Стробоскопический преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G01R13/22 G01R25/04 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения уровней напряжения сигналов, фазовых соотношений и формы входных гармонических сигналов нано- и пикосекундного диапазонов, преобразо- ванных в промежуточный сигнал, в осциллографии, метрологии, системах контроля, а также в качестве преобразователя временного масштаба.

Известен стробоскопический преобразователь электрических сигналов, который стробирует входной сигнал, запоминает значение простробированного сигнала, второй раз стробирует и запоминает его и выдает значение сигнала посредством аналого-цифрового преобразования (АЦП). Сигнал приходит на первый вход первого ключа, выход которого соединен через первое запоминающее устройство (ЗУ) и первый усилитель памяти с первым входом

второго ключа, выход второго ключа соединен через второе ЗУ и второй усилитель памяти с входным усилителем, выход которого через АЦП соединен с выходом устройства, а вход синхронизации устройства соединен с первым входом дискриминатора, выход которого соединен с формирователем, первый выход которого через формирователь интервала запрета соединен с вторым входом дискриминатора, а его второй выход подключен к генератору пилообразного напряжения, первый выход которого подключен к первому входу компаратора, а второй выход через счетчик импульсов подключён к первому входу ЦАПД второй вход которого соединен с входом программы задержки, а .выход ЦАП через буферный усилитель соединен с вторым входом-компаратора, выход которого подключен к входам первого и второго генераторов строб-импульсов, причем выходы первого

Ч|

чэ

сл

ЧУ

чэ

генератора строб-испульсов соединены с вторым и третьим входами второго ключа.

Это устройство имеет погрешность преобразования в динамическом диапазоне амплитуд и ограниченный снизу динамический диапазон входных сигналов вследст- вне воздействия на запоминающие устройства широкополосной помехи от строб-импульсов с большой амплитудой от обоих формирователей строб-импульсов, которая производит паразитный дозатор конденсаторов ЗУ.

Известно также устройство для калибровки уровней высокочастотных и сверхвысокочастотных гармонических сигналов, где используется двухканальный строб-преобразователь, за счет чего увеличена точность установки уровня напряжения в частотном и динамическом диапазонах. В устройстве входом преобразователя является вход первого развязывающего аттенюатора, подключенного выходом к одному из входов первого строб-преобразователя, другой вход которого соединен с выходом первого формирователя строб-импульсов, а выход первого строб-преобразователя через первый элемент памяти подключен к первому буферному каскаду, причем сигнал синхронизации подается на первый вход блока автоматической подстройки фазы 90°, выход которого соединен с входом первого формирователя строб-импульсов, при этом второй и третий входы блока автоматической подстройки фазы 90° подключены соответственно к выходу устройства и выходу первого формирователя строб-импульсов, а первый вход блока автоматической подстройки фазы 270° подключен к первому входу блока автоматической подстройки фазы 90°, второй вход - к входу преобразователя, а выход - к входу второго формирователя строб-импульсов, выход которого соединен с третьим входом блока автоматической подстройки фазы 270° и первым входом второго строб-преобразователя, другой вход которого через дополнительный развязывающий аттенюатор соединен с входом преобразователя и через последовательно, соединенные элемент памяти и буферный каскад подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу первого буферного каскада, а выход блока .вычитания через делитель постоянного напряжения на два соединен с выходом преобразователя. Данное устройство имеет большую погрешность в нижней части динамического диапазона входных сигналов из-за воздействия на запоминающие устройства широкополосной помехи от формирователей

строб-импульсов. Она производит паразитный дозаряд запоминающих устройств строб-преобразователей, что резко увеличивает погрешность переноса амплитуды

строб-преобразователем при малых величинах входного сигнала,

Наиболее близким к предлагаемому является стробоскопический преобразователь, используемый в амплифэзометре ФК

0 2-12, структурная схема которого представлена на фиг. 1. В устройстве вход исследуемого сигнала соединен с первым входом ключа 1, выход которого подключен к первому входу ЗУ 2, выход которого через усили5 тель 3 обратной связи соединен с выходом устройства, входом согласующего усилителя 5, входом аттенюатора 4 обратной связи, выход которого подключен к второму входу ЗУ 2, а выход согласующего усилителя 5

0 соединен с вторыми входами первого 7 и второго 6 сумматоров, выход первого сумматора 7 подключен к третьему входу ключа, а выход второго сумматора 6 - к второму входу ключа, первые входы первого и второт

5 го сумматоров подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя 8 строб-импульсов, вход которого соединен с выходом схемы 9 стабилизации частоты стробирования, а на вход схемы 9

0 стабилизации частоты стробирования сигнал приходит с выхода устройства, кроме того, на третьи входы первого и второго сумматоров поступают запирающие напряжения +ЕЗ и -ЕЗ. .

5 Принцип работы данного устройства заключается в том, что из сигнала синхронизации, являющегося входным сигналом схемы стабилизации промежуточной частоты, формируется перепад напряжения с коротким

0 фронтом и из него получаются два коротких разнополярных импульса Us+(t) и Us--(t). поступающих соответствен но на первый и второй сумматоры, на третьи входы которых подаются запирающие напряжения -Ез и

5 +Ез. Запирающие напряжения постоянно удерживают в закрытом состоянии ключ (мостовой), который открывается только на время действия строб-импульсов Us+W и Us-(t)- В это время считывается мгновенное значе- .

0 ние исследуемого сигнала и запоминается ЗУ, Так как заряд ЗУ происходит не более чем на 20% от значения сигнала в точке считывания, напряжение от ЗУ усиливается усилителем обратной связи и через регули5 руемый аттенюатор обратной связи и доза- ряжает ЗУ таким образом, что значение напряжения на его выходе и выходе усилителя обратной связи становится равным значению исследуемого сигнала в точке считывания и поддерживается таким до прихода следующего строб-импульса. Кроме этого, выходной сигнал строб-преобразователя приходит на схему стабилизации частоты стррбирования, а также через согласующий усилитель подается на вторые входы первого и второго сумматоров, смещая значения напряжений, запирающих ключи, что позволяет устранить асимметрию мострвого ключа во время действия следующего строб-импульса. Асимметрия возникает за счет напряжения, имеющегося на ЗУ.

Но данноеустройство имеет существенный недостаток из-за большой мощности паразитной широкополосной помехи, возникающей при формировании строб-импульса Б формирователе. Воздействие широкополосной помехи заключается в том, что на ЗУ строб-преобразователя с обратной связью (СПОС) за счет наводки всегда присутствует паразитный строб-импульс, который производит дозаряд конденсатора ЗУ. Воспользовавшись интегралом Дюаме- ля при заданных параметрах паразитного импульса Umsn, т$, fs,(Z, описываемого выражением

,(

U5nf«-U

msnl

tHt.|

es/2 I )

,

можно определить величину паразитного напряжения на ЗУ и величину ступеньки Ak(t) на выходе СПОС: .:

, -

Ak-W-SWM(k --oxoc(-KocV 5.0).

««k-Wt -))V-

.e-u5/ y 5/4 3a +Ak ( (2)

Выражения (1) и (2) рекуррентны. Функция Usn(t) периодическая, имеет конечное число скачков за период и может быть разложена в ряд Фурье. Первая гармоника сигнала промежуточной частоты

1)пч(1) Bl Sin ftM4t + Cl COS OVint,

Выделяя первую гармонику сигнала промежуточной частоты из ступенчатой кривой при Umsn 0, для которой

Ак 2 Uc(tok-rs/2) k 1

(Р - число точек считывания), получают относительную погрешность за счет указанной-составляющей:

д (и пч/ипч - 1).

По результатам расчета на ЭВМ получены значения погрешности в зависимости от Uc, fs, ЯЗУ i Р. Например, при Ос 10 мВ,

Umsn 100мВ,Г5 100 ПС, ГЗУ 65ПС, ,

погрешность достигает величины 6,4%.

Целью изобретения является повышение точности преобразования напряжения 5 в нижней части динамического диапазона входных сигналов путем исключения влияния широкополосной импульсной помехи.

Поставленная цель достигается тем, что в строб-преобразователь, содержащий

0 ключ, первый вход которого соединен с входом исследуемого сигнала, а выход подключен к первому входу запоминающего устройства, выход которого через усилитель обратной связи соединен с выходом строб5 преобразователя, входом схемы стабилизации частоты стробирования, входом согласующего усилителя, входом аттенюа-, тора, обратной связи, выход которого подключен к второму входу запоминающего

0 устройства, а выход согласующего усилителя соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, причем выход первого сумматора подключен к второму входу ключа, а выход второго сумматора подключен к

5 третьему входу ключа, выход схемы стабилизации частоты стробирования соединен с входом формирователя строб-импульсов, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго

0 сумматоров соответственно, а на их третьи входы подаются запирающие отрицатель- ное и положительное напряжения соответственно, дополнительно введены вторые ключ, запоминающее устройство, формиро5 ватель строб-импульсов, а также согласую-, щий усилитель-инвертор, электронно-управляемый фазовращатель, первый и второй интеграторы, первый, второй и третий фильтры промежуточной частоты, подстро0 ечный фазовращатель, первый и второй фазовые детекторы, усилитель-ограничитель, третий и четвертый смесители, подстраиваемый генератор,делитель частоты, опорный генератор, причем вход исследуемого сиг5 нала подключен к второму входу четвертого смесителя и первому входу второго ключа, выход которого через .второе запоминаю- : щее устройство и согласующий усилитель- инвертор соединен с четвертыми входами

0 первого и второго сумматоров, а выход опорного генератора подключен через делитель частоты и третий фильтр промежуточной частоты к второму входу второго фазового детектора, а выход подстраивае5 мого генератора подключен через электронно-управляемый фазовращатель к входу второго формирователя строб-импульсов, первый и второй выходы которого соединены с вторым и третьим входами второго ключа соответственно и соответственно с первым и вторым входами третьего смесителя, третий вход которого соединен с первым входом четвертого смесителя и также выходом подстраиваемого генератора, причем вход управления подстраиваемого генератора соединен с выходом второго фазового детектора через второй интегратор, выход четвертого смесителя подключен через усилитель-ограничитель, вторй фильтр промежуточной частоты к второму входу первого фазового детектора и первому входу второго фазового детектора, а выход третьего смесителя через первый фильтр промежуточной частоты, подстроенный фазовращатель соединен с первым сходом первого фазового детектора, выход которого через первый интегратор подключен к входу управления электронно-управляемого фазовращателя, кроме того на второй и третий . вход второго ключа подаются соответственно отрицательное -Ез и положительное +Ез запирающие напряжения. .

В предлагаемом устройстве уменьшена амплитудная погрешность строб-преобразователя в динамическом диапазоне из-за воздействия широкополосной помехи на ЗУ, что достигается путем введения второго канала, где стробируется исследуемый сигнал в точках перехода через ноль с частотой, много большей, чем частота стробирования в первом канале, и ошибка считывания сигнала за счет паразитного дозаряда ЗУ с обратным знаком вводится в сумматоры первого канала, что вносит дополнительную асимметрию напряжений, прикладываемых к первому ключу, за счет чего и происходит устранение ошибки.

На фиг, 2 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя.

Стробоскопический преобразователь гармонических сигналов содержит ключ 1, который первым входом соединен с входом исследуемого сигнала, с первым входом второго ключа 2 и вторым входом четвертого смесителя 3, а выход первого ключа 1 соединен с первым входом ЗУ 4, выход которого через усилитель 5 обратной связи соединен с выходом устройства, входом первого согласующего усилителя 6 и входом аттенюатора 7 обратной связи, выход которого соединен с вторым входом ЗУ 4, выход первого согласующего усилителя 6 соединен с вторыми входами первого 8 и второго

9сумматоров; выход устройства через схему

10стабилизации частоты стробирования соединен с входом первого формирователя 11 строб-импульсов, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора 8, а второй выход - с первым входом

второго сумматора 9, и на третьи входы обоих сумматоров приходит запирающее напряжение, на первый сумматор 8 отрицательное -Ез, на второй сумматор 9

положительное +Ез, а выход второго ключа 2 через второе ЗУ 12 и согласующий усилитель-инвертор 13 соединен с четвертыми входами первого 8 и второго 9 сумматоров, первый выход второго формирователя 14

0 строб-импульсов соединен с вторым входом второго ключа 2 и первым входом третьего смесителя 15, а второй выход второго формирователя 14 строб-импульсов соединен с третьим входом второго ключа 2 и вторым

5 входом третьего смесителя 15. вход второго формирователя 14 строб-импульсов соединен с выходом электронно-управляемого фазовращателя 16, управляющий вход которого соединен через первый интегратор 17

0 с выходом первого фазового детектора 18, первый вход которого через подстраиваемый фазовращатель 19 и первый фильтр 20 промежуточной частоты соединен с выходом третьего смесителя 15, а второй вход

5 первого фазового детектора 18 соединен с первым входом второго фазового детектора 21, а-также через второй фильтр 22 промежуточной частоты (ФПЧ) и усилитель-ограничитель 23 - с выходом четвертого смесителя

0 3, первый вход которого соединен с третьим входом четвертого смесителя 15 и выходом подстраиваемого генератора 24, вход управления которого соединен через второй интегратор 25 с выходом второго фазового

5 детектора 21, второй вход которого соединен через третий фильтр 26 промежуточной частоты и делитель 27 частоты с выходом опорного генератора 28, выход подстраиваемого генератора 24 также соединен с вхо0 дом электронно-управляемого фазовращателя 16, на второй вход второго ключа 2 приходит отрицательное запирающее напряжение -Ез, а на его третий вход приходит положительное запиракж1ее

5 напряжение +Ез.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии строб-импульсов на втором и третьем входах первого ключа 1 этот

0 ключ заперт за счет напряжений запирания -Ез и +Ез. В момент прихода строб-импульсов на первый ключ 1 через сумматоры 8 м 9 он открывается и первое ЗУ 4 заряжается мгновенным значением исследуемого сиг5 нала до величины 20-30% от его значения. Запомненное напряжение усиливается усилителем 5 обратной связи и далее дозаряжа- ет первое ЗУ 4 до значения исследуемого сигнала в точке считывания, что обеспечивается соответствующей установкой ослабления аттенюатора 7 обратной связи. Такая обратная связь также поддерживает неизменным напряжение на первом ЗУ 4 между моментами стробирования. Это же напряжение через согласующий усилитель 6 подается на первый 8 и второй 9 сумматоры, где образует подставку напряжения для положительного и отрицательного строб-импульсов соответственно, что позволяет устранить асимметрию ключа 1 в следующий момент стробирования. Асимметрия возникает из-за хранящегося в ЗУ 4 напряжения. Сигнал промежуточной частоты frm с выхода устройства поступает на схему 10 стабилизации частоты стробирования, где он стабилизируется по боковой частоте и фазе, после чего поступает на вход формирователя 11 строб-импульсов, где формируются короткие разнополярные импульсы. Поступая на первые входы сумматоров 8 и 9, эти импульсы смещаются на соответствующий уровень напряжения и производят стробирование исследуемого сигнала. Кроме того, в устройстве существует второй канал, в котором происходит стробирование входного сигнала в момент перехода гармонического входного сигнала через ноль от отрицательной полуволны к положительной.

С приходом строб-импульсов на закрытый напряжениями запирания -Ез и +Ез второй ключ 2, он открывается и происходит стробирование входного сигнала в момент перехода его через ноль. Для этого к входу устройства подключена система автоподстройки фазы (АПФ) на 0°, выходом подключенная к входу второго формирователя 14 строб-импульсов.

Система АПФ работает следующим образом.

Сигнал с первого подстраиваемого генератора 24 приходит на четвертый смеситель 3, на второй вход которого приходит входной сигнал, а с выхода сигнал промежуточной частоты системы АПФ fnnAno через усилитель-ограничитель 23 и фильтр ФПЧ 22 поступает на фазовый детектор 18. Здесь он сравнивается по фазе с сигналом промежуточной частоты второго канала системы АПФ. Во втором канале сигнал промежуточной частоты получается на выходе смесителя 15 как разностный между сигналом подстраиваемого генератора 24 и одной из гармоник строб-импульса системы АПФ. Подстроечный фазовращатель 19 (на пассивных элементах) служит для начал ьной ус- тановки фазы (по необходимости) при введении системы АПФ в режим слежения. Сигнал ошибки с выхода фазового детектора 18 усиливается интегратором 17 и управляет электронно-управляемым фазовращателем 16 таким образом, что стробирование входного сигнала во втором канале происходит в точке перехода через ноль. При не- 5 совпадении строб-импульсов и ноль-переходов на выходе фазового детектора 18 появляется сигнал ошибки, воздействующий на электронно-управляемый фазовращатель 16 через интегратор 17 та- 10 ким образом и знаком, что строб-импульс подтягивается в точку ноль-перехода сигнала, при этом сигнал ошибки становится равным нулю. Частота подстраиваемого генератора 24 больше частоты стробирова5 ния в основном канале: fnr fs. За счет этого на выходе второго ЗУ 12 всегда установлено напряжение, которое состоит из мгновенно-, го значения сигнала (а оно равно нулю) и паразитного сигнала, возникающего за счет

0 дозаряда конденсатора ЗУ 12 импульсной широкополосной помехой от второго формирователя 14 строб-импульсов. Это напряжение ошибки инвертируется согласующим усилителем 13, имеющим коэффциент пере5. дачи, равный единице, и вводится в сумматоры 8 и 9 основного канала, где смещает начальные уровни строб-импульсов так, что дозаряд конденсатора ЗУ 4 в момент считывания входного сигнала изменяется на вели0 чину ошибки с противоположным знаком, и

компенсирует влияние импульсной широко полосной помехи от первого форм.ирователя 11 строб-импульсов на первое ЗУ 4.

Сигнал с выхода опорного генератора 28

5 делится по частоте делителем 27 до необходимого значения 0,5-2 МГц и через фильтр 28 поступает на второй фазовый детектор 21, где сравнивается по частоте и фазе с промежуточной частотой ГПЧАПФ системы

0 АПФ. С его выхода сигнал ошибки усиливается вторым интегратором 25 и поступает на управляющий вход подстраиваемого генератора 24, управляя его частотой и фазой так, что при любой частоте входного сигнала

5 устройства величина частоты ТПЧАПФ фиксирована и стабильна. Этим обеспечивается работы устройства (и системы АПФ) во всем непрерывном диапазоне частот входного сигнала.

0 .Положительный эффект состоит в уменьшении погрешности при переносе на сигнал промежуточной частоты .амплитудной информации в динамическом диапазоне входного сигнала. Погрешность

5 предлагаемого устройства определяется амплитудной погрешностью первого строб- преобразователя в динамическом диапазоне входного сигнала из-за нелинейности амплитудной характеристики его смесителя: увеличение коэффициента формы стробимпульса в устройстве от 1 до 3 делает эту погрешность менее 0,05%; погрешностью из-за нестабильности временного положения строб-импульса:, система АПФ отрабатывает установку угла фазового сдвига в 0° с погрешностью 0,1-0,2° и при частоте входного сигнала до 1 ГГц и нижней границе динамического диапазона 1 мВ погрешность не более 0,26%; амплитудно-частотной погрешностью ,из-за конечной длительности строб-импульсов: при длительности строб-импульса TS 70 пс в частотном диапазоне до 1 ГГц, погрешность не превышает 0,4%; неидентичностью формирователей строб-импульсов в каналах: формирователи строб-импульсов; выполненные в интегральном исполнении, высокоидентичны, погрешность за счет неидентичности строб-импульсов в этом случае не превышает 0,2%.

Таким образом, суммарная погрешность не превышает 0,77% при доверительной вероятности 0,99 в частотном диапазоне до 1 .ГГц (5Хсист/Р 0,99 . 1.4 ЈSuwa)- Суммарная погрешность у известного устройства достигает величины 6,4% в нижней части динамического диапазона в области высоких частот входного сигнала.

Формула изобретения Стробоскопический.преобразователь, содержащий первый ключ, первый вход которого соединен с входом исследуемого сигнала, а выход подключен к первому входу первого запоминающего устройства, выход которого через усилитель обратной связи соединен с выходом строб-преобразователя, входом схемы стабилизации частоты етробирования, входом согласующего усилителя, входом .аттенюатора обратной связи, выход которого подключен к второму входу первого запоминающего устройства, а выход согласующего усилителя соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, причем выход первого сумматора подключен к второму входу первого ключа, а. выход второго сумматора подключен к .третьему входу первого ключа, выход схемы стабилизации частоты етробирования соединен с входом первого формирователя строб-импульсов, первый м второй выходы

которого соединены с первыми входами первого и второго сумматоров соответственно, а на их третьи входы подаются запирающие положительное и отрицательное

напряжения соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены вторые ключ, запоминающее устройство, формирователь строб-импульсов, а также

согласующий усилитель-инвертор, электронно-управляемый фазовращатель, первый и второй интеграторы, три фильтра промежуточной частоты подстроечный-фазовращатель, два фазовых детектора, усилитель-ограничитель, третий и четвертый смесители, подстраиваемый генератор, делитель частоты, опорный генератор, причем вход исследуемого сигнала подключен к второму входу четвертого смесителя и к первому входу второго ключа, выход которого через второе запоминающее устройство и согласующий усилитель-инвертор соединен с четвертыми входами первого и второго сумматоров, а выход опорного генератора

подключен через делитель частоты и третий фильтр промежуточной частоты к второму входу второго фазового детектора, а выход подстраиваемого генератора через электронно-управляемый фазовращатель к входу

второго формирователя строб-импульс.ов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами второго ключа, выходы второго формирователя строб-импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами третьего смесителя, третий вход которого соединен с первым входом четвертого смесителя и выходом подстраиваемого генератора, причем вход управления подстраиваемого генератора соединен с выходом второго фазового детектора через второй интегратор, выход четвертого смесителя подключен через усилитель-ограничитель, второй фильтр промежуточной частоты

к второму входу первого фазового детектора, а выход третьего смесителя через первый фильтр промежуточной частоты, подстроечный фазовращатель соединен с первым входом фазового детектора, выход0 которого через первый интегратор подключен к входу управления электронно-управляемого фазовращателя.

YBxod

Li

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения уровней напряжения сигналов, фазовых соотношений и формы входных гармонических сигналов нано- и пикрсекундных диапазонов, преобразованных в промежуточный сигнал, в осциллографии, метрологии, Системах контроля. В стробопреобразователе повышена точность преобразования напряжения и угла фазового сдвига путем устранения влияния наводки от широкополосной помехи при формировании строб импульсов путем вновь введенного канала стробирования с высокой частотой ноль-переходов исследуемого сигнала и с помощью выделенного сигнала ошибки смещения уровня стробирования исследуемого сигнала. 2 ил.

Фие.1