Устройство для измерения временного положения и длительности импульса Советский патент 1989 года по МПК G04F10/00 

ел

К9

0ue.J

10

15

25

Изобретение относится к импульсной ехнике и может быть использовано для змерения временаого положения имульса с неточно известной длительостью в составе аппаратуры радиовязи, радиолокации, автоматического онтроля и управления.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения длительности импульса и его временного положения при воздействии широкополосной помехи .

На фиг.1 приведена структурная хема устройства для измерения временного положения и длительности импульса; на фиг,2-25 приведены временные диаграммы видов преобразований, которым подвергается штульс при про- 2о хождении разных элементов устройства. Устройство для измерения временного положения и длительности импульсов (фиг.1) содержит nepBbrii управляемый ключ 1, первый интегратор 2, первый элемент 3 задержки, первьц1 инвертор 4, nepBbrii сумматор 5, первый указатель б экстремума, формирователь 7 управляющего и myльca, второй элемент 8 задержкиj умножитель 9, второй инвертор 10, второй сумматор 11, третий элемент 12 задержки, второй управляемый ключ 13, второй интегратор 14, третий сумматор 15, третий управляемый ключ 16, второй указатель 17 экстремума, первый счетчик 18 времени, аттенюатор 19, генератор 20 управляющих импульсов, четвертый элемент 21 задержки, генератор 22 линейно изменяющегося напряжения (глин), третий инвертор 23, четвертьп управляемый ключ 24, чет- вертьп инвертор 25, третий указатель 26 экстремума, второй 27 счетчик времени и четвертьйг сумматор 28.

Входная шина устройства соединена с сигнальным входом первого управляемого ключа 1, выход которого соединен с первым входом первого интегратора 2 и через третий элемент 12 за- с сигнальным входом второго управляемого ключа 13, выход первого интегратора 2 соединен с первым входом первого сумматора 5 и входом первого элемента 3 задержки, выход которого через первый инвертор 4 соединен с вторым входом первого сумматора 5, выход которого через первый указатель 6 экcтpe ryмa соединен с входом форми 5

30

35

40

50

55

0

5

5

о

рователя 7, выход которого соединен с первыми входами умножителя 9 и второго суммато15а 11, входом управления второго управляемого ключа 13, входом ГЛНП 22 и через второй элемент 8 задержки с вторым входом умножителя 9, выход которого соединен с входом управления третьего -управляемого ключа 16 и через вторбй инвертор 10 с вторым входом сумматора 11, выход которого соединен с входом управления четвертого управляемого ключа 24, сигнальный вход которого соединен с выходом третьего сумматора 15 и сиг- нальным входом третьего управляемого ключа 16, выход которого через второй указатель 17 экстремума соединен с входом первого счетчика 18, выход которого соединен с первой выходной шиной устройства и входом аттенюатора 19, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора 28, второй вход которого соединен с выходом второго счетчика 27, вход запуска которого соединен с выходом четвертого элемента 21 задержки, вход которого соединен с входом управления первого управляемого ключа 1 и первым выходом генератора 20, второй выход которого соединен с входами сброса первого и второго интеграторов 2 и 14, первого, второго и третьего указателей 6, 17 и 26 экстремума, первого и второго счетчиков 18 и 27 времени, вход второго счетчика 27 соединен с входом запуска первого счетчика 18 и выходом третьего указателя 26 экстремума, вход которого через четвертый инвертор 25 соединен с выходом четвертого управляемого ключа 24, выход второго управляемого ключа 13 через второй интегратор 14 соединен с первым входом третьего сушттора 15, второй вход 5- которого через третий инвертор 23 соединен с выходом ГЛИН 22j выход четвертого сумматора соединен с второй выходной шиной устройства.

30

35

40

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ключи 1, 13, 16 и 24 закрыты, следовательно входной сигнал

X Ct)S(, )+n(t), (1)

СОСТОЯЩИЙ из измеряемого импульса

S(t,,t)

ra,t6Ca-t/2, 1 +C/2, o., я

15221A7 6

указателя 6 экстремума поступает сигнал (Лиг.8)

t

x,(t)K, x(t)clt. (2)

и широкополосного шума n(t), не поступает в схему. В формуле (1) с - неизвестная длительность импульса, принимает значения из интервала

i-t«

)(l; i - неизвестное временное положение измеряемого импульса, принимает яначения в интервале от до 1( +Л, величина которого равна Л ; а - амплитуда импульса.

Работа устройства начинается с момента запуска генератора управляющих 20 импульсов. Этот генератор задает весь цикл измерения в устройстве за счет формирования на своих первом и втором выходах управляющих импульсов с определенными параметрами. Импульсы па первом и втором выходах генератора 20 показаны на фиг.2 и 3 соответственно. Положение.во времени и длительность управляющего импульса на первом выходе генератора 20 (фиг.2) выбирают такими, чтобы при всех его возможных моментах появления и длительностях измеряемьй импульс бьш расположен в пределах длительности управляющего импульса. Следовательно, при выбранной шкапе времени управляющий импульс на первом выходе генератора 20 начинается в момент времени и заканчивает ся в момент времени Л . Управляющий импульс с первого ёыхода ге.нератора 20 поступает на управляющий вход ключа 1 и открывает его на время Л +Т так- Входной сигнал x(t) через ключ 1 поступает на часть схемы, состоящую из блоков 2-6, осуществляющую грубую (с точностью до длительности импульса) фиксацию временного положения измеряемого импульса.

Эта часть схемы работает следующим образом. С выхода ключа 1 входной сигнал x(t) (фиг.4) интегрируется интегратором 2 (фиг.5), после чего поступает на входы элемента 3 задержки и сумматора 5. В сумматоре 5 сигнал с выхода интегратора 2 (фиг.5) складывается с тем же сигналом, задержанным элементом 3 задержки (фиг.6) на время t(Tmat+ +Ttv,-,,-()/2 и инвертированным в инверторе 5 (фиг.7). В результате на вход

10

20

Этот сигнал является откликом на входное воздействие x(t), содержа измеряемый импульс длительностью согласованного фильтра (блоки 2-5 предназначенного для измерения вр менного положения импульса длител ностью L . Из фиг.8 видно, что з счет отличия длительности измеряе

15 го и тульса от времени задержк в элементе 3 сигнал на входе указ теля 6 имеет плоскую вершину. В результате при наличии даже малог уровня шума на входе устройства у затель 6 фиксирует положение макс Myria в любой точке плоской вершин За счет этого временное положение ш тульса фиксируется указателем 6 только с точностью до величины, р

25 ной половине разности между макси мально и минимально возможными дл тельностями измеряемого импульса ( TmVn)/2.

В момент достижения сигналом (2) наибольиего значения указател 6 вырабатывает сигнал (фиг.9), ко рый используется для управления о тально частью схемы. В частности импульс с выхода указателя 6 запу ет формирователь 7 управляющего и пульса. Сформированный им импульс (фиг.10) открывает ключ 13 на вре 2Tmat-Tmin И СВОИМ передним фронт запускает ГЛШ 22, В течение врем 2Tr«at-Tmin когда открыт ключ 13, входной сигнал x(t), задержанный ментом 12 задержки на время Т max (фиг.11), поступает через ключ 13 вход интегратора 14 (фиг.12). Про тегрированный в интеграторе 14 вх

ной сигнал (фиг.13) складывается сумматоре 15 с инвертированным ин тором -23 (фиг.15) выходным сигнал ГЛИН 22 (фиг. 14). В результате на ходе сумматора 15 имеется сигнал fc

(t)Ka ( x(t-TmaOdt-K4(t- .

30

35

40

50

Этот сигнал условно изображен на ее фиг.16, откуда видно, что в отсут вие шума сигнал (3) между момента

г.

t И +2Tmaf-Tm vn имеет минимум в точке, соответствующей переднему фронту задержанного на Ттл измеря

i-t«

Этот сигнал является откликом на входное воздействие x(t), содержащее измеряемый импульс длительностью t o , согласованного фильтра (блоки 2-5), предназначенного для измерения временного положения импульса длительностью L . Из фиг.8 видно, что за счет отличия длительности измеряемого и тульса от времени задержки в элементе 3 сигнал на входе указателя 6 имеет плоскую вершину. В результате при наличии даже малого уровня шума на входе устройства указатель 6 фиксирует положение макси- Myria в любой точке плоской вершины. За счет этого временное положение ш тульса фиксируется указателем 6 только с точностью до величины, равной половине разности между максимально и минимально возможными длительностями измеряемого импульса ( TmVn)/2.

В момент достижения сигналом (2) наибольиего значения указатель 6 вырабатывает сигнал (фиг.9), который используется для управления ос- тально частью схемы. В частности, импульс с выхода указателя 6 запускает формирователь 7 управляющего импульса. Сформированный им импульс (фиг.10) открывает ключ 13 на время 2Tmat-Tmin И СВОИМ передним фронтом запускает ГЛШ 22, В течение времени 2Tr«at-Tmin когда открыт ключ 13, входной сигнал x(t), задержанный элементом 12 задержки на время Т max (фиг.11), поступает через ключ 13 на вход интегратора 14 (фиг.12). Проинтегрированный в интеграторе 14 входной сигнал (фиг.13) складывается в сумматоре 15 с инвертированным инвертором -23 (фиг.15) выходным сигналом ГЛИН 22 (фиг. 14). В результате на вы- ходе сумматора 15 имеется сигнал fc

(t)Ka ( x(t-TmaOdt-K4(t- . (3)

Этот сигнал условно изображен на фиг.16, откуда видно, что в отсутст- вие шума сигнал (3) между моментаъш

г.

t И +2Tmaf-Tm vn имеет минимум в точке, соответствующей переднему фронту задержанного на Ттл измеряемого импульса (фиг.12), и максимум - в точке, соответствующей заднему фронту того же импульса. Сигнал с выхода сумматора 15 поступает на входы ключей 16 и 24, которые в совокупности с блоками 8-11 образуют коммутатор , поочередно подключающий к выходу сумматора 15 входы инвертора 25 и указателя 17. Действительно, из диаграмм на фиг.17-20, показывающих форму выходных сигналов блоков 8-11 соответственно, видно, что на выходе умножителя 9 в результате перемножения задержанного на время /2 элементом .8 задержки и незадержанного импульсов с выхода формирователя 7 образуется импульс, начинающийся в момент t +Tmfti;/2 и заканчивающийся в момент t +2Tmax-Tm in (фиг. 18), Здесь t - момент срабатывания указателя 6. После инвертирования инвертором 10 (фиг,19) этот импульс складывается в сумматоре 11 с выходным сигналом формирователя 7. В р.езультате на выходе сумматора 11 образуется импульс (фиг.20), начинающийся в момент и закапчивающийся в момент t +Triia/2.- Следоват ельно, в течение времени от Ъ до t +Т may/2 открыт ключ 24 и сигнал (Лиг.16) с выхода сумматора- 15 поступает на вход инвертора 25 (фиг.21). Шшертированный сигнал (фиг,22) поступает на вход указателя 26. Б момент достижения сигналом с вь.1хода инвертора 25 (фиг.22) абсолютного максимума указатель 26 вырабатывает импульсS показанный на фиг.24 Таким образом, указатель 26 фиксируе момент появления переднего фронта измеряемого импульса, задержанного на время Ттлх. Сигнал с выхода указателя 26 останавливает счетчик 27 времени и запускает счетчик 18 времени. В свою очередь, счетчик 27 времени был запущен генератором 20 через элемент 21 задерхтки на время. Tmajc позднее начала работы устройства. Таким образом, счетчик 27 фиксирует время от момента Т mar до момента появления переднего фронта задержанного на Tmai измеряемого импульса В результате зафиксированное счетчиком 27 время равно измеренному значению времени, прошедшему с момента запуска измерителя до момента появления на входе измерителя переднего фронта измеряемого импульса. В результате подбора времен задержек в

0

5

элементах 8 и 12 момент +Ттаи/2 переключения ключей 16 и 24 оказывается между положениями переднего и зад- него фронтов задержанного на Т тол изменяемого импульса, если только Тта Следовательно, до того как сигнал с выхода сумматора 15

(фиг.16) достигает своего наибольше - ГО значения между моментами t и (- +

+2Ттпои-Т т11п под действием управляющих импульсов с выходов блоков 9 и 11 в момент t +T|T ait/2 ключ 24 закрывается и открывается ключ 16 на вре5 МЯ от t +Tmaii/2 до t +T ftii-TmiP. В результате сигнал с выхода cy шaтopa 15 поступает через ключ 16 (фиг.23) на вход указателя 17. Б момент достижения сигналом (фиг.23) наибольшего значения на выходе указателя 17 появляется импульс (фиг.25), KOTOpbtfi останавливает счет времени в счетчике 18 времени. Следовательно, счётчик 18 времени зафиксирует время, прошедшее с момента фиксации переднего фронта до момента фиксации заднего фронта измеряемого импульса, т.е. время, зафиксированное счетчиком 18, является измеренным значением длительности импульса, С выхода счетчика 18 измеренное значение длительности поступает на вход Длительность устройства и вход аттенюатора 19 с коэффициентом передачи 1/2. С выхода аттенюатора 19 уменьшенное в два раза измеренное значение длительности в сумматоре 28 складывается с измеренным временем прихода переднего фронта измеряемого и fflyльca, которое поступает на другой вход сумматора с выхода счетчика 27 времени. В результате на выходе сумматора 28 имеется измере}1ное значение времени прихода импульса, отсчитываемого по середине импульса. Из теории потенциальной .помехоустойчивости следует, что при прочих равных условиях оценка времени прихода в устройстве по середине. импульса с неизвестной длительностью обладает наименьшей ошибкой по сравнению с оценками по другим точкам импульса (например, по переднему или заднему фронту). Кроме того, при этом наблюдается минимальный коэффициент корреляции между ошибками измерения

5 времени прихода и длительности. Тем не менее, меняя коэффициент передачи аттенюатора 19 от нуля до единицы можно в устройстве получить оценки

0

5

0

5

0

времени прихода, отсчитываемого по различним точкам импульса. В частности, при коэффициенте передачи аттенюатора 19, равном нулю, устройство производит измерение времени прихода по переднему фронту импульса а при коэффициенте передачи, равном единице - по заднему фронту.

Цикл измерения в устройстве завершается выработкой генератором 20 управляющих импульсов на своем втором выходе короткого управляющего импульса (фиг.З), запаздывающего относител но заднего фронта импульса на первом выходе генератора 20 (фиг.2) на врем TuHij.. Время Тцна выбирается минимальным, но достаточным для регистрации (считывания) результатов измерения. В частности, если на регистрацию результатов необходимо время Тр, то TuH Tm«Ti+T, , где время T,nai( ртво- дится на завершение процесса измерения задержанного на Ттл Измеряемого и шyльca. Таким образом, до момента появления импульса на втором выходе генератора 20 измерение полностью закончено. Этот импульс поступает на шины сброса счетчиков 18 и 26, интеграторов 2 и 14 и указателей 6,17 и 26 и приводит схему в исходное состояние. Измеритель готов к работе.

Величина ошибок измерения в устройстве зависит от коэффициента усиления в интеграторе 14 К( и от крутины KS линейно изменяющегося напряжения, вырабатываемого ГЛИН 22. Анализ точности измерения в устройстве, а также применение методов теории потенциальной помехоустойчивости показали, что максимальная точность измерений достигается когда Kb KQa/2, где а - амплитуда измеряемого импульса . Величины К ( и К.(2. (коэффициенты усиления интеграторов 2 и 14 соответственно) при этом выбираются в зависимости от конкретных условий работы измерителя такими, чтобы согласовать динамические диапазоны входного сигнала и используемых типовых блоков. Формула изобретения

Устройство для измерения временного пололения-и длительности импульса содержащее первый интегратор, первую линию задержки, первый сумматор, первый счетчик, первьй указатель экстремума, вход которого

10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

соединен с выходом первого сумматора, nepBbtfi вход которого соединен с входом первой линии задержки и выходом первого интегратора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены четыре управляемых ключа, три элемента задержки, четыре инвертора, три сумматора, два указателя экстремума, формирователь управляющего импульса, умножитель, второй интегратор, аттенюа- трр, генератор управляющих и шульсов, генератор лине11но изменяющегося напряжения, второй счетчик времени, вход запуска которого соединен с выходом четвертого элемента задержки, вход которого соединен с первым выходом генератора управляющих импульсов и входом управления первого управляемого ключа, сигнальный вход которого соединен с входом устройства, выход первого управляемого ключа соединен с входом первого интегратора и через третий элемент задержки с сигнальным входом второго управляемого ключа, вход управления которого соединен с первыми входами умножителя и второго сумматора, входом генератора линейно изменяющегося напряжения, выходом формирователя управляющих импульсов и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым вхо- . дом умножителя, выход которого соединен с входом управления третьего управляемого ключа и через второй инвертор с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с входом управления четвертого управляемого ключа, сигнальный вход которого соединен с выходом третьего сумматора и сигнальным входом третьего управляемого ключа, выход которого через второй указатель экстремума соединен с входом первого счетчика, вы- .ход которого соединен с первой выходной шиной устройства и входом аттенюатора, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго счетчика времени, вход которого соединен с входом запуска первого счетчика времени и выходом третьего указателя экстремума, вход которого через четвертый инвертор соединен с выходом четвертого управляемого ключа, выход второго управляемого ключа соединен через втопой

интегратор с первым входом третьего сумматора, второй вход которого через третий инвертор соединен с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, выход четвертого сумматора соединен с второй выходной шиной устройства, второй выход генератора управляющих импульсов соединен с входами сброса первого, второго интегра-|Q

торов, первого, второго, третьего указателей экстремума, первого, второго счетчикхш времени, выход первого элемента задержки через первый инвертор соединен с вторым входом первого сумматора, выход первого указателя экстремума соединен с входом формирователя управляющих импульсов.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для измерения временного положения импульса с неточно известной длительностью в составе аппаратуры радиосвязи, радиолокации. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет одновременного изменения длительности импульса и его временного положения при воздействии широкополосной помехи. Для этого в устройство введены управляемые ключи 1, 13, 16, 24, инверторы 4, 10, 23, 25, сумматоры 11, 15, 28, формирователь 7 управляющих импульсов, элементы задержки 8, 12, 21, умножитель 9, интегратор 14, указатели 17, 26 экстремума, аттенюатор 19, генератор 20 управляющих импульсов, генератор 22 линейно-изменяющегося напряжения, счетчик 27 времени. Кроме того содержит интегратор 2, элемент 3 задержки, сумматор 5, указатель 6 экстремума, счетчик 18 времени. 25 ил.

Фиг

I фи8.т r fl -7 /Tri/r

It L

Jlff т/тюх

Фиг.И

i

r.

таж min

фиг. 16