Способ цифрового измерения длительности электрического импульса Советский патент 1977 года по МПК G04F10/04 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться в системах измерения параметров выходных импульсов фотоэлектрических преобразователей наносекундного диапазона.

Известен цифровой способ измерения длительности импульса, основанный на подсчете числа импульсов эталонной частоты за промежуток времени, равный длительности исследуемого импульса. Этот способ не позволяет измерять длительности короче сотен наносекунд из-за ограниченной разрешающей способности счетчиков импульсов. Способ не позволяет измерять длительиость на уровне, заданном в процентах от максимального значения импульса. Точность у известного способа недостаточно высокая.

Известен также способ, который построен на сочетании двух способов. В качестве первого способа используется способ аналогового преобразованпя длительности исследуемого импульса, основанный на преобразовании временного масштаба - зарядно-накопительный. Второй способ - цифровой способ измерения интервала времени между началом н концом расширенного импульса - способ последовательного счета. Динамический диапазон длительностей, измеряемых способом, от единиц наносекунд до единиц миллисекунд при погрешности измерения 4-5%.

Однако точность этого способа ограничена точностью амплитудной дпскриминации, нелинейностью при зарядно-разрядном расширении зафиксированного интервала времени, предельно BOSMOHOibiM коэффициентом расширения этого импульса. Быстродействие способа ограничивается длительностью заполняемого счетными и.мпульсами расширенного импульса, которая определяется требованиями точности.

Цель изобретения - увеличение точности, быстродействия и расширение диапазона измеряемых длительностей в сторону меньших значений. Это достигается тем, что по способу цифрового измерения длительности электрического п.мпульса путем сравнения опорного импульсного напряжения и мгновенных значений возрастающей и убывающей частей исследуемого импульса, фпксацни моментов равенства и последующей шифрации зафиксированных моментов времени формируют синхронно с исследуемым импульсом вспомогательный одиночный световой импульс пикосекундной длительности, задерживают исследуемый и вспомогательный импульсы на время формирования опорного импульсного напряжения, а последний - дополнительно на эталонные промежутки времени, равные двум третям его длительности, поочередно возбуждают задержанными световыми ответвленными импульсами

пучки фотоэлектронов в ряде каналов сравнения исследуемого и опорного импульсного напряжений, компенсируют мгновенными значениями напряжений нарастающей и убывающей частей исследуемого импульса равные отклонения пучков фотоэлектронов, вызванные опорным импульсным напряжением, выделяют в моменты полной компенсации путем пространственной селекции Илмпульсы фототока из пучков возбужденных в эти моменты, фиксируют факты появления сигналов на выходах каналов сравнения, распределяют импульсы опроса по элементам, открываемым при фиксации, собирают пропущенные импульсы опроса, исключают импульсы, пропущенные соседними каналами сравнения, раздельно фиксируют исключенные импульсы, подсчитывают число импульсов опроса в интервале времени, ограниченном двумя оставшимися после исключения импульсами опроса, и корректируют результат вычитанием числа, равного половине эталонного промежутка времени, при срабатывании двух каналов во время нарастания и добавлением того же числа при срабатывании двух каналов во время убывания импульса, причем опорное импульсное напряжение, равное заданной части максимального значения исследуемого импульса, получают с помощью ряда аналогичных каналов сравнения, в которых возбуждают пучки фотоэлектронов расщиренным вспомогательным световым импульсом, сообщают возбуледенным лучкам эталонные отклонения с помощью дискретно отличающихся по величине эталонных постоянных напряжений, а выходные импульсные токи, нарастающие за наносекундное время и имеющие заданную амплитуду, получают путем одновибраторного вторично-электронного умножения и суммируют на общей нагрузке.

При измерении по этому способу, в частности, фиксируются моменты равенства значений исследуемого и заранее сформированных опорных импульсов с помощью сверхкоротких импульсов излучения, возникающих через известные эталонные промежутки времени и возбуждающих фотоэлектронные пучки, управляемые опорным и исследуемым сигналами и селектируемые в пространстве.

Положительный эффект такого способа обусловлен введением операций над безынерционными фотоэлектронными пучками, возбужденными сверхкороткими импульсами излучения и управляемыми сравииваемыми импульсами. Благодаря введению этих операций увеличена разрешающая способность по времени, что позволяет расщирить диапазон измеряемых длительностей в сторону меньщих значений.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - временная диаграмма импульсов.

Устройство состоит из источника 1 светового импульса пикосекундной длительности, оптической системы 2, включающей линию задержки, ответвители, ослабители и корректирующие

элементы, расщирители 3 светового импульса, блока 4 формирования опорного импульсного напряжения, линии 5 задержки, блока 6 фотоэлектронных нуль-органов и блока 7 запоминания, шифрации и корректировки результата. Блок 4 включает ряд фотоэлектронных каналов сравнения и формирования импульсов, источник дискретно отличающихся эталонных постоянных напряжений и сумматор

импульсов. Каждый канал сравнения содержит фотокатод, фокусирующую и ускоряющую системы, отклоняющие системы, диафрагму с прямоугольной щелью на входе одиовибраторного вторично-электроиного умножителя, а

также механическую систему, включающую щелевую диафрагму и коаксиальный цилиндр - световой и магнитный экран и иозволяющую управлять формой и положением светового пятна на внешней поверхности фотокатода.

Способ реализуется следующим образом. Исследуемый сигнал (фиг. 2,а) одновременно иоступает на вход источника 1 и вход линии 5. Формируемый синхронно с исследуемым

сигналом одиночный световой импульс (фиг. 2,6) подается на вход системы 2 и расширителя 3. Расширенный импульс (фиг. 2,s) поступает на световой вход блока 4. На электрический вход блока 4 подается с отвода лиНИИ 5 задержки задержанный исследуемый сигнал (фиг. 2,г). Исследуемый сигнал иоступает на сигнальные отклоняющие пластины всех каналов сравнения. На опорные отклоняющие пластины подаются дискретно отличающиеся эталонные постоянные напряжения. В моменты равенства мгновенных значений напряжения переднего фронта исследуемого сигнала и эталонных напряжений формируются импульсы, суммируемые иа общей нагрузке. Блок 4 формирует опориый импульс напряжения (фиг. 2,d) с длительностью, превышающей длительность исследуемого сигнала, и амплитудой, равной заданной части пикового значения этого сигнала. Задержанныепикосекундные световые импульсы (фиг. 2,ж) с выходов системы 2 поочередно поступают на фотокатоды нуль-органов блока 6. Эти нульорганы состоят из тех же элементов, что и устройства сравнения блока 4, но их умиожители работают в режиме усиления. Световые импульсы возбуждают в нуль-органах узкие плоские пучки фотоэлектронов. Опорный импульс блока 4 подается на первые нары отклоняющих пластин всех нуль-органов блока

6 и смещает в них иучки фотоэлектронов в сторону от щелей диафрагм. Исследуемый сигиал (фиг. 2,е), задержанный линией 5 на время формирования опорного импульса, поступает на вторые пары отклоняющих пластин всех нуль-органов блока 6. В моменты равенства мгновенных значений напряжения переднего и заднего фронтов исследуемого сигнала и напряжения опорного импульса пучки фотоэлектронов, возбуждаемые в эти моменты в нуль-органах, попадают в щели диафрагм )i на выходах нуль-органов, в которых равенство напряжений совпало с появлением пучка фотоэлектронов, появляются сигналы (фиг. 2,з). Эти сигналы изменяют состояние фикснрующих триггеров блока 7. После окончания исследуемого сигнала производится шнфрацня зафиксированных моментов времени. При этом с разрядных выходов распределителя блока 7 на импульсные входы схем совпадення, открываемых фиксирующими триггерами, поочередно поступают импульсы опроса. Этн импульсы пропускаются открытыми схемами совпадення, собираются и подаются через схему исключения импульсов, пропущенных соседними каналами сравнения, на цифровой измеритель чнсла онросиых импульсов в иитервале времени, ограниченном двумя оставпшмнся после исключения импульсами опроса. Полученный результат равен числу эталонных промежутков времени в интервале времени, равном длительности иссследуемого сигнала на заданном уровне. С целью уточнения результата фиксируют факты срабатывания двух соседних каналов сравнения, используя для этого исключенные импульсы. Эти импульсы с помощью логических схем раздельно подаются на два дополнительных триггера. После окончания опроса фиксирующих триггеров импульс с распределителя подается на две дополнительные схемы совнадення, связанные с дополнительными трнггерамн, и проходит через ту из схем, которая оказалась открытой. К выходу первой дополнительной схемы совпадения подключена схема, осуществляющая вычитание, а к выходу второй - схема, осуихествляющая добавление в случае ироиускания импульса опроса числа, равного половнне эталонного нромежутка времени, к полученному результату. При исследовании выходных импульсов фотоэлектрических преобразователей может быть также использован несинхронизируемый источник одиночного светового импульса (оптический генератор с самосинхронизацией мод в сочетании со схемой выделения одиночного импульса). В этом случае входы исследуемого фотоэлектрического преобразователя и блока формироваиия опор}1ого импульса оптически связывают с расширителем импульсов.

Формула и 3 о б р е т е и и я

Способ цифрового измерен я длительности электрического импульса путем сравнения опорного импульсного напряжения и мгносскиых значений возрастающей и убывающей частей исследуемого импульса, фиксации моментов равенства ;; последующей шнфрации зафиксированных моментов времени, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности, быстродействия и расщирення диапазона измеряемых длительностей в сторону меньщих значений, формируют синхронно с исследуемым импульсом всиомогательный световой импульс пикосекундной длительности, задерживают исследуемый и вспомогательный импульс на время формирования опорного нмпульсного напряжения, а последний - дополнительно на эталонные промежутки времени, равные двум третям его длительности, ноочередно возбуждают задержанными световыми ответвленнымн импульсами пучки фотоэлектронов в ряде каналов сравнення исследуемого и опорного имиульсиого напряжений, компенсируют мгновенными значеннямн напряжений

нарастающей и убывающей частей исследуемого импульса равные отклонения пучков фотоэлектронов, вызванные оиорным импульсным напряжением, выделяют в мо.менты полной компенсации путем пространственной селекции импульсы фототока из пучков, возбужденных в эти моменты, фиксируют факты иоявлепия сигналов на выходах каналов сравнения, распределяют импульсы опроса ио элементам, открываемым при фиксации, собнрают пропуиденные импульсы опроса, исключают импульсы, пропущенные соседними каналами сравиения, раздельно фиксируют исключенные имнульсы, подсчитывают число импульсов опроса в интервале времени, ограниченном двумя

оставншмиея после п.ллючения н 1нульсамн оп)оса, и корректируют результат вычитанием числа, равного половпие эталонного промежутка времени, при срабатываиии двух каиалов во время нарастания и добавлением того

же чнсла прп срабатывании двух каналов во убывания мнульса, причем опорное импульсиое напряжение, равное заданной части максимального значения исследуемого нмпульса, получают с помощью ряда аналогичных каналов сравнения, в которых возбужда от пучки фотоэлектронов раси1преииым вспомогательным световым импульсом, сообщают возбужденным пучкам эталонн1з1е отклонения с помощью дискретно отличающихся по величине эталоииых постоянных напряжений, а выходные импульсные токи, нарастающие за наносекундное время и имеющие задаиную амплитуду, получают путем одновпбраторного вторично-электронного умножения ммиpyют па общей нагрузке.