Устройство для измерения нестабильности временных интервалов Советский патент 1991 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения статистических характеристик последовательности импульсов.

Цель изобретения - расширение Функциональных возможностей.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2-7 - временные диаграммы измерения нестабильности длительностей импуль сов; на фиг.8 - временные диаграммы измерения нестабильности периода повторения импульсов; на фиг.9 - временные диаграммы измерения нестабильности интервала между фронтами импульсов двух разных последовательностей; на фиг.10 - зависимость уровня сигнала на выходе сумматора

от величины абсолютной нестабильности длительности импульсов.

Устройство для измерения нестабильности временных интервалов содержит ограничитель 1 сверху, ограничитель 2 снизу, дифференцирующий трансформатор 3, усилитель-ограничитель 4, регулируемый элемент 5 задержки, коммутатор 6, переключатель 7, ограничитель 8 сверху, ограничитель 9 снизу, дифференцирующий трансформатор 10, переключатель 11, усилитель-ограничитель 12, триггер 13, вычитатель 14, сумматор 15, интегратор 16, эталонный элемент 17 задержки, интеграторы 18 и 19, три|- гер 20, пороговый элемент 21, расширитель 22, интегратор 23, квадра- i тор 24, интегратор 25, сумматор 26,

оэ со х

00

1

4ь

входные шины 27 и 28 и выходные шины 29, 30, 31 и 32.

Входная шина 27 устройства через последовательно соединенные ограни- с читель 1 сверху и ограничитель 2 снизу подключена к входу дифференцирующего трансформатора 3, первый выход которого через усилитель-ограничи- тель k соединен с первым входом ком- ю мутатора 6, первым входим переклю- чателя 7 и входом регулируемого элемента 5 задержки, выход которого подключен к второму входу переключателя 7, выход которого соединен с 15 первыми входами триггеров 13 и 20,

Вторая входная шина 28 устройства через последовательно соединенные ограничитель 8 сверху и ограничитель 9 снизу подключена к входу дифферен- 20 цирующего трансформатора 10, выход которого соединен с первым входом переключателя 11, второй вход которого подключен к второму выходу дифференцирующего трансформатора 3, 25 а выход соединен через усилитель-ограничитель 12 с вторым входом коммутатора 6, выход которого подключен к второму входу триггера 13.

Выход триггера 13 через интегра- 30 тор 18 соединен с первым входом сумматора 15 и первым входом порогового элемента 21, второй вход которого подключен к первому выходу интегратора 23, а выход соединен с входом $ эталонного элемента 17 задержки, первый выхот которого подключен ко второму входу триггера 20, выход которого через интегратор 19 соединен с вторым входом вычитателя . Второй 40 выход эталонного элемента 17 задержки через интегратор 16 соединен с вторым входом сумматора 15, выход которого подключен к первому входу вычитателя И, выход которого соеди- 45 нен с входом расширителя 22, первый выход которого подключен к входу интегратора 23 и первому входу сумматора 26, второй вход которого соединен с вторым выходом интегратора 5« 23 и выходной шиной 31 устройства. Выход расширителя 22 соединен с выходной шиной 29 устройства и через квадратор 2k и интегратор 25 с выходной шиной 30. Выход сумматора 26 соединен с выходной шиной 32 устройства.

Устройство для измерения нестабильности временных интервалов рабо- тает следующим образом.

55

5 «

5

Устройство позволяет осуществить пять режимов измерений:i

I- измерение нестабильности длительности импульсов, длительность которых превышает время задержки

в эталонном элементе задержки;

II- измерение нестабильности интервала между фронтами импульсов различных последовательностей, когда величина интервала превышает время задержки в эталонном элементе задержки 1

III- измерение нестабильности длительности импульсов, равных времени задержки в эталонном элементе задержки;

IV- измерение нестабильности интервала между фронтами импульсов разных последовательностей, когда вели- - чина интервала равна времени задержки в эталонном элементе задержки,

V- измерение нестабильности длительности периода между импульсами.

В режиме I измерения нестабильности длительности импульсов, превышающих время задержки в эталонном элементе задержки 17, переключатель 11 устанавливается в положение, при котором второй выход дифференцирующего трансформатора 3 соединяется с входом усилителя-ограничителя 12.

Переключатель 7 устанавливается в положение, при котором выход регули- руемого элемента 5 задержки соединяется с входом установки в единицу триггера 13, а коммутатор 6 - в положение, при котором выход усилителя-ограничителя 12 соединяется с входом установки в ноль триггера 13.

Временные диаграммы работы устройства в режиме измерения нестабильности импульсов, длительность которых равна номинальной длительности, приведена на фиг.2 и 3, меньше номинальной длительности - на фиг. и 5, больше номинальной длительности - на фиг.6 и 7.

Исследуемые импульсы (фиг.2а, 4а„ и 6а), нестабильности дС длительности которых подлежат измерению на уровне иИзм постУпают через входную шину 27 на вход ограничителя 1 сверху с регулируемым уровнем ограничения Uorp. .

Ограниченные сверху входные импульсы поступают на ограничитель 2 снизу с регулируемым уровнем ограничения Uorp,/z .

Ограничители 1 сверху и 2 снизу обеспечивают измерение нестабильности длительности импульсое на данном уровне, причем Uorp1.

«.U

orp.4

Кэ выходе ограничителя 2 снизу формируются импульсы длительностью, равной длительности входных импульсов на заданном уровне измерения с амплитудой иогр.д - Uorp.z. (фиг.26, , 66).

Ограниченные сверху и снизу им- пульсы поступают на дифференцирующий трансформатор 3, имеющий две вторичные обмотки, с которых снимаются разнополярные импульсы (фиг.2в, г, k в, г, 6 в, г). Импульсы с первой выходной обмотки дифференцирующего трансформатора 3 поступают на усилитель-ограничитель k, на выходе которого формируются импульсы, соответствующие фронту входных импульсов на заданном уровне измерения (фиг.2д, 4д, 6д) . Эти импульсы задерживаются в регулируемом элементе 5 задержки на время tg (фиг.2з, 4з и 6з) и через переключатель 7 (фиг.2и, и, 6и) поступают на первые входы триггеров 13 и 20, устанавливая их в единичное состояние/

Импульсы напряжения с второй выходной обмотки дифференцирующего трансформатора 3 поступают через переключатель 11 на вход усилителя- ограничителя 12., на выходе которого формируются импульсы, соответствующие срезу входных импульсов на заданном уровне измерения (фиг. 2е, 4е, бе). Эти импульсы через коммутатор & (фиг.2ж, 4ж, 6ж) поступают на второй вход триггера 13 и устанавливают его в нулевое состояние, I

На прямом выходе триггера 13 формируются импульсы, длительность которых меньше длительности t входных импульсов Ј,:., Ј - t-, а величина нестабильности fit равна абсолютной величине нестабильности длительности входных импульсов (фиг.2к, к.и 6к) .

Для уменьшения влияния нестабильности срабатывания триггера 13 на результат измерения длительность фро та и спада формируемых триггером импульсов должна удовлетворять условию Св « дЈ . Оля этого импульсы с выхода триггера 13 подаются на вход интегратора 18.

0

5

Импульсы с выхода интегратора 18 (фиг. 2л, л и 6л) поступают на вход- порогового элемента 21 с регулируемым уровнем порога. Уровень порога устанавливается путем использования обратной связи в зависимости от среднего значения величины нестабильности длительности входных импульсов М(дЈ) (фиг.2л, 4л и 6л). Этим достигается корректировка суммарного времени задержки t.n+t-, за счет изменения эквивалентного времени задержки t«n, обусловленного интегратором 18 и, пороговым элементом 21, за счет чего осуществляется перемещение рабочей точки устройства на середину рабочего участка.

Выходной сигнал порогового эле0 мента 21 формируется в результате превышения входным напряжением порогового уровня на управляющем входе. Амплитуда выходного сигнала порогового элемента 21 превышает амплитуду вы5 ходного сигнала триггера 13 для компенсации ослабления сигнала в элементе 17 задержки с отводами и выбирается таким образом, чтобы сигналы на входах сумматора с выходов интегQ раторов 16 и 18 были равны по амплитуде.

Амплитуда выходного сигнала порогового элемента 21 не зависит от0 амплитуды, входного сигнала и от уровня порогового напряжения (2м, 4м

5 и 6м).

В исходном состоянии уровень порога Unop. нач. на управляющем входе порогового элемента устанавливается равным 0,5 UBX, где U &х 1)вых - ам0

плитуда выходного сигнала интегратора 18.

Импульсы с выхода порогового элемента 21 задерживаются в эталонном

элементе 17 задержки на время txa (фиг.2н, н и 6н). Время задержки выбирается таким образом, чтобы суммарное время задержки регулируемого элемента задержки 5 t, эталонного

элемента 17 задержки ид и время задержки ty, за счет задержки в пороговом элементе 21 при начальном уров-1 не порога было равно ожидаемой длительности исследуемого сигнала на измеряемом уровне.

Максимальное время задержки в эталонном элементе 17 задержки с отводами должно перекрывать весь диапазон возможных величин нестабильности временных интервалов и может изменяться дискретно.

С целью увеличения предельной разрешающей способности введен пороговы элемент 21, который автоматически по сигналу с интегратора 23 позволяе дополнительно плавно изменять время задержки в пределах шага дискретизации

держки

iA

дЈ« эталонного элемента 17 заШаг дискретизации Дс выбирается равным значению максимальной постоянной Ј5 интеграторов 1&, 18 и 19.

Задержка в эталонном элементе 17 задержки осуществляется относительно фронта выходного импульса порогового элемента 21.

С первого выхода эталонного элемента 17 задержки с отводами импульсы поступают на вход установки в ноль триггера 20.

С второго выхода эталонного элемента 17 задержки импульсы через интегратор 16 подаются на второй вход сумматора 15, на первый вход которого поступают импульсы с выхода интегратора 18.

Таким образом, на входы сумматора 15 поступают импульсы равной амплитуды, с одинаковой длительностью фронтов и срезов.сдвинутые относительно друг друга на величину + + t. (фиг. Зв, 5в и 7в).

Зависимость, определяющая изменение уровня сигнала на выходе сумматора 15, как функция величины абсолютной нестабильности длительности импульса (временного интервала) приведена на фиг.10.

Чувствительность изменения максимальна тогда, когда спад импульса на выходе интегратора 18 и фронт импульса на выходе интегратора 16 совпадают по времени (фиг.Зв, 5в, 7в).

Сохранить чувствительность в боле широком диапазоне измеряемых величин позволяет обратная связь, включающая пороговый элемент 21 и интегратор 23 которая при наличии постоянно составляющей нестабильности К(&Ј) осуществляет смещение рабочей точки на середину рабочего участка.

Триггер 20 переключается в нулево состояние по срезу импульса на первом выходе элемента 17 задержки с отводами (фиг.Зв, 5а и 7а).

От стабильности уровня переключения триггера 20 зависит точность

5

0

5

0

5

0

5

0

5

измерения, поэтому необходимо выбирать триггер 20 с временем переключения Јлер«Јспи нормированным значением и„ор U,0, и U( U,, гдеЈсп- длительность спада импульса на выходе эталонного элемента 17 задержки, для того, чтобы время задержки в плече, содержащем первый сумматор 15 и интегратор 16, было равно времени задержки в плече, содержащем триггер 20 и интегратор 19.

На выходе сумматора 15 формирует- . ся импульс, имеющий пьедестал, постоянной амплитуды ип. на котором находится короткий импульс, образующийся за счет нестабильности длительности входных импульсов (фиг.5г, 7г).

Амплитуда короткого импульса относительно пьедестала, зависит от величины нестабильности длительности входных импульсов.

В случае, когда нестабильность отсутствует,- короткий импульс не образуется (фиг.Зг).

На вычитатель 14 поступают импульсы с выходов сумматора 15 и второго интегратора 19.

.Длительность и амплитуда импульсов с выхода второго интегратора 19 равны длительности и амплитуде пьедестала и импульса сумматора 15 (фиг.36, 56, 76).

Интеграторы 16, 19 и 18 позволяют осуществить регулировку длительностей фронта и среза импульсов, формируемых пороговым элементом 21 и триггерами 13 и 20. ,

t

Назначение выходных импульсов интеграторов 16 и 18 состоит в том,- чтобы при сложении в сумматоре 15 на его выходе сформировался импульс, амплитуда которого соответствовала бы величине нестабильности длительности входных импульсов (временных интервалов).

Амплитуда выходных импульсов интеграторов 16, 18 и 19 должна быть равной амплитуде выходных импульсов порогового элемента 21, триггеров 13 и 20 соответственно, а крутизна фронта и среза выбирается исходя из абсолютной величины нестабильности длительности временных интервалов .

Для повышения точности измерения малых величин нестабильности длительности крутизну фронта и среза импульсов, формируемых интеграторами,

необходимо увеличивать. Изменение - постоянной времени, интегратора и, соответственно, крутизны фронта и спада дает возможность расширить диа пазон измерения больших величин нестабильности временных интервалов. Интеграторы 16, 18 и 19 должны

и посиметь одинаковые параметры л

,

тоянные времени С5, соизмеримые с

величиной нестабильности временных интервалов.

Амплитуда импульсов на выходах интеграторов 16, 18 и 19 определяетс уровнями сигналов на входах. Постоянные времени интеграторов 16, 18 и 19 выбираются равными между собой.

Фронт и спад импульсов на выходах интеграторов определяются постоянной времени интегрирования Ј5приЈ6 Јч.

В вычитателе I происходит компенсация амплитуды пьедестала импульса сумматора 15 и на выходе .должен выделяться короткий импульс, амплитуда и полярность которого определяются нестабильностью длительности входных импульсов (фиг.5д,

7д). ,

Импульсы с выхода .вычитателя 1 поступают на вход двухполярного расширителя 22.

С помощью расширителя 22 длительность коротких импульсов увеличивается с сохранением их амплитудных соотношений и полярности до необходимой величины, но не более периода повторения исследуемых импульсов. Таким образом, на первом выход расширителя 22 формируются импульсы (фиг.Бе, 7е) постоянной длительности, амплитуда которых равна амплитуде коротких импульсов относительно пьедестала на выходе сумматора 15.

С второго выхода расширителя 22 импульсы поступают на интегратор 2 на выходе которого формируется напряжение (фиг.5ж, 7ж), пропорцио- нальное математическому ожиданию М(А) нестабильности длительности входных импульсов.

Это напряжение подается на управляющий вход порогового элемента 21, на вход сукматора 26 и на выходную шину 3 устройства.

С выхода расширителя 22 импульсы также поступают на второй вход сумматора 26 и вход квадратора 2.

С выхода квадратора 2 через ин- тегратор 25 напряжение поступает на выходную шину 30 устройства.

Назначение квадратора 2k и интегратора 25 заключается в формировании сигнала величины дисперсии нестабильности временных интервалов в соответствии с правилами вы исле0

ния

U

5

0

5

0

5

0

0

DUfc) м(ьС) -А ,

где М(А/Ј) - математическое ожидание нестабильности длительности импульсов (временных интервалов) 4.о - абсолютная величина нестабильности длительности импульсов (временных интервалов) в каждом периоде следования.

Операция вычитания осуществляется цепью обратной связи с помощью интегратора и порогового элемента 21. Постоянные времени интеграторов 23 и 25 выбираются равными 10-20 периодам следования входных сигналов и устанавливаются равными между со-, бой. На выходе интегратора 23 уро- в-ень сигнала зависит от среднего значения амплитуды импульса, поступающего с выхода расширителя, и пропорционален математическому ожиданию отклонения временного интервала от заданного и определяемого элементами задержки 5 и 17.

Значение напряжения на выходе интегратора 25 пропорционально дисперсии нестабильности длительности импульсов.

На выходе сумматораХ2б формируются импульсы, амплитуда которых пропорциональна значению абсолютной нестабильности длительности входных, им- 5 пульсов (временных интервалов) в каждом периоде следования.

На шинах 30 и 31 формируется напряжение, уровень которого медленно меняется с течением времени, на шинах 29 и 32 - импульсы, амплитуда которых при наличии нестабильностей будет изменяться в каждом периоде

Уровень сигналов на шине 29 пропорционален

5 ивых.ч- №) -А-П

флюктуациям нестабильности.длительности импульсов (временных интервалов) в каждом периоде следования.

Уровень сигнала ивыу.г- D( на шине 31 и&ых. на шине 32 U

ьых

,4etf.

В режиме измерения нестабильности интервала между фронтами импульсов различных последовательностей, когда величина интервала превышает время задержки в эталонном элементе 17 задержки, переключатель 11 подключает выход дифференцирующего трансформатора 10 к входу усилителя-ограничителя 12.

Импульсы одной последовательности подаются на шину 27 устройства, а импульсы другой последовательности - на шину 28 (фиг.Эа, б, в, г)-.

Функции,. выполняемые ограничителями 8 и 9, те же, что и выполняемые ограничителями 1 и 2,

На выходе триггера 13 формируются импульсы, абсолютная величина нестабильности которых равна величине нестабильности временного интервала между фронтами двух соседних импульсов исследуемых последовательностей на заданных уровнях измерения (фиг. 9к).

В остальном работа устройства аналогична работе в режиме измерения нестабильности длительности импульсов, превышающих время задержки в эталонном элементе 17 задержки (фиг.2-7).

Режимы измерения нестабильности длительности импульсов, соизмеримой с временем задержки в эталонном элементе 17 задержки., и измерения нестабильности интервала между фронтами импульсов разных последовательностей, соизмеримого с временем задержк в эталонном элементе 17 задержки, являются частными случаями рассмотренных режимов.

Отличие состоит в том, что переключатель 7 подключает выход усилителя-ограничителя I к входу триггера 13 и исключает из работы регулируемый элемент 5 задержки.

В режиме измерения нестабильности периода межцу импульсами коммутатор соединяет выхоа усилителя-ограничителя k с вторым входом триггера 13,

5

0

5

0

5

0

5

0

5

а переключатель 7 подключает выход регулируемого элемента 5 задержки к входу триггера 15. Исследуемая последовательность импульсов пода- v ется на шину 27 устройства.

Эпюры входной последовательности импульсов и импульс, сформированный на выходе триггера 13, приведены на фиг.За, б, в, г, д, е.. В остальном работа устройства в рассматриваемом режиме аналогична работе в режиме измерения нестабильности длительности импульсов, превышающих время задержки в эталонном элементе 17 задержки (фиг. 2-7).

Изобретение позволяет измерять математическое ожидание, флюктуацию и дисперсию нестабильности длительности временных интервалов.

Формула изобретения

tfn «

Устройство для измерения нестабильности временных интервалов, содержащее два ограничителя сверху, два ограничителя снизу, два дифференцирующих трансформатора, два уси- лителя-ограничителя, два переключателя, коммутатор, регулируемый элемент задержки, два триггера, вычитатель, сумматор, два интегратора , эталонный элемент задержки, расширитель, две входные и одну выходную шину, причем первая входная шина через первые последовательно соединенные ограничители сверху и снизу подключена к входу первого дифференцирующего трансформатора, первый выход которого через первый усилитель-ограничитель соединен с первым входом коммутатора, первым входом переключателя и входом регулируемого элемента задержки, выход которого подключен к второму входу первого переключателя, выход которого соединен с первыми входами первого и второго триггеров, вторая входная шина устройства через вторые последовательно соединенные ограничитель сверху и ограничитель снизу подключена к входу второго дифференцирующего трансформатора, выход которого соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого подключен к второму выходу первого дифференцирующего трансформатора, а выход соединен через

второй усилитель-ограничитель с вторым входом коммутатора, выход кото- рого подключен к второму входу первого триггера, первый выход эталон- ного элемента задержки соединен с вторым входом второго триггера, выход которого через второй интегратор подключен к второму входу вычитателя, первый вход которого соединен с вы- ходом первого сумматора, а выход подключен к входу расширителя, второй . выход которого является первым выходом устройства, отличаю щ е г е с я тем, что,.с целью ,расши- рения функциональных возможностей, в него дополнительно введены три интегратора, пороговый элемент, квад- ратор и сумматор, причем выход первого триггера через третий интегратор соединен с первым входом первого сумматора и первым входом порогового элемента, выход которогс подключен к входу эталонного элемента задержки, а второй вход соединен с первым выходом четвертого интегратора, вход которого подключен к первому выходу расширителя и первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом четвертого интегратора и третьим выходом устройства, а выход является четвертым выходом устройства, второй выход расширителя через последовательно соединенные квадратор и пятый интегратор подключен к второму выходу устройства, а второй выход эталонного элемента задержки через первый интегратор соединен с вторым входом первого сумматора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения статистических характеристик последовательности импульсов. Цель изобретения - расширение функциональных возt можностей - достигается введением в устройство интегратора 18, порогового элемента 21, интегратора 23, квадратора 24, интегратора 25 и сумматора 26. Кроме того, устройство содержит ограничитель 1 сверху, ограничитель 2 снизу, дифференцирующий трансформатор 3, усилит ель-ограни-, читель 4, регулируемый элемент 5 задержки, коммутатор 6, переключатель- 7, ограничитель 8 сверху, ограничитель 9 снизу, дифференцирующий трансформатор 10, переключатель 11, усилитель-ограничитель 12, триггер 13, вычитатель 14, сумматор 15, ин° тегратор 16, эталонный элемент 17с задержки, интегратор 3, триггер 20, «- расширитель 22. 10 ил./Л

29

&«./. -#WA#«rj

фиг.

88691

J. y J,

.л Ттт11г Г

ГТП

0 + &ГтОХ Фиг Ю

yi 0м