УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ Советский патент 1974 года по МПК G01R23/02 

1

Изобретение относится к области измерительной техники.

Известно устройство подобного назначения, содержащее узел фильтрации, узел селекции сигнала по уровню, узел формирования счетных импульсов и узел измерения доплеровской частоты (скорости).

Узел фильтрации представляет собой перестраиваемый вручную -полосовой фильтр, с выхода которого обрабатываемый сигнал поступает на электронный осциллоскоп, выполняющий функцию амплитудного селектора.

С выхода узла селекции сигнал подается на устройство формирования счетных импульсов. Эти импульсы формируются из тех выборок сигнала, которые содержат не менее восьми периодов доплеровской частоты. Радиоимпульсы, содержащие менее восьми периодов доплеровской частоты, исключаются из обработки специальным устройством.

Результат измерения выдается в виде цифрового значения среднего периода доплеровской частоты. Период Т доплеровской частоты определяется за время t, равное T-W.

Таким образом, ручная перестройка входного фильтра сужает динамический диапазон измерения скорости. Большое время осреднения, а также потеря значительной части сигнала резко ограничивают временное разрешение устройства и приводят к значительной погрешности измерения мгновенной скорости. Устройство имеет относительно сложную конструкцию п может эффективно работать только вместе с вычпслите,чьпой машиной.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых скоростей, улучшение временного разрешения и повышение точности измерения. Это достигается благодаря тому, что устройство снабжено узлом формирования стробимпульсов, а узел с|)ильтрации выполнен в виде ряда переключаемых гребенок фильтров, каждый из которых имеет два выхода, причем первые выходы соединены с сигнальными входами своих ключей, а вторые - с общей для

всех фильтров данной гребенки схемой поиска экстремума. К выходам схемы подключены управляющие входы названных ключей, имеющих общпй выход - выход узла фильтрации, соединенный с узлом селекцпп сигнала по

уровню, выполненным в виде двух параллельно включенных пороговых устройств с различными порогами пропускания, выходы которых - опорный, с нижним порогом, и сигнальный, с верхним порогом, подключены к входам узла

формирования счетных импульсов. Узел формирования счетных импульсов представляет собой преобразователь входных прямоугольных сигнальных и опорных импульсов в сигнальную п опорную последовательности коротких прягаоугольных импульсов, следом за которым включен узел формирования строб- импульсов, содержащий схему «И-НЕ, подключенную своим входом к сигнальному и опорному выходам узла формирования счетных импульсов, и триггер, один из раздельных входов которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов, другой - с выходом схемы «PI-НЕ. Выход этого триггера подключен к управляющему входу узла измерения доплеровской частоты, сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2, а-р-эпюры, поясняющие работу устройства.

Доплеровский сигнал, имеющий вид хаотической последовательпости однополярных радиоимпульсов (фиг. 2, б), поступает на узел фильтрации, выполненный в виде нескольких переключаемых вручную поддиапазонов (гребенок фильтров), каждый из которых охватывает одну декаду по частоте. В пределах каждой декады осуществляется фильтрация спгнала доплеровской частоты и автоматическое слежение за максимумом его спектра. (Для упрощения на фиг. 1 иоказаи только одии частотный поддиапазои узла фильтрации).

На входе каждого капала, соответствующего данному частотному поддиапазону, включен предварительный усилитель 1 с полосой иропускания, равной одной декаде. К выходу этого усилителя подключены восемь фильтров 2- 9, равномерно перекрывающих данный частотный поддиапазон и имеющих одинаковую относительную полосу нропускания (на уровне 3 дб), равную примерно 30%.

К выходу каждого фильтра подключен амплитудный детектор. Уровень иостоянного напряжения на выходе каждого детектора 10- 17 пропорционален уровню сигнала в полосе пропускания данного фильтра. Таким образом, максимальное напряжение присутствует на выходе того детектора, который подключен к фильтру, в пределах полосы пропускания которого находится спектр доплеровского сигнала.

Выходы детекторов соединены с входами схемы поиска экстремума, которая осуществляет коммутацию выходных сигналов фильтров, обеспечивая подключение к выходу узла фильтрации того фильтра, в полосе пропускания которого находится спектр доплеровского сигнала.

Схема поиска экстремума содержит переключатель токов, состоящий из восьми транзисторных усилителей 18-25, имеющих общую эмиттерную нагрузку 26 в виде стабилизатора тока. Выходы переключателя токов подключены к входам восьми пороговых устройств 27-34, которые соединены с восьмивходовым триггером. Этот триггер собран из восьми логических элементов «И-НЕ 35-42, каждый лз которых имеет восемь входов и один выход. Один из входов каждого элемента «И-НЕ

соединен с выходо.м соответствующего порогового устройства, а остальные семь входов подключены к выходам остальных семи элементов.

Схема работает так, что в исходном состоянии (при отсутствии доплеровского сигнала в пределах данного частотного поддиапазона или при его низком уровне) уровни иостоянных напряжений на выходах всех детекторов малы, и все пороговые устройства 27-34 обеспечивают на своих выходах низкие иотенциалы («О). Нри этом на всех восьми выходах эле.ментов «И-НЕ имеются высокие потенциалы («1).

Когда выходной сигнал любого из детекторов превышает оиределенный уровень, переключатель токов срабатывает и опрокидывает одно из восьми пороговых устройств 27-34, так что на его выходе появляется высокий потенциал («Ь). При этом на выходе соответствующего логического элемента «Н-НЕ оказывается низкий потенциал («О), который, будучи приложен к входам остальных семи элементов «И-НЕ, обеспечивает устойчивое состояние всего триггера (семь «1 и один «О).

К выходам триггера подключены управляющие входы восьми ключей 43-50 (затворы полевых транзисторов) с общим выходом 51, который является выходом узла фильтрации. Сигнальные входы этих ключей (стоки) соединены с выходами соответствующих фильтров 2-9. Открытому состоянию ключа соответствует «О на уиравляющем входе, а закрытому - «1. Таким образом, когда в полосе пропускания одного из фильтров оказывается спектр доплеровского сигнала, схема поиска экстремума открывает тот ключ, который соединен с этим фильтром, и иа выходе узла фильтрации появляется выходной сигнал данного фильтра.

При изменении измеряемой скорости, а, следовательно, частоты происходит автоматическое переключенпе фильтров 2-9. Постоянные времени амплитудных детекторов 10-17 выбирают из соображений устойчивой работы схемы поиска экстремума, т. е. чтобы, с одной стороны, пульсации продетектированного наиряжения, которые обусловлены хаотической амплитудной модуляцией доплеровского сигнала, не вызывали коммутации ключей, а с другой, чтобы при больших девиациях доплеровской частоты осуществлялось автоматическое слежение. Устойчивость работы иорогового устройства при равенстве напряжений на двух соседних детекторах (т. е. когда спектр доплеровского сигнала лежит в общей зоне двух соседних фильтров) обеспечивается совместным действием инерционности детекторов и гистерезиса пороговых устройств 27-34.

Выходной сигнал узла фильтрации имеет вид хаотической последовательности симметричных относительного нуля радиоимпульсов (фиг. 2,8). Дальнейшая обработка этого сигнала состоит в формировании из него пачек

сигнальных (счетных) импульсов, причем частота импульсов внутри каждой пачки равна доплеровской частоте соответствующего радиоимпульса, а число импульсов в каждой i-и пачке определяется заранее устанавливаемым порогом Un узла селекции сигнала по уровню и равно п Одновременно вырабатываются строб-импульсы, начало которых совпадает с первым импульсом соответствующей пачкп, а длительность равна период доплеровской частоты соответствующего t-ro радиоимпульса.

С выхода узла фильтрации сигнал поступает на два пороговых усилителя-ограничителя 52 и 53, где он превращается в пачки прямоугольных импульсов, содержащих, соответственно т; и Пг импульсов, причем всегда Лг, что обусловлено разницей пороговых уровней этих усилителей. Усилитель 52 имеет порог, близкий к пулю, благодаря чему происходит усиление и ограничение даже самых слабых сигналов. Усилитель 53 имеет регулируемый порог L/n (фиг. 2, в) и усиливает только ту часть сигнала, которая этот порог превыщает.

На выходах усилителей-ограничителей образуются опорная и сигнальная последовательности ирямоугольиых импульсов (фиг. 2,г,д). Обе последовательности поступают на входы узла формирования счетных импульсов, который состоит из триггера 54 с раздельными входами и двух формирователей 55 и 56 коротких прямоугольных импульсов. На выходах этих формирователей получаются сигиальпая и опорная последовательности коротких прямоугольных импульсов (фиг. 2, ж, з), фронты которых совпадают с фронтами прямоугольных опориых импульсов, причем число сигнальных (счетных) импульсов на выходе формирователя 56 определяется числом соответствующих импульсов, поступающих с выхода порогового усилителя 53. Благодаря такому формированию сигнальных, (счетных) импульсов исключается паразитная фазовая модуляция импульсов в пределах одной па.-чки, которая обусловлена амплитудной модуляцией и которой подвержены фронты прямоугольных импульсов на выходе порогового усилителя 53. Длительность коротких прям-оугольных импульсов на выходах формирователей не препы-пяет половины периода максимальной измерломой лоплеровской частоты.

Изтплльсы обеих последовательностей поступают .на узел формирования стр.обИмпульсов, состоящий из схемы, 57, и триггера58. с раздельиьшч .входами. -На входы схемы «И-НЕ поступают .импульсы, с формиррватё лей-55 и.-56, при .этом на ее.выходе .образует ся разностная последовательность импульсов (Лиг. 2, «1. Эта последовательность импульсов погтупяст на один из входов триггера 58, а на его другой вход-последовательность сигнальных имиульсов с выхода формирователя 55. Триггер 58 формирует на своих выходах стробимпульсы протпвоположноп полярности, длительность которых равпа , т. е. соответствует длительностп пачек сигнальных импульсов (фиг. 2, к, л).

Далее сигнальные (счетные) импульсы с выхода формирователя 55 и строб-импульсы с одного из выходов триггера 58 подаются на цифровую часть 59 узла пзмеренпя доплеровской частоты, представляющую собой частотомер с заранее задаваемым временем счета и с управляемым задатчиком времени. Частотомер устроен таким образом, что время счета Гсч складывается из длительностей строб-импульсов, соответствующих сигнальным пачкам, т. е.

N

где .V - число пачек, поступавщих за время счета, а 7, - длительность i-й

пачки (f-ro строб-импульса). При установке сек иоказапия частотомера дают значение доплеровской частоты в герцах. Устанавливая время счета, кратное коэффициенту иересчета доилеровской частоты в измеряемую

скорость, можно получать показания частотомера непосредственио в единицах скорости.

Для получения информации о мгновенной скорости доплеровская частота преобразуется в аналоговый сигнал частотным детектором с

памятью. Детектор работает следующим образом. Импульсы сигпальиой иоследовательности формирователя 55 преобразуются дополнительным формирователем 60 в прямоугольные имиульсы отрицательной полярности

(фиг. 2м), длительность которых т в каждом частотном поддпапазоне устанавливается, исходя из соотноп1еппя ,5 , где Гм,га - минимальный период доплеровской частоты в данном поддиапазоне. Выходные импульсы

формпрователя 60 через дпод 61 поступают на пптегрирующую цепь 62, состоящую из конденсатора, параллельно которому включена цепочка из послеловательного соединения разрядного сопротивления и сопротивления ключа капала полевого транзистора, на управляющий вход (затвор) которого поступают стробимпульсы, вырабатываемые триггером 58 (фиг. 2, к). При наличии входных сигнальных импульсов соответствующий им строб-импульс

открывает ключ Ма время прекращения спгиальпых импульсов (время между спгиальными иачками) ключ запирается п папояжение fJf на конденсаторе остается иа прежнем уровне.- При изменении частоты имиульсов сиг«альньгх иачек напряжение L- иа кон.депсаторе остается иа прежнем уровне. При изменении- частоты имиульсов сигнальных иачек напрл-жен-ие Ue. также из еияется (фиг. 2,н). Таким образом-, это напряжение оказывается пропорциональным частоте входных сигнальных импульсов, т. е. доплеровской частоте, а следовательно, скорости. Изменения напряжения Uc(i) отвечают изменениям скорости V(t. Выбирая постоянную времени интегрирующей цепи, получаем необходимое быстродействне частотного детектора, т. е. требуемую полосу пропускания флуктуации частоты (скорости).

К выходу интегрирующей цепи 62 подключен высокоомный согласующий каскад 63 (истоковый повторитель), с выхода которого напряжение поступает на один из входов суммирующего каскада 64 и далее на фильтр 65 нижних частот, отфильтровывающий высокочастотные пульсации. Полосу nponycKaHnH фильтра нижних частот выбирают из тех же соображений, что и постоянную времени интегрирующей цепи.

Суммирующий каскад 64 предназначен для компенсации помехи, обусловленной постоянной составляющей высокочастотных пульсаций на емкости интегрирующей цепи 62 {фиг. 2, о). На второй вход суммирующего каскада поступает строб-импульс обратной полярности с инверсного выхода триггера 58, амплитуда которого регулируется аттенюатором 66 так, чтобы уровень этой помехи стал минимальным (фиг. 2,п). При этом аналоговое напряжение 1/пых(0 на выходе измерителя имеет вид, показанный на фиг. 2,р и соответствует V(t) (фиг. 2, а).

Флуктуации выходного аналогового напряжения прямо пропорциональны девиациям доплеровской частоты и, следовательно, пульсациям скорости. Спектр пульсаций этого напряжения соответствует спектру пульсаций скорости. Подавая это напряжение на соответствующие приборы, можно определять необходимые статические характеристики исследуемого процесса, в частности среднюю скорость, интенсивность и спектр пульсаций, автокорреляционную функцию и т. д.

Таким образом, предлагаемое устройство для обработки доилеровского сигнала позволяет получать точную информацию о скорости, несмотря на прерывистый характер этого сигнала, а также исключить влияние входного аддитивного шума, когда сигнал падает ниже заранее задаваемого порогового уровня. Устройство обеспечивает непосредственное измерение средней скорости в цифровой форме, а также выдает аналоговый сигнал, пропорциона.тьный мгновен 1ой скорости в щироком динамическом диапазоне (автоматическое десятикратное перекрытие).

Предмет изобретения

1. Устройство для обработки сигналов доплеровского измерителя скорости, содержащее узел фильтрации, узел селекции сигнала по уровню, узел формирования счетных импульсов и узел измерения доплеровской частоты, отличающееся тем, что, с целью расщирения диапазона измеряемых скоростей, улучщения временного разрешения и повышения точности измерения, оно снабжено узлом формирования строб-импульсов, а узел фильтрации

выполнен в виде ряда переключаемых гребенок фильтров, каждый из которых имеет два выхода, причем первые выходы соединены с сигнальными входами своих ключей, а вторые - с общей для всех фильтров данной гребенки схемой поиска экстремума, к выходам которой подключены управляющие входы названных ключей, имеющих общий выход - выход узла фильтрации, соединенный с узлом

селекции сигнала по уровню, выполненным в виде двух параллельно включенных пороговых устройств с различными порогами пропускания, выходы которых - опорный, с нижним порогом, и сигнальный, с верхним порогом,

подключены к входам узла формирования счетных импульсов, представляющего собой преобразователь входных нрямоугольных сигнальных и о-порных импульсов в сигнальную и опорную последовательности коротких прямоугольных импульсов, следом за которым включен узел формирования строб-импульсов, содержащий схему «И-НЕ, подключенную своим входом к сигнальному и опорному выходам узла формирования счетных импульсов, и триггер, один из раздельных входов которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов, другой - с выходом схемы , а выход этого триггера подключен к управляющему входу узла

измерения доплеровской частоты, сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью получения результатов измерения в дискретной (цифровой) форме, узел измерения доплеровской частоты выполнен в виде цифрового частотомера, в цепь задатчика времени которого введен ключ, соединенный своим управляющим входом с одним из выходов формирователя строб-импульсов.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью получения результатов измерения в аналоговой форме, узел измерения доплеровской частоты выполнен в виде интегрирующей цепи, соединенной через диод и дополнительный формирователь с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов и состоящей из конденсатора, параллельно которому включены последовательно соединенные разрядное сопротивление и ключ, управляющий вход которого соединен с формирователем строб-импульсов, а к выходу интегрирующий цепи подключены последовательно высокоомный согласующий каскад и фильтр

нижних частот.

4.Устройство UO п. I, отличающееся тем., что, с целью уменьщения зфовня выход-. ных щумов, вьтход высокоомного согласующе-. го каскада включен на один из входов сумматора, другой вход которого через аттенюатор подключен к инверсному выходу узла формирования строб-импульсов, а выход сумматора соединен с фильтром нижних частот.