Измеритель переходных характеристик Советский патент 1992 года по МПК G05B23/02 

ФиЈ2

Х|

го со ел ( со

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использо- вано для исследования и контроля динамических свойств управляемых частотных устройств и систем, к которым относятся, например, управляемые кварцевые генераторы и радиотехнические системы на их основе.

Известен измеритель динамических характеристик, содержащий формирователь импульсов, делитель частоты, синхронизатор, регистратор, коммутатор, сумматор и дифференциатор.

Недостатком такого технического решения является низкая точность восстановления функции переходного процесса установления частоты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является измеритель переходных характеристик, содержащий первый, второй и третий формирователи импульсов, N делителей, узел переключения, узел сброса, N RS-триггеров, N элементов И, два элемента ИЛИ, последовательно соединенные коммутатор и сумматор, последовательно соединенные синхронизатор и регистратор, а также две входные и одну выходную шину, которая подключена к выходу синхронизатора, а первая входная шина через первый форми- роатель импульсов соединена с первыми входами делителей, выход третьего формирователя импульсов соединен с входом узла сброса и первым входом узла переключения, второй вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, каждый из N выходов узла сброса подключен к второму входу соответствующего делителя и к первому входу соответствующего RS-триггера, второй вход каждого RS-триг- гера подключен к выходу соответствующего делителя, первые входы элементов И подключены к выходам соответствующих RS- триггеров и соответствующим входам второго элемента ИЛИ, выход которого через второй формирователь импульсов соединен с первым входом коммутатора, выходы элементов И соединены каждый с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход сумматора подключен к второму входу регистратора, вторая входная шина соединена с входом третьего формирователя импульсов, выход узла переключения подключен к вторым входам элементов И.

Недостатками известного технического решения являются малая точность измерений, обусловленная значительной погрешностью квантования, а также сложность его конструктивной реализации.

Рассмотрим алгоритм преобразования отклонения периода или частоты от номинального значения в последовательность отсчетов напряжения при помощи известного измерителя. Он протекает следующим образом.

В один и тот же момент времени из п0

импульсов опорной частоты fo , следующих с периодом То , начинают формировать интервал опроса tonp - ПоТо , а из пх импульсов исследуемой частоты fx, следующих с периодом Тх, - исследуемый интервал tx hxTx.

Формируют измерительный интервал Ти ПхТх - ПоТо, который коммутирует импульсы опорной частоты.

Количество коммутируемых импульсов NK WTo (tx-t0)/T0 преобразуют в напряжение Увых, причем каждому коммутируемому импульсу соответствует приращение напряжения на шаг квантования Ли, т.е. Увых (tx-to) A U /То (ПхТх - -ПоТо1) -Ли/То .

Точность измерения интеррала т,и определяется, в основном, погрешностью квантования. Эта погрешность ограничивает разрешающую способность измерителя по периоду ЛТР или частоте Afp, которая

определяется из очевидного условия

Увых Увых AU и с учетом соотношения

Afp ЛТр|/(Тхо2 + Тхо -ЛТр1 ) (1) равна Afp fxo/(tonp fo + Т),

Сложность конструктивной реализации обусловлена необходимостью применения многоразрядных делителей с переменным коэффициентом деления с соответствующи- ми схемами управления. Так, например, при tonp 1с, fo1- 100 МГц, двоично-десятичные делители с переменным коэффициентом деления должны иметь 32 разряда.

Цель изобретения - повышение точно- сти и упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что усовершенствуется измеритель переходных характеристик, содержащий три формирователя импульсов, два элемента И, триггер, комму- татор, индикатор, синхронизатор, две входные и одну выходную шины,причем первая и вторая входные шины соединены с входами соответственно первого и второго формирователей импульсов, вход синх ро- низации индикатора соединен с выходом синхронизатора и с выходной шиной.

Отличительными существенными признаками измерителя переходных характеристик являются два элемента задержки и

блок памяти, выход первого формирователя импульсов подключен к первым входам первого и второго элементов И, выход второго формирователя импульсов подключен к второму входу первого элемента И и через первый элемент задержки - к второму входу второго элемента И, выходом соединенного с R-входом триггера, S-вход которого подключен к выходу первого элемента И и к счетному входу коммутатора, инверсный выход триггера подключен к входу третьего формирователя импульсов, выход которого подключен к управляющему входу блока памяти и через второй элемент задержки - к входу установки коммутатора, а выход коммутатора подключен к информационному входу блока памяти, выходом соединенного с информационным входом индикатора.

Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Для доказательства достижения цели изобретения рассмотрим процесс преобразования отклонения периода или частоты от номинального значения в последовательность отсчетов напряжения, который протекает следующим образом.

Из импульсов исследуемой частоты fx формируют последовательность исследуемых импульсов калиброванной длительности Ti (фиг.Ча).

Из импульсов опорной частоты fo. значение которой должно удовлетворять условию

f0 fxo+ Afy,(2)

где fxo - номинальное (начальное) значение исследуемой частоты;

/ Afy - требуемое значение частоты ус- реднения,

формуют последовательность опорных импульсов калиброванной длительности Т0 (фиг.1в). . ... -..

Осуществляют логическое умножение сформированных последовательностей исследуемых и опорных импульсов. В результате этого и при выполнении условия

(Го+п) А Т.(3)

где А Т (Тх-То) (fo-fx)/fxfo - разность периодов следования исследуемых Тх и опорных Т0 импульсов, образуются пакеты импульсов совпадений (фиг. 1с). Количество импульсов в пакете определяется соотношением. N (r0+n)--fx -foAfo-fx). (4)

Пусть исследуемая частота изменяется по закону

fx fxo±Afx,(5)

где Afx - девиация частоты, подлежащая измерению, тогда выражение (4) с учетом (2), (5) преобразуется к виду

N (га. + п) (fxo ± Afx) (fxo + Afy) / / (Afy ± Afx).(6)

Измерители переходных характеристик для повышения их разрешающей способности обычно используют с компараторами частотными, например типа 47-12, выходная частота которых имеет стандартное значение 1 МГц. Требуемые частоты усреднения не превышают десятков-сотен герц, т.е. можно утверждать, что fxo Afx. fxo Afy.

Поэтому с целью упрощения математических выкладок выражение (6) представим в виде

N (Г0 + П) fxb/(Afy + Afx) , (7)

20

откуда

Afy±Afx(r0+ri) -fxo2/N, (8)

или

IW-Uo/N,

(9)

где

ивых К (Afy ± Afx); U0 K v(r0 -ЬП) -fxo2; К-коэффициент пропорциональности, учитывающий преобразование девиации частоты в напряжение.

Для сравнения метрологических характеристик прототипа и заявляемого измерителя, оценим основные составляющие погрешности последнего; погрешности, обусловленные квантованием, помехами на входе, нестабильностями образцовой частоты, длительностей калиброванных импульсов, порогов формирователей и характеристик поступающих на их входы сигналов. Погрешность измерения переход- ного процесса оценивается по одной его реализации. Поэтому эта погрешность определяется как сумма максимальных значений всех составляющих.

Рассмотрим эти составляющие. 1. Погрешность от квантования. Она обусловлена случайным характером расположения переднего фронта импульса измеряемой частоты относительно переднего фронта импульса опорной частоты и, как у любого цифрового прибора, равна

ДМкв ±1.(Ю)

Абсолютное значение погрешности квантования по частоте находим из условия

N , которая с учетом (5), (7) равна

(r0+n)-fL+Afy. (11) 2. Погрешность из-за помех на входе. Она возникает вследствие разброса за счет действия помех моментов срабатывания Ate

порогового устройства при формировании импульсов калиброванной длительности и может быть записана в виде

Ate- ДЦ, 1/(2 V5.jr-f.. U), v где AUn1 - напряжение помех на входе измерителя.

За время существования пакета совпадений центр каждого из импульсов пакета равномерно перемещается относительно центров, например, калиброванных импульсов исследуемой частоты с шагом в r/N Г0 А ту/(тъ + П) fxo2, (12)

Поэтому погрешность из-за помех на входе, выраженную в коде, можно записать в виде

Лм - At{ - )-fxo v. AN - -2vT .f tb-Afy-X

да

U

(13)

В качестве источника опорной частоты используют стандарт или синтезатор частоты, поэтому можно утверждать, что

A Un /U x Д Unl/U o и, следовательно,

. . (14)

3. Погрешность из-за кратковременной нестабильности частоты. В процессе измерения опорная частота считается постоянной, поэтому любое ее изменение приводит к погрешности измерения исследуемой частоты. Эта погрешность может быть записана в виде

Д Мкнч а f0/A fp а f0 (r0 + TI) X

xfxoz+ Afyl/Afy i

(15)

где а - относительное значение кратковременной нестабильности частоты.

4.Погрешность из-за нестабильности длительностей калиброванных импульсов. Она обусловлена изменением длительностей калиброванных импульсов в процессе измерений и равна

A N (оо г0 + а n)/0 (OQ г0 + «1 п)х

х(То+П).ТХо/(Го Afy),(16)

где Оа,а - относительное значение неста- бильностей длительностей соответственно опорных и исследуемых импульсов.

5.Погрешность из-за стабильностей порогов срабатывания и характеристик входного сигнала. Момент срабатывания порогового устройства tcp определяется из условия

Un Um sin (2 л: f tcp). где Un - номинальное значение напряжения срабатывания;

Um максимальное значение входного напряжения, и равен

tcp arcsin(Un/Um)/(2 тгг), а его максимальная нестабильность Atcp (AUn+ Un -AUm/Urn)/

/(2ttfVUm2-Un2).

Эта погрешность, выраженная в коде, равна

дмс-AJЈ

(Г0 +П) -fxo

6

X

ajrfroAfy.Vu.u

х(ди +

Un -AUmx Um }

(17)

5

Поскольку A Umx A Umo, так как стабилизация частоты невозможна без стабилизации амплитуды, то можно считать, что ДМсх .(18)

0. Проведем оценку всех составляющих погрешности на конкретном примере.

Пусть Т0 TI f0 1001000 Гц; fxo 1000000 Гц; Afy 1000 Гц; Дип /и Ю 4; «1 10 3; Un В; Um 2B;AUm 102

Оо 10

v3

-10 3; а 10 8;

5 -0.005 В; AUn .10 В.

Тогда в.соответствии с (13)-(18) ANnx

0,2; Д Мкнч 2. A Ntf 0,2; Д Мсх 0,15.

Анализ полученных результатов по0 казывает, что погрешность квантования значительно превышает остальные составляющие, которые к тому же могут быть уменьшены ужесточением требований к параметрам входных сигналов и отдельных уз5 лов измерителя. Поэтому можно считать, что разрешающую способность измерителя ограничивает в основном погрешность квантования.

Сравнение результатов расчета по со0 отношениям (1) и (11) показывает, что при прочих равных условиях заявляемый измеритель имеет в 20 раз большую разрешающую способность (при f0 10 МГц, т.е. при построении измерителей, например, на

5 микросхемах 155 серии).

Таким образом, в заявляемом измерителе отклонение периода или частоты от номи- нального значения преобразуется в последовательность отсчетов напряжения

0 (фиг.Тр, фиг.4), следующих с заданной частотой усреднения. Повышение точности достигается увеличением разрешающей способности.

На фиг.1 приведены временные диаг5 раммы, поясняющие процесс преобразования девиации периода или частоты в последовательность отсчетов напряжения; на фиг.2 приведена функциональная схема заявляемого измерителя; на фиг.З приведена функциональная схема ЦАП; на фиг.4

приведена восстановленная временная функция частотно-переходного процесса.

Измеритель переходных характеристик содержит первый 1 и второй 2 формирователи импульсов, синхронизатор 3, первый элемент 4 задержки, первый 5 и второй б элементы И. триггер 7, второй элемент 8 задержки, третий формирователь 9 импульсов, коммутатор 10, блок 11 памяти, индикатор 12, первую 13 и вторую 14 входные шины и выходную шину 15.

В предлагаемом измерителе элементы соединены следующим образом.

Выход второго формирователя 2 импульсов подключен к входу первого элемента 4 задержки и к второму входу первого элемента И 5, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя 1 импульсов и с первым входом второго элемента И 6, второй вход которого подключен к выходу первого элемента 4 задержки, S- и R-входы триггера 7 подключены к выходам соответственно первого 5 и второго 6 элементов И, вход второго элемента 8 задержки соединен с выходом третьего формирователя 9 импульсов, инверсный выход триггера 7 соединен с входом третьего формирователя 9 импульсов, счетный вход и вход установки коммутатора 10 соединены с выходами соответственно первого элемента И 5 и второго элемента 8 задержки, управляющий и информационный входы блока 11 памяти соединены с выходами соответственно третьего формирователя 9 импульсов и коммутатора 10, управляющий и информационные входы индикатора 1.2 подключены к выходам соответственно синхронизатора 3 и блока 11 памяти, первая 13 и вторая 14 входные шины соединены с входами соответственно первого 1 и второго 2 формирователей импульсов, выходная шина 15 соединена с выходом синхронизатора 3.

Индикатор 12, как вариант, содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16 и осциллограф 17.

ЦАП 16 (фиг.З) содержит стабилитрон 18, резисторы 19-21, полевые транзисторы 22, операционный усилитель 23 и резистор 24.

Предлагаемый измеритель переходных характеристик работает следующим образом.

Перед началом проведения измерений рассчиты вают с учетом соотношения (3) длительности калиброванных импульсов исследуемой и опорной частот. Настраивают на эти длительности соответственно первый 1 и второй 2 формирователи импульсов. Значение опорной частоты должно удовлетворять величине, рассчитанной по выражению (2). Временные задержки первого 4 t3i и второго 8 t32 элементов задержки должны удовлетворять следующим соотношениям:

5Х31 «То/2; Т32 «(1,5-2) -Тзап,

где taan - время записи информации в блок 11 памяти.

Импульсы исследуемой fx и опорной f0 частоте первой 13 и второй 14 входных шин

0 поступают на входы соответственно первого 1 и второго 2 формирователей импульсов. На выходах последних формируются последовательности исследуемых импульсов калиброванной длительности ri (фиг.1а) м

5 опорных импульсов калиброванной длительности Т0 (фиг. 1 в) соответственно. Эти последовательности подаются на входы первого элемента И 5, на выходе которого образуются основные пакеты импульсов

0 совпадений (фигЛо1). Количество импульсов в пакете равно 7, оно подсчитывается коммутатором 10 (фиг. 1d,n).

Последовательность опорных импульсов задерживается на временной интервал

5 тэт (фиг.1с) и совместно с последовательностью исследуемых импульсов подается на второй элемент И 6. На выходе последнего образуются вспомогательные пакеты импульсов совпадений, которые задержаны

0 относительно соответствующих основных пакетов на временной интервал 1/2 Afy (фиг. 1е). По первым.импульсам основных пакетов триггер 7 устанавливается в единичное состояние, по первым импульсам

5 вспомогательных пакетов - в нулевое. Третьим формирователем 9 импульсов по переднему фронту сигнала на инверсном выходе триггера 7 формируется короткий импульс (фиг. 11), который переписывает в

0 блок 11 памяти информацию с выхода коммутатора 10 и через временной интервал t32 устанавливает последний в исходное состояние. В дальнейшем коммутатор 10 подсчитывает количество импульсов в очередном

5 основном пакете совпадений.

Информация с выхода блока 11 памяти поступает на индикатор 12 для визуализации (фиг.Чд),

Синхронизатор 3 осуществляет синхро0 низацию начала работы измерителя с временем подачи испытательного воздействия на исследуемый объект.

Работа отдельных сложных узлов измерителя.

5 Первый 1 и второй 2 формирователи импульсов.

Эти формирователи импульсов могут быть построены на умножителях частоты с последующим выделением определенного

количества периодов исследуемой или опорной частоты. В этом случае нестабильность длительности импульсов частоты fo определяется, в основном, кратковременной нестабильностью частоты источника опорного сигнала. А нестабильность длительности импульса частоты fx не будет более , так как при применении компаратора частотного, например типа 47-12, отклонение на его выходе частоты от номинального значения, равного 1000000 Гц, не должно превышать 1000 Гц. (Е32.721.10710. Компаратор частотный 47- 12. Техническое описание и инструкция по эксплуатации).

ЦАП 16.

Резистор 19 и стабилитрон 18 обеспечивают получение значения Оо (9), Управляемый делитель, состоящий из резисторов 20 и RJ; (резисторы 21 и полевые транзисторы 22), формирует требуемый закон изменения выходного напряжения. Так, когда на одном из вторых входов присутствует высокий потенциал, то соответствующий полевой тран- : зистор 22 открыт и резистор подключен к общей шине. При низком потенциале транзистор 22 закрыт и резистор отключен. И если номиналы резисторов, подключаемых к общей шине, соответствуют ряду R/20, R/21, R/22. ..., R/2n, то состояние вторых входов можно рассматривать как двоичное число. В этом случае

R«

1

2°/R + 21/R -Ь + ... + 2n/R R R

2°+21+22-f. ..+2 NBX

где Nex двоичное число, поступающее на вход ЦАП 16.

Коэффициент передачи управляемого делителя, подключенного к неинвертирующему входу операционного усилителя 23, равен

. KM R/(R+ )-1/(1+ Nex), На операционном усилителе 23 и резисторе 24 собран повторитель напряжения, исключающий влияние входных цепей осциллографа 17 на коэффициент передачи управляемого делителя. Выходное напряжение ЦАП 16 равно

ивых Ки-ио и0/(1 + NBX).(19)

И если входной код ЦАП 16 равен Nex М-1, что обеспечивается, например, установкой выходным импульсом второго элемента 8 задержки коммутатора 10 в

единичное состояние по выходам, то выражение (19) соответствует требуемому (9).

По сравнению с прототипом заявляемый измеритель переходных характеристик имеет следующие преимущества:

более высокую точность, обусловленную повышением разрешающей способности измерителя, последнее обстоятельство при одинаковых требованиях к разрешающей способности позволяет получить большее количество отсчетов напряжения на участке переходного процесса установления частоты:

упрощение конструктивной реализации, что обусловлено отсутствием в составе

измерителя многоразрядных делителей с

соответствующими схемами управления.

Предлагаемый измеритель частотных переходных характеристик может быть использован в автоматизированных системах

и комплексах для испытаний управляемых кварцевых автогенераторов и радиотехнических систем на их основе, а также автономно и в виде измерительного прибора. Форм у л а изобретения

Измеритель переходных характеристик, содержащий первый, второй и третий формирователи импульсов, первый и второй, элементы И, триггер, синхронизатор, индикатор, коммутатор, отличающийся тем,

что, с целью повышения точности и упрощения устройства, в него введены первый и второй элементы задержки, блок памяти, выход первого формирователя соединен с первыми входами первого и второго элементов И. выход второго формирователя соединен с вторым входом первого элемента И. а через первый элемент задержки - с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом сброса триггера, вход установки которого соединен с выходом первого элемента И и счетным входом коммутатора, инверсный выход триггера соединен через третий формирователь импульсов с управляющим входом блока памяти, а через второй элемент задержки - с входом установки коммутатора, выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход синхронизатора соединен с входом индикатора.

п п п п п

1 П Г

-- -y-Wrb- - - Чъ In. п п п trTi п п п п п „ п 1 Н гГп п п п п п п п„

Л

И П П П П JIЛ

Тх

1 П Г

Јl.

Чъ In. Л

ги

U

JM

Изобретение может быть использовано для исследования и контроля динамических свойств управляемых частотных устройств и систем. Целью изобретения является повышение точности и упрощение устройства. Измеритель переходных характеристик содержит: формирователи 1,2,9 импульсов, элементы И 5,6. триггер 7, коммутатор 10. Введение элементов 4,8 задержки, блока 11 памяти позволяет повысить точность устройства и упростить его. 4 .ил.

-уА/

А

г

/7

f

п п

v

-)JL

-jfr- .7

Фиъ.З

Фиг Л