второй 10 и третий 11 блоки выборки и хранения, первый 12, второй 13 и третий 14 фильтры нижних частот, первый 15 и второй 16 блоки вычитания, блок 17 деления, кольцевой регистр 18, первый 19, второй 20 и третий 21 формирователи импульсов, блок 22 коммутации напряжения развертки, состоящий из сумматора 23 и ключей 24-26. Кроме того, на схеме показаны клеммы 27-29 и шины 30 и 31 нормированного и опорного потенциометров соответственно.

При этом вход блока 5 синхронизации соединен с выходом генератора 1 сигналов и с клеммой 28, а его выход - с входом синхронизации стробоскопического осциллографа 6, сигнальный вход которого соединен с выходом приемника 4 зондирующего сигнала, вход горизонтального отклонения

двухкоординатного самописца 7 соединен с выходом генератора 8 пилообразного напряжения, входы блоков 9- 11 выборки и хранения соединены с выходом усилителя вертикального отклонения стробоскопического осциллографа 6, а их выходы соответственно через фильтры 12-14 нижних частот соединены с входами блоков 15 и 16 вычитания, причем выход

фильтра 13 нижних частот соединены с входами блоков 15 и 16 вычитания, а выходы фильтров 12 и 14 нижних частот соответственно соединены с первым и вторым входами блоков 15 и 16 вычитания, выходы которых соединены с входами блока 17 деления, а его выход соединен с входом вертикального отклонения двухкоординатного самописца 7. Вход кольцевого регистра 18 соединен с выходом блока 5 синхронизации и с входом синхронизации стробоскопического осциллографа 6, а его три выхода соответственно через формирователи 19, 20 и 21 импульсов - с управляющими входами блоков 11, 10 и 9 выборки и хранения. Блок 22 коммутации напряжения развертки соединен выходом, которым является выход сумматора 23, с вхо5 дом внешней развертки стробоскопического осциллографа 6, управляемые ключи 24-26 соединены выходами с входами сумматора 23, а их входы соответ0

0

ственно являются третьим, вторым и первым входами блока 22 коммутации напряжения развертки. Клемма 27 соединена с выходом источника «2 зондирующего сигнала, клемма 29 соединена с входом приемника 4 зондирующего сигнала, первый вход блока 22 коммутации напряжения развертки соединен с выходом генератора 8 пилообразного напряжения с регулируемой скоростью нарастания и с входом усилителя горизонтального отклонения двухкоординатного самописца 7, третий вход - с шиной 30, на которую подан вспомогательный нормированный потенциал U нор , второй вход - с шиной 31, на которую подан вспомогательный опорный потенциал LJ уп. Управляющие входы ключей 26, 25 и 24 являются четвертым, пятым и шестым входами блока 22 коммутации напряжения развертки и соответственно соединены с первым выходом кольцевого регистра 18 и с входом третьего формирователя 21 импульсов,с вторым выходом кольцевого регистра 18 и с входом второго формирователя 20 импульсов, с третьим выходом кольцевого регистра 18 и с входом первого

формирователя 19 импульсов. i

Устройство работает следующим образом.

Напряжение возбуждения Ur(t) от генератора 1 сигналов с периодом t,, поступает на блок 5 синхронизации и исследуемую систему 3, на которую одновременно воздействует и источник 2 зондирующего сигнала. В результате сигнал, появляющийся на клемме 29, регистрируется приемником 4 зондирующего сигнала и с его выхода поступает на сигнальный вход стробоскопического осциллографа 6. На вход синхронизации осциллографа 6 и на вход кольцевого регистра 18 поступают импульсы с блока 5 синхронизации, амплитуда и длительность которых не зависит от формы и амплитуды выходного напряжения генератора 1 сигналов. Каждый синхроимпульс с выхода блока 5 синхронизации запускает стробоскопический осциллограф 6 и кольцевой регистр 18 с частотой сигнала возбуждения f 1/t|-. При этом при поступлении первого импульса синхронизации на вход кольцевого ре- гистра 18 на его первом выходе появляется уровень 1, тогда как на

втором и на третьем выходах присутствует уровень О. При поступлении второго и третьего синхроимпульсов Гна трех выходах кольцевого регистра

возникает соответственно комбина10

15

20

25

30

5

0

5

0

ция уровней О,

Г

О

и

О,О,

5

1. Далее при поступлении четвертого импульса цикл повторяется. Формирователи 19-21 импульсов запускают- ся по срезу выходных импульсов кольцевого регистра 18. Амплитуда и длительность импульсов на выходах формирователей 19-21 импульсов не зависит от формы входных сигналов. Появление уровня 1 на первом выходе кольцевого регистра 18 и его исчезновение приводит к тому, что последовательно открываются ключ 26 в блоке 22 коммутации напряжения раз- , вертки и блок 9 выборки и хранения в первом канале, состоящем из блоков 9 и 12. Ключи 24 и 25 в блоке 22 коммутации напряжения развертки и блоки 10 и 11 выборки и хранения остаются закрытыми. При поступлении второго и третьего импульсов син-.. хронизации соответственно открываются ключ 25 и блок 10 выборки и хранения, ключ 24 и блок 11 выборки и хранения. Поочередное срабатывание ключей 26, 25 и 24 по мере поступления синхроимпульсов приводит к тому, что через равные промежутки времени на вход внешней развертки стробоскопического осциллографа 6 с выхода сумматора 23 одно за другим поступают три напряжения - медленно изменяющееся напряжение U р(Т) развертки с генератора 8 пилообразного напряжения с регулируемой скоростью нарастания, постоянное напряжение Uon с шины 31 и постоянное напряжение U нор с шины 30. Таким образом, на входе внешней развертки стробоскопического осциллографа 6 поочередно действуют три источника напряжений. Одно из них (с выхода генератора 8 Up(T)) является текущим и определяет время полного цикла записи Т ц измеряемого U(t) сигнала с периодом tr. Длительность цикла Т ц зависит от скорости нарастания пилообразного напряжения, а его начало определяется моментом запуска генератора 8. Два других напряжения являются вспомогательными и определяют точю на сигнале tc (для Uen) и t „ (для U нор ), выбранные в качестве опорной

14

и нормировочной. Их значения фиксированы, но различны и не входят за пределы напряжения внешней развертки стробоскопического осциллографа 6,

При работе стробоскопического осциллографа в режиме записи на вход его внешней развертки обычно подается изменяющееся за время Тц напря жение U0(T) от генератора 8, причем время цикла Тц на несколько порядков превышает период напряжения возбуждения tj. от генератора 1 сигналов.При этом происходит временная трансформация (растяжка) поступающего на сигнальный вход стробоскопического осциллографа 6 быстрого измерительного сигнала в медленное аналоговое напряжение на выходе усилителя вертикального отклонения осциллографа 6. По форме аналоговое напряжение идентично исследуемому, но записано в другом масштабе за время Тц. Подача на вход внешней развертки стробоскопического осциллографа 6 через блок 22 коммутации напряжения развертки трех последовательно переключаемых уровней напряжений, один из которых изменяется за время записи Тц, а два других фиксированы, приводит к тому, что поступающий с при- емника 4 зондирующего сигнала на сигнальный вход быстрый измеряемый сигнал с периодом t h преобразуется на выходе осциллографа 6 в аналоговое напряжение, состоящее из трех последовательно чередующихся во времени выборок напряжений. Разделение выборок по трем каналам происходит путем поочередного открытия этих каналов при срабатывании блоков 9-11 выборки и хранения синхронно с импульсами на выходе кольцевого регис т ра 18. Время нахождения блоков 9-11 выборки и хранения в открытом состоянии соответствует длительности импульсов формирователей 19-21 и определяется временем запоминания амплитуды выборок, которое устанавливается много меньшим периодом сигнала возбуждения t).. Это позволяет избежать влияния соседних по времени выборок на результаты их последующего усреднения в каждом канале. Фильтры 12-14 нижних частот устра- няют высокочастотные шумы, присутствующие в растянутом выходном аналоговом сигнале, и приводят (за

-

306

счет усреднения) к повышению отношения сигнал - шум, если постоян- .ная времени фильтра С Тц. Полученные после временной трансформации и усреднения напряжения U5(T) на выходе фильтров 12-14 нижних частот соответственно первого, второго и третьего каналов в общем случае записываются в виде

5

0

5

0

5

0

5

0

5

U, (Т) K(T)-Uc(t.() +U(T) , где К(Т) - усредненный коэффициент преобразования (усиления) измерительного тракта устройства, в который входит источник 2 зондирующего сигнала, приемник 4 зондирующего сигна- ,ла, стробоскопический осциллограф 6.

U6(t;) - мгновенное значение напряжения, поступающего с выхода приемника 4 зондирующего сигнала в момент времени t ; на вход стробоскопи- |ческого осциллографа 6, которое получено под воздействием мгновенного напряжения U(t .) с генератора 1 сигналов с периодом t,.

Ucj(T) - усредненное напряжение дрейфа измерительного тракта.

Напряжение Uc(t) не зависит случайным образом от Т, являясь периодической функцией напряжения генератора 1 сигналов, а время t . пробегает все значения его периода (от 0 до th), в то время как К(Т) и (T) зависят от Т случайным образом и являются источником медленно меняющихся соответственно мультипликативной нестабильностей исследуемого сигнала. Разделение последовательностей выборок на каналы приводит к тому, что в первый канал (блоки 9 и 12 выборки и хранения) попадают выборки напряжений U.(T), полученные в моменты подключения к входу внешней развертки стробоскопи-ь ческого осциллографа все время изменяющегося напряжения развертки Uр(Т) от генератора 8. Это позволяет записать все мгновенные значения повторяющегося исследуемого сигнала,так как за полный цикл U p(T) время t ; пробегает все значения периода исследуемого сигнала t,,. При подаче на вход внешней развертки постоянного напряжения U оп выборки напряжений U0(T) исследуемого Сигнала U4(te), соответствующие моментам времени , попадают во второй канал, а при подаче напряжения U Hep выборки

напряжений UH(T) соответствуют исследуемому сигналу U.(tw) в моменты времени t ,t и попадают в третий канал. Таким образом, видно, что напряжения на выходе первого U-(T), второго U0(Т)и третьего UH(T) каналов измерены соответственно в различные моменты периода входного сигнала t;, tc, tH. Напряжение U T) является основным регистрируемым напряжением, несущим информацию о входном сигнале, a U0(T) и UH(Т) являются вспомогательными и служат Ьля подавления дрейфа нулевого уров- ня выходного напряжения измерительного тракта U-(T) и флуктуации его коэффициента преобразования К(Т), определяемых возможными нестабиль- ностями источника 2 зондирующего сиг нала, приемника 4 зондирующего сигнала и стробоскопического осциллографа 6. Фиксированные относительно синхроимпульсов моменты времени te и tH, в которые происходят выборки опорного Ue(T) и нормировочного UH(T) напряжений, задаются потенциалами U on и U H0f на входах блока 22 коммутации внешней развертки, в то время как текущий момент t сдвига- ется относительно начала синхроимпульса в каждом последующем периоде исследуемого сигнала синхронно с изменением выходного потенциала генератора 8 пилообразного напряжения с регулируемой скоростью нарастания.

Устранение влияния дрейфа U (Т) на сигналы в первом и третьем каналах получается вычитанием из выходного

напряжения первого канала U. (Т) напряжения второго опорного канала

U0(T) в блоке 15 вычитания и соответственно вычитанием из выходного напряжения третьего канала U ц(Т) напряжения второго опорного канала U0 (Т) в блоке 16 вычитания. Правильная ус- тановка вычитаемой последовательности выборок второго опорного канала получается при переключении выходов каналов на входах блоков 15 и 16 вычитания. Полученные две разности на- пряжений на выходах блоков 15 и 16 вычитания поступают на входы блока 17 деления, на выходе которого, отношение А не зависит уже и от влияния нестабильности К (Т)

А Ui(T) -U,(Т) 1„

. и „(т)-и.(т) ue(tH)-uc(te)

- с Q 5 Q

1

5

0

u (t)-uc(t..) -uc(to) и

и пропорционально только Uc(t;). Таким образом, величина А на выходе устройства оказывается независимой от дрейфа и нестабильности коэффициента преобразования. Соблюдение соотношения Uc(t,,) Uc(t0) достигается при установке фиксированных напряжений U vof и Ueo на входе блока 22 коммутации напряжения развертки. Предварительной калибровкой устройства определяется соответствие между величиной А и конкретным физическим параметром, измеряемым в эксперименте.

В устройствах, в которых коэффициент преобразования К достаточно стабилен и требуется подавление только высокочастотного шума и дрейфа, возможно устранение третьего канала и одного вспомогательного напряжения U нор. При построении устройства по двухканальной схеме его выходом будет блок 15 вычитания, кольцевой регистр 18 может быть заменен триггером, а напряжение вспомогательного источника Uоп, в частном случае, может равняться нулю. Такая схема может быть использована, в частности, для устранения дрейфа нуля непосредственно самого стробоскопического осциллографа.

Для устранения п видов нестабиль- ностей может быть применена схема с п + 1 каналом и соответствующими кольцевым регистром, блоком коммутации напряжения развертки и вычислительными блоками (вычитания, деления и др.). При необходимости в предлагаемом устройстве генератор пилообразного напряжения с регулируемой скоростью нарастания, кольцевой регистр, блоки вычитания и деления могут быть выполнены в виде ЭВМ.

Формула изобретения

1. Устройство подавления неста- бильностей стробоскопического регистратора, содержащее генератор сигналов клеммы для подключения исследуемой системы, стробоскопический осциллограф, первый фильтр нижних частот, соединенный выходом с первым входом блока вычитания, второй фильтр нижних частот, соединенный выходом с вторым входом блока вычита

ния, двухкоординатный самописец,входом горизонтального отклонения соеди- ненный с выходом генератора пилообразного напряжения, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей при одновременном повышении точности, оно содержит источник зондирующего сигнала, приемник зондирующего сиг- нала, блок синхронизации, три блока выборки и хранения, третий фильтр нижних частот, второй блок вычитания, блок деления, кольцевой регистр, три формирователя импульсов и блок коммутации напряжения развертки,первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй вход - с шиной опорного потенциала, третий вход - с шиной нормиро- вочного потенциала, а выход - с входом внешней развертки стробоскопического осциллографа, сигнальный вход которого соединен с выходом приемника зондирующего сигнала, вход кото- рого соединен с одной клеммой для подключения исследуемой системы,другая клемма соединена с выходом генератора сигналов и входом .блока синхронизации, а третья клемма соединена с источником зондирующего сигнала, вход синхронизации стробоскопического осциллографа соединен с выходом блока синхронизации и входом кольцевого регистра, первый выход которого соединен с четвертым входом блока коммутации напряжения развертки и входом третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с - управляющим входом первого блока вы-, борки и хранения, второй выход - с пятым входом блока коммутации напряжения развертки и входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с управляющим входом

0

5

0 5

0

5

0

второго блока выборки и хранения, третий выход - с шестым входом бло- ка коммутации напряжения развертки и входом первого формирователя импульсов, выход которого соединен с управляющим входом третьего блока выборки и хранения, вход которого соединен с выходом усилителя вертикального отклонения стробоскопического осциллографа и входами первого и второго блоков выборки и хранения, а выход - с входом третьего фильтра нижних частот, второй блок выборки и хранения соединен выходом с входом второго фильтра нижних частот, первый блок выборки и хранения соединен выходом с входом первого фильтра нижних частот, первый вход второго блока вычитания соединен с выходом второго фильтра нижних частот, выход третьего фильтра нижних частот соединен с вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом блока деления, первый вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, а выход - с входом вертикального отклонения двухкоорди- натного самописца.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок коммутации напряжения ра звертки содержит три ключа, сумматор, выход которого соединен с выходом блока коммутации напряжения развертки, а его входы соединены с выходами первого, второго и третьего ключей, входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока коммутации напряжения развертки., а их управляющие входы - соответственно с четвертым, пятым и шестым входами блока коммутации напряжения развертки.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в стробоскопических установках при наблюдении периодических сигналов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей при одновременном повышении точности. Через блок 22 коммутации напряжения развертки на вход внешней развертки стробоскопического осциллографа 6 поступает последовательность двух опорных напряжений по шинам 30, 31 и выходного сигнала от генератора 8 пилообразного напряжения, что позволяет в трех блоках 9, 10 и 11 последовательно осуществить запоминание периодического сигнала в трех точках, с помощью блоков вычитания 15, 16 и блока 17 деления осуществить не только коррекцию аддитивной, но и мультипликативной погрешностей измерений. Причем коррекция осуществляется для периодического сигнала произвольной формы каждый момент времени для периода преобразования. Кроме того, на чертеже показаны генератор 1 сигналов, источник 2 зондирующего сигнала, исследуемая система 3, приемник 4 зондирующего сигнала, блок 5 синхронизации, электронно-лучевая трубка 7, фильтры 12, 13 и 14 нижних частот, кольцевой регистр 18, формирователи 19, 20 и 21 импульсов, сумматор 23, ключи 24, 25 и 26, клеммы 27, 28 и 29. 1 ил., 1 з.п. ф-лы.