Измеритель группового времени запаздывания Советский патент 1992 года по МПК G04F10/06 

сл

с

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения частотных характеристик группового времени запаздывания радиоустройств. Цель изобретения - повышения точности измерения. Устройство содержит дискретно-перестраиваемый генератор 1, двухфазный генератор 2, модулятор 3, клеммы 4 и 5 исследуемого объекта, коммутатор 6, аттенюатор 7, усилитель 8, детектор 9, АЦП 10, фазометр 11, генератор 12 импульсов, формирователь 13 импульсов, синтезатор 14 тактовой частоты, регистры 15 и 16 данных, регистры 17-22 управления, системную магистраль 23, блок 24 отображения, регистр 25 панели управления и микропроцессорный блок 26. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

VJ ьо

(Л 00

о

fO

Изобретение относится к области радиоизмерений, может быть использовано для измерения группового времени запаздывания (ГВЗ) радиоустройств и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 1555697.

Известен измеритель группового времени запаздывания.

Недостатками известного измерителя являются повышенное значение одной из составляющих случайной погрешности измерения, определяемой погрешностью квантования фазометра с времяимпульс- ным преобразованием при произвольных соотношениях частот квантования и сигна- ла на его входах, а также наличие погрешности, вносимой двухфазным генератором и зависящей от задаваемого фазового сдвига.

Целью изобретения является повыше- ние точности измерения.

На фиг.1 приведена структурная схема измерителя; на фиг.2 - схема синтезатора тактовой частоты; на фиг.З - структурная схема фазометра; на фиг.4 - структурная схема блока формирования измерительного цикла; на фиг.5 - временные диаграммы их работы (фиг.5).

Измеритель ГВЗ (фиг.1) содержит дискретно-перестраиваемый генератор 1 и двух- фазный генератор 2 с подключенным к ним модулятором 3, который выходом соединен с входной 4 клеммой исследуемого объекта, выходная клемма 5 которого соединена с первым входом коммутатора б, соединенно- го вторым входом с входной клеммой 4 исследуемого объекта, а выходом через последовательно соединенные аттенюатор 7 и усилитель 8 - с детектором 9, к выходу которого подключены аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10 и фазометр 11, который соединен также с генератором 12 импульсов и вторым выходом двухфазного генератора 2, который через формирователь 13 импульсов соединен с входом пуска АЦП 10, синтезатор 14 тактовой частоты, вход и выход которого соединены соответственно с входом генератора 12 импульсов и тактовым входом двухфазного генератора 2, регистры 15 и 16 данных, соединенные входами соответственно с выходами АЦП 10 и фазометра 11, регистры 17-22 управления, соединенные выходами соответственно с управляющими входами дискретно- перестраиваемого генератора 1, двухфазного генератора 2, синтезатора 14 тактовой частоты, коммутатора 6, аттенюатора 7 и фазометра 11, а входами - с общей системной магистралью 23, с которой соединены также регистры 15 и 16 данных, блок 24

отображения, регистр 25 панели управления и микропроцессорный блок 26, который входами запроса прерывания соединен с регистром 25 панели управления, АЦП 10 и фазометром 11.

Схема синтезатора 14 тактовой частоты (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый делитель 27 частоты, фазовый детектор 28, фильтр 29 нижних частот и перестраиваемый генератор 30, выход которого, соединенный через второй делитель

31частоты с вторым входом фазового детектора 28, является выходом синтезатора.

Структурная схема фазометра 11с вре- мяимпульсным преобразованием (фиг.З) содержит последовательно соединенные блок

32преобразования сдвига фаз в интервалы времени, входы которого являются сигнальными входами и входом квантования фазометра 11, и блок 33 преобразования интервалов времени в код, выход которого является выходом фазометра 11, а также соединенный с ними блок 34 формирования измерительного цикла, внешние входы которого являются соответственно входами пуска и управления фазометра, а его выход - выходом конца измерения фазометра.

Структурная схема блока 34 формирования измерительного цикла (фиг.4) содержит последовательно соединенные элемент И 35, счетчик 36, RS-триггер 37 и D-триггер 38, выход которого соединен с вторым входом элемента И 35 и является выходом блока 34, вход пуска соединен с S-входом RS-тригге- ра 37, R-входом D-триггера 38 и входом начальной установки счетчика 36, вход предустановки которого является входом управления блока 34.

Работа измерителя группового времени запаздывания начинается с задания параметров испытательного сигнала, режима работы и параметров измерителя, т.е. программирования прибора. При этом программируются значения амплитуды и частоты несущей дискретно-перестраиваемого генератора 1, значения амплитуды, частоты и фазового сдвига двухфазного генератора 2, положение коммутатора 6 (режим калибровка-измерение), значение ослабления аттенюатора 7, длительность измерительного цикла, определяемая числом усредняемых периодов сигнала фазометра 11, с которым жестко связаны также значения программируемых параметров синтезатора 14 тактовой частоты.

Указанные параметры или часть из них записываются в соответствующие регистры 17-22 управления через общую системную магистраль 23 автоматически с микропроцессорного блока 26 (типовые значения) или

вводятся вручную пользователем через регистр 25 панели управления, содержимое которого по запросу прерывания считывается микропроцессорным блоком 26 и переписывается в соответствующий регистр 17-22 управления. Значения вводимых параметров могут одновременно отображаться на блоке 24 отображения.

Измеритель имеет два режима работы - калибровки и измерения, определяемые положением коммутатора 6. В режиме калибровки испытательный АМ-сигнал с выхода модулятора 3 проходит с входной клеммы 4, минуя исследуемый объект, на выход коммутатора 6, а в режиме измерения с входной клеммы 4 поступает на исследуемый объект и с выходной клеммы 5 на выход коммутатора 6.

Последовательность циклов калибровки и измерения при снятии частотной характеристики (ЧХ) ГВЗ исследуемого объекта может быть различной: чередующейся в каждой точке измеряемой ЧХ ГВЗ или выполняемой чеоез определенное число отсчетов ЧХ ГВЗ в зависимости от стабильности собственной ЧХ ГВЗ измерителя и требуемой точности измерения. В ряде случаев калибровка может проводиться периодически с заданным интервалом времени. Значения ГВЗ, полученные в режиме калибровки, определяют собственные систематические погрешности измерителя и вычитаются из результатов измерения ЧХ ГВЗ исследуемого объекта в микропроцессорном блоке 26.

Далее АМ-сигнал с выхода коммутатора 6 проходит через аттенюатор 7, усилитель 8, детектор 9 и поступает на вход АЦП 10 и первый сигнальный вход фазометра 11. Ослабление аттенюатора 7 в зависимости от уровня АМ-сигнала на входе исследуемого объекта и его коэффициента передачи устанавливается таким образом, чтобы обеспечить примерное равенство уровня сигнала на входе детектора 8 в режимах калибровки и измерения, а при большой неравномерности АЧХ объекта - и на различных частотах измеряемой ЧХ ГВЗ исследуемого объекта. Благодаря этому минимизируется амплитудная погрешность измерения ГВЗ.

На второй сигнальный вход фазометра 11 поступает сигнал с частотой модуляции (или удвоенной частотой модуляции в случае балансной AM и квадратичного детектирования) с второго выхода двухфазного генератора 2. Калиброванные значения фазового сдвига этого генератора устанавливаются так, что фазовые сдвиги входных сигналов фазометра 11 в режимах калибровки и измерения близки к значению 90°,

обеспечивающему минимум крутизны основной погрешности фазометра. При этом фазовом сдвиге происходит считывание АЦП 10 амплитудных значений огибающей

сигнала с выхода детектора 9 по сигналам пуска АЦП 10 с выхода формирователя 13 импульсов.

Отсчеты амплитуды огибающей с выхода АЦП 10 по сигналу конца преобразования

записываются в регистр 15 данных, где также возможно накопление этих отсчетов (регистровая или оперативная память), и по сигналу запроса прерывания (по каждому или через несколько запросов в зависимости от частоты огибающей и наличия накопления информации в регистре 15 данных) коды амплитуды считываются с регистра 15 данных в микропроцессорный блок 26. Эти отсчеты определяют АЧХ исследуемого объекта, а также используются для установки ослабления аттенюатора 7.

Вводимые калиброванные значения фазового сдвига двухфазного генератора 2 легко учитываются и вычитаются из результатов измерения в микропроцессорном блоке 26. Однако в общем случае двухфазные генераторы также обладают основной погрешностью, зависящей от задаваемого фазового сдвига. Указанная погрешность

может быть соизмерима с основной погрешностью фазометра 11, что в результате приводит к уменьшению точности измерения ГВЗ. .

Для повышения точности измерения в устройстве изменяют методику измерения так, что измерения в каждой точке ЧХ ГВЗ выполняются в виде последовательности из Р измерительных циклов, в каждом из которых вводимые фазовые сдвиги двухфазного генератора 2 принимают значения: ОДФП I Ду , где i

0,1,2Р-1;Др 360°/Р.

Результат измерения в i-м цикле с учетом основных погрешностей двухфазного генератора и фазометра 11

А.рфм можно представить следующим образом:

Ризм +РДФП +

где вх - измеряемый фазовый сдвиг на входах фазометра 11.

Усредняя результаты измерения по всем циклам, получают

i

2, Ризм #«+ --Б+

i

2 ( Д рдФГ + )

-F

i 1

Так как вводимые значения фазовых сдвигов известны, то второе слагаемое может быть исключено из результатов измерения, Третье слагаемое за счет периодичности и некоррелированности значений основных погрешностей двухфазного генератора 2 и фазометра 11 представляет собой достаточно малую величину, уменьшающуюся с увеличением Р (эффект усреднения основной погрешности.

Квантование временных интервалов, пропорциональных сдвигу фаз огибающей (и, следовательно, значению ГВЗ), на входах фазометра 11с времяимпульсным преобразованием и усреднением за время измерительного цикла осуществляется импульсами с частотой квантования f«B с выхода генератора 12. Погрешность квантования фазометра 11 является одной из составляющих случайной погрешности измерения ГВЗ, она очень сильно зависит от соотношения частот сигнала (огибающей) и квантования. При независимом квантовании (известный измеритель), когда указанные частоты находятся в произвольном соотношении, погрешность квантования обычно оценивают как OHK гкв/ч7К , где /fKB ; К - число усредняемых периодов сигнала. Однако при высокой стабильности частот сигнала и квантования при некоторых значениях частот модуляции возможны резкие возрастания погрешности квантования вплоть до значения оцч ив/1/у, соответствующего целочисленному соотношению указанных частот.

Существенное уменьшение погрешности квантования может быть достигнуто путем поддержания некоторого оптимального соотношения частот сигнала и квантования, удовлетворяющего условию f KB , где М и К - взаимно простые числа; при этом погрешность квантования принимает минимальное значение оь 1кв/(6 К ) на интервале усреднения, равном К периодам сигнала.

В предлагаемом устройстве необходимое соотношение частот сигнала и квантования обеспечивается введением синтезатора 14 тактовой частоты. В этом блоке формируется тактовая частота f для двухфазного генератора 2 (такие генераторы обычно предусматривают возможность работы от внешнего генератора). Эта частота получается путем умножения частоты квантования фазометра в число раз, равное отноше- нию взаимно простых чисел, (K/L). Частота выходного сигнала двухфазного генератора формируется путем деления тактовой частоты в соответствующее число раз

N так, что соотношение частот квантования и сигнала при этом получается равным fKB/F(NL)/K. Выбирая К не кратным произведению NL, можно обеспечить оптимальное квантование в фазометре 11 на числе усредняемых периодов сигнала К. При , МГц погрешность квантования составляет оьк -0,045 не, в то время как в известном измерителе при независимом

квантовании ее значение равно ,15 не, т.е. больше примерно в 33 раза. Для достижения той же погрешности при независимом квантовании необходимо увеличить время усреднения в 1000 раз. Кроме

того, здесь не исключена опасность резкого возрастания погрешности квантования на отдельных частотах квантования.

Синтезатор 14 тактовой частоты может быть реализован на основе систем активного цифрового синтеза частоты с фазовой синхронизацией, т.е. систем ФАПЧ. Сигнал частоты квантования с выхода генератора 12 импульсов поступает на вход первого делителя 27 с программно изменяемым коэффициентом деления М, на выходе которого образуется сигнал с частотой сравнения кв/М, подаваемый на первый вход детектора 28. На второй вход фазового детектора 28 подается сигнал с выхода

перестраиваемого генератора 30, поделенный по частоте с помощью делителя 31 частоты с программируемым коэффициентом деления К.

В установившемся режиме частота сигнала на втором входе фазового детектора 28 также равна FoHve/K. Выходной сигнал фазового детектора 28 через фильтр 29 нижних частот управляет частотой перестраиваемого генератора 30 и поддерживает соотношение частот тпгЛкв К/М с точностью до фазы. При этом частота fnr является тактовой tV для двухфазного генератора 2 и поступает на его тактовый вход.

Задание коэффициентов деления делителей 27 и 31 частоты осуществляется через регистр 19 управления. При МГц, fT«100 МГц и кГц получают , . Для задания больших значений К можно использовать более сложные схемы

реализации синтезатора 14 тактовой частоты.

В фазометре 11с времяимпульсным преобразованием (фиг.З) входные сигналы проходят через блок 32 преобразования

сдвига фаз в интервалы времени, которые далее поступают на блок 33 преобразования интервалов в код. Образующиеся на выходе этого блока коды регистрируются в регистре 16 данных и по окончании измерительного цикла считываются в микропроцессорный блок 26. Особенностью фазометра 11 является то, что измерительный цикл формируется здесь по заданному числу периодов сигнала К, на котором имеет место оптимальное квантование временных интервалов. Это обеспечивается блоком 34 формирования измерительного цикла (фиг.4) с программируемым счетчиком 36 числа периодов сигнала вычитающего типа. Временные диаграммы работы блока показаны на фиг.5. Счетчик 35 предустанавливается кодом числа К регистра 22 управления. По сигналу пуска с микропроцессорного блока 26, поступающему по обшей системной магистрали 23, производится предустановка (начальная установка) счетчика 36, сброс D-триггера 38 и установка в единицу RS-триггера 37.

Нулевой уровень сигнала с выхода D- триггера 38 закрывает по второму входу эле- мент И 36, на первый вход которого поступают сигналы типа меандр с частотой сигнала с выхода меандра блока 32 преобразования сдвига фаз в интервалы времени. Фронтом первого по времени меандра D- триггер 36 по входу С устанавливается в единицу и выходным сигналом открывает элемент И 35, разрешая тем самым счет числа периодов сигнала счетчиком 36. Этот сигнал по входу управления одновременно разрешает работу и блока 33 преобразования интервалов времени в код, что соответствует началу измерительного цикла.

После того, как счетчик 36 считает (К-1) периодов сигнала, на его выходе появится импульс переноса, который произведет установку в нуль RS-триггера 37. Ближайшим по времени фронтом меандра сигнала 0- триггер 38 также переключится в нуль и закроет элемент И 35, а также блок 33 преобразования интервалов времени в код. Этому соответствует окончание измерительного цикла. Перепад типа 1/0 с выхода D-триггера 38 поступает на вход запроса прерывания микропроцессорного блока 26 и вход записи регистра 16 данных. В результате в микропроцессорный блок 26 считывается суммарный за К периодов сигнала код пропорциональный фазовой задержке огибающей АМ-сигнала и, значит, значению ГВЗ.

В микропроцессорном блоке 26 по этому коду и известному значению частоты квантования вычисляется значение ГВЗ F°NЈЈ/(KTKB). Данный алгоритм измерения и обработки требует минимума вычислительных операций по оценке ГВЗ при любых произвольных значениях частоты модуляции, что также способствует повышению

точности измерения. При может быть обеспечен непосредственный отсчет ГВЗ независимо от частоты модуляции.

В известных измерителях значение ГВЗ

вычисляется через измеренное значение

сдвига фаз в градусах и частоту модуляции

в соответствии с алгоритмом ъ (360F). Этот алгоритм требует точного значения частоты модуляции F и измерения (вычисления) значения сдвига фаз ф° по значению кода NCJ, что в большинстве случаев сопряжено с дополнительными погрешностями, отсутствует также возможность непосредст5 венного отсчета ГВЗ при произвольных частотах модуляции.

В качестве блока 32 преобразования сдвига фаз в интервалы времени могут быть использованы триггерные преобразователи

Q или преобразователи с перекрытием. Блок 33 преобразования интервалов в код содержит обычно элементы квантования и измерительные счетчики (по числу преобразуемых последовательностей временных

с интервалов).

Повторение циклов измерения осуществляется по сигналу Пуск, который подается автоматически с микропроцессорного блока 26 как при измерении ГВЗ в одной

Q точке чх, так и при автоматическом снятии ЧХ ГВЗ, когда предварительно с заданным шагом изменяется значение частоты дискретно-перестраиваемого генератора 1. Пуск может также производиться вручную через

5 регистр 25 панели управления. При необходимости изменения каких-либо параметров испытательного сигнала, режима работы или параметров измерителя также через регистр 25 панели управления оператором поQ дается сигнал запроса прерывания на микропроцессорный блок 26. Отдельные параметры испытательного сигнала и измерителя (частота, амплитуда, ослабление аттенюаторов) могут изменяться не только с

5 помощью микропроцессорного блока 26, но и автономно с помощью органов управления соответствующих приборов.

Все узлы предлагаемого измерителя реализуются на основе стандартных и нестанQ дартных измерительных средств, которые выполняются на серийных цифровых и аналоговых интегральных микросхемах. В качестве дискретно-лерестраиваемого генератора 1 вдиапазонечастот(1-1000)МГцмогут

5 быть использованы синтезаторы-генераторы типа 46-71, Г4-176 или Г4-180, при этом модулятор 3 и аттенюатор регулировки уровня испытательного сигнала могут входить в состав этого генератора (кроме 46- /1). Двухфазный генератор 2 может быть как

стандартный (например, Ф1-4), так и специализированный. Существуют также и стандартные кодоуправляемые аттенюаторы 7. Таким образом, благодаря введению новых элементов и связей обеспечено уменьшение составляющих погрешности измерения, вызываемых основной погрешностью фазометра 11 и двухфазного генератора 2, случайной погрешностью квантования фазометра 11, погрешностью вычисления измеряемого параметра за счет упро- щения алгоритма вычисления ГВЗ. Погрешность квантования по сравнению с известным уменьшается в К и более раз, где К- число периодов усреднения сигнала. При это составляет более 33. В результате обеспечивается повышение точности измерения ГВЗ.

Формула изобретения

0

5

0

5

0

5

сдвига фаз в интервалы времени, сигнальные входы которого являются первым и вторым сигнальными входами фазометра, и блок преобразования интервалов времени в код, выход которого является выходом данных фазометра, а объединенные входы квантования обоих блоков являются входом квантования фазометра, а также блок формирования измерительного цикла, первый вход которого является входом пуска фазометра, соединенным также с входом начальной установки блока преобразования интервалов времени в код, второй вход является дополнительным управляющим входом фазометра, третий вход соединен с выходом блока преобразования сдвига фаз в интервалы времени, а выход соединен с входом управления блока преобразования интервалов времени в код и является выходом сигнала конец измерения фазометра.

3. Измеритель по пп.1и2,отличающий с я тем, что блок формирования измерительного цикла содержит элемент И, счетчик, D-триггер и RS-триггер, выход которого соединен с D-входом О-триггера, R-вход - с выходом счетчика, а S-вход, соединенный с R-входом О-триггера и входом начальной установки счетчика, является первым входом блока, вход предустановки счетчика является вторым входом блока формирования измерительного цикла, а первый вход элемента И, соединенный с С-входом D- триггера, является третьим входом блока формирования измерительного цикла, выход элемента И соединен со счетным входом счетчика, а его второй вход - с выходом D-триггера, который является выходом блока формирования измерительного цикла.