Способ измерения параметров перио-дичЕСКиХ СигНАлОВ Советский патент 1981 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относитсяК измерительной технике и может быть использовано для комплексного измерения параметров периодических сигналов, в частности количества электричества, скважности, длительности, периода и частоты следования импульсов в последовательности. Известен способ измерения парамет ров импульса О-Зт при котором проводят нелинейное преобразование (выпрямление или расширение) измеряемого импульса с помощью нескольких нелинейных элементов, причем амплитуда расширения импульсов является линейной функцией их длительности и нелинейной функцией их амплитуды. При реализации способа решается система уравнений, учитывающая, что амплитуд расширенного импульса является функцией ряда аргументов (амплитуды, длительности, формы импульсов). Система уравнений и определяет число каналов преобразования (нелинейных элементов). Недостатком этого способа измерения являются сравнительно низкая точ ность, обусловленная использования прямопоказывакщей (некомпенсационной схемы, в которой погрешность измерения сильно зависит от величины и нестабильности коэффициентов передачи преобразователей и калибровки индикаторного устройства, от нестабильности величины смещающего напряжения, необходимого для выбора режима р.абочей точки, от погрешности из-за напряже:ния смещения на разделительно л конденсаторе (необходимость в котором вызывается применением напряжения смещения для выбора режима рабочей точки нелинейных элементов), от изменения параметров нелинейных элементов при изменении температурных условий. Кроме того, использование нелинейных преобразователей (накопителей) вентильного типа способствует наряду с накоплением полезного сигнала накоплению домехи даже при ее синусоидальном (знакопеременном) характере, что ухудшает отношение сигнал/помеха на выходе нелинейного преобразователя и ведет к снижению точности измерения. Понижает точность измерения и наличие проходной емкости нелинейijoro преобразователя (диода). Другим недосгатком способа является узкий динамический диапазон амплитуд измеряегвлх импульсов, обусловленный тем, что зона нелинейности вольт-амперной характеристики нелинейных преобразователей имеет ограниченный участок, а также шумами 1елинейных преобразователей. Кроме того, сравнительно узок динамический диапазон скважностей измеряемых импульсов, особенно для слу чая малых скважностей, так как пауза между измеряемыми импульсами должна быть больше длительности расширенно го (преобразованного) импульса. Для уменьшения этого недостатка необходи мо изменить характер преобразованиявмето расширения измеренных импульсов осуществлять только их выпрямле;ние, однако это требует перестройки схемы реализации, что при априорно неизвестной сквс1жности измеряемых импульсов является весьма затруднительным. К недостаткам способа можно отнес ти и сложность интерпретации длительности прямоугольного импульса, амплитуда которого равна обобщенной амплитуде измеряемого импульса. Наиболее близок к предлагаемому способ измерения параметров периодических сигналов 2, в частности дей ствующего значения переменного тока основанный на компенсационных принципах, при котором формируют опорно (компенсирующее) напряжение при уча тии, измеряемых сигналов и сравниваю измеряемые и формируемые сигналы по их интегральным характеристикам. Этот способ, позволяя измерять де ствУЩее значение периодических сигн лов (сигналов переменного тока), не дает возможности измерить количество электричества в импульсе, а также скважность, длительность, период и частоту следования импульсов в импульсной последовательности. Этому способу присущи сравнительно низкая точность измерения и узкий динамичес кий диапазон измеряемых сигналов, особенно при измерениях параметров высокочастотных сигналов, вследствие того, что для формирования опорного (компенсирукидего) напряжения используют усиленное напряжение измеряемого сигнала, не преобразованное по частоте. Это требует в случае измерения высокочастотных сигналов решить весьма сложную задачу создания широкополосного усилителя с минимал ными частотно-фазовыми и амплитудны ми искажениями, обладающего высокой линейностью, а также широполосного сравнивающего устройства. Широкополосные устройства такого рода облддают сравнительно небольши ми коэффициентами передачи, малой чувствительностью и невысоким отношением сигнал/шум. Поэтому в этом случае даже в компенсационной схеме .получение высокой точности измерени весьма затруднительно, а Динамический диапазон измеряемых сигналов сравнительно узок. Целью изобретения является рас ирение функционалтных возможностей способа измерения параметров периодических сигналов обеспечением комплексного из vjepeния количества электричества (эквивалентной амплитуды), скважности, длительности, периода и частоты следования импульсов при одновременном повышении точности и расширении динамического диапазона измерений указанных параметров. Указанная цель достигается тем, что при измерении параметров периодических сигналов способом основанным на компенсационных принципах, когда формируют опорное (компенсационное) напряжение при участии измеряегФлх сигналов и сравнивают измеряемые и формируемые сигналы по их интегральным характеристикам, формируют регулируемую по скважности вспомогательную последовательность импульсов произвольных длительности и частоты следования, уравнивают ее скважность со скважностью измеряемых импульсов и затем .формируют с ее помощью компенсируклцую последовательность, амплитуду импульсов которой регулируют до уравнивания постоянных составляющих этой последовательности и измеряемых импульсовJ после чего выходят на индикацию в качестве количества электричества (эквивалентной амплитуды) в импульсе одновременно с величиной скважности и определенными на их основе величинами длительности, периода и частоты слегдования. При этом перед уравниванием скважностей измеряемые импульсы и импульсы вспомогательной последовательности нормализуют по форме и амплитуде,а само уравнение осуществляют сравнением постоянных составляющих,полученных методом интегрирования.Компенсирующую последовательность импульсов вырезают из опорного напряжения постоянного тока. Уравнивание скважностей измеряемых импульсов и вспомогательной последовательности проводят изменением частоты следования импульсов в последней. Нормализацию измеряемых импульсов осуществляют, например, путем их усиления по напряжению с последующим ограничением по уровню. На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ. Устройство содержит блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 1, усилитель постоянного тока 2, блок сравнения 3, усилитель постоянного тока 4, блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 5, аналоговый ключ 6, управляемый делитель напряжения постоянного тока 7, источник напряжения постоянного тока 8, индикатор количества электричества в импульсе (эквивалентной амплитуды) 9, ключ 10, генератор так товых импульсов 11, ключ 12, формирователь нормализованных по форме (прямоугольных) и амплитуде импульсов состоящий, например из широкополосного усилителя 13 и ограничителя уровня (амплитуды) 14, блок выделения постоянной составляющей (интегра тор) 15, блок сравнения 16, блок вы деления постоянной составляющей (интегратор) 17, ограничитель уровня (амплитуды) 18, генератор импульсов переменной скважности 19, например генератор импульсов переменной час-, тоты следования и постоянной длитель ности, пороговый элемент 20, ключ 21 блок деления 22,ключ 23, индикатор скважности 24, блоки линейного преобразования длительности импульсов в напряжение 25 и 26, блок деления 27, индикатор длительности импульса 28, блок умножения 29, ключ 30, индикато периода и частоты следования импульсов 31. Вход устройства через последователь но соединенные блок вьвделения постоянной составляющей (интегратор) 1 и усилитель постоянного тока 2 соедине с одним из входов блока сравнения 3, другой вход которого через последовательно соединенные усилитель посянного тока 4, блок вьщеления постоя ной составляющей (интегратор) 5 и аналоговый ключ 6 соединен с вьлходом управляемого делителя напряжения постоянного тока 7, вход которого соединен с выходом источника напряжения постоянного тока 8 (калиброванного либо измеренного с высокой точностью Выход управляемого делителя напряжения постоянного тока 7 соединен также со входом индикатора количества электричества в импульсе 9. Выход блока сравнения 3 соединен с управляемым входом ключа 10, информационный вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 11, выход же ключа 10 через ключ 12 соединен -с управляемым входом управляемого делителя напряжения постоянного тока 7. Упомянутый вход устройства соединен также через формирователь нормализованных по форме (прямоугольных и амплитуде импульсов, например, состоящий из широкополосного усилителя 13 и ограничителя уровня (амплитуды) 14, со входом блока выделения постоянной составляющей (интегратора) 15, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения 16, другой вход которого через блок выделения постоянной составляющей (интегратор) 17и ограничитель уровня (амплитуды) 18подсоединен к выходу генератора импульсов переменной скважности 19, например, .генератора импульсов переменной частоты следования. Выход бло ка сравнения 16 через пороговый эле-. мент 20 соединен с управляемым,-8;toдом ключа 21 и параллельно с управляемым входом ключа 12. Информационный вход ключа 21 соединен с выходом генератора тактовых импульсов 11. Выход ключа 21 соединен с управляемым входом генератора импульсов переменной скважности 19. йлход генератора 19 соединен с управляемым входом аналогового ключа 6. Выход блока вьщеления постоянной составляющей (интегратора) 5 соединен также со входом блока деления 22, второй вход которого соединен с выходом управляемого делителя напряжения постоянного тока 7, а выход блока деления 22 через ключ 23 соединен со входом индикатора скважности 24. Выходы ограничителей уровня (амплитуды) 14 и 18 соединены со входами блоков линейного преобразования длительности импульсов в напряжение (с запоминанием максимума этого напряжения) 25 и 26 соответственно. Выходы блоков 25 и 26 соединены с соответствующими входами блока деления 27, выход которого соединен с индикатором длительности импульса 28. Выходы ключа 23 и блока деления 27 соединены также с соответствукадими входами блока умножения 29, выход которого через ключ 30 соединен со входом индикатора периода и частоты следования импульсов 31. Управляемые входы ключей 23 и 30 соединены с выходом блока сравнения 3. При необходимости между выходами блоков выделения постоянной составляющей (интеграторов) 15 и 17 и соответствующими входами блока сравнения 16вводят усилители пос оянного тока с одинаковыми коэффициентами усиления. Усилители постоянного тока 2 и 4 имеют одинаковые коэффициенты усиления, ограничители уровнл (амплитуды) 14 и 18 имеют одинаковый уровень ограничения,, а блоки выделения постоянной составлякадей (интеграторы) 1 и 5, как и блоки выделения постоянной составляющей (интеграторы) 15 и 17, аналогичны друг другу (одинаковы по параметрам). При этом блоки 1, 5,. 15, 17могут быть выполнены в виде резисторно-емкостных цепочек. Канал (кольцо), состоящее из блоков 1-8, 10, 12, назовем основным каналом измерения, а канал (кольцо), состоящее из блоков 13-21 - вспомогательным каналом измерения. Способ реализуется в устройстве следующим образом. Измеряемая последовательность импульсов подается на входы блока выеления постоянной составляющей (интегратора) 1 и на вход широкополосного усилителя 13. В связи с тем, что в этот момент ключ 12 разомкнут, обратная связь в основном канале измерения разомкнута, и изменения коЭффициента деления управляемого дели теля напряжения постоянного тока 7 не происходит. В вьхода широкополосного усилител 13 импульсы поступают на ограничитель уровня (амплитуды) 14, с выхода которого последовательность уже прямоугольных (или квазипрямоугольных) импульсов поступает на вход блока вы деления постоянной составляющей (интегратора) 15. Выделенная постоянная составляющая этой последовательности преобразованных импульсов подается на вход блока сравнения 3. Одновременно с поступлением на вход устройства измеряемой последова тельности импульсов запускают генерат;ор импульсов переменной скважноети 19, который начинает генерировать какую-то произвольную (но заранее установленную) последовательность прямоугольных импульсов, у которой может быть фиксирована либо длйтельность импульсов либо частота их следования. Эта вспомогательная последовательность импульсов через ограничитель уровня (амплитуды), 18 .поступает в блок вьщеленйя постоянной составляющей (интегратор) 17, отку.да постоянная составлягадая этой всп могательной последовательности импульсов поступает на второй вход блока сравнения 16. Сравнение постоянных составляющи указанных импульсных последовательностей базируется на известном соот ношении где А - амплитуда прямоугольных им пульсов в последовательнос ти; Uj.. - напряжение постоянной составляющей на емкости; 0. - скважность импульсной посл довательности ; Т - период импульсной последовательности;t - длительность импульсов в последовательности. Из этого соотношения вытекает, ч если постоянные составляющие двух сравниваег их последовательностей пр моугольных импульсов равны, а также амплитуды этих импульсов,то равны и й скважности, независимо от соотношения длительностей импульсов в обеих последовательностях. Поэтому до тех пор, пока сигнал рассогласования на выходе блока сра нения 16 не равен нулю или не стане меньше наперед заданной величины, пороговый элемент 20 будет находить ся в состоянии, обеспечивающем нахождение ключа 21 в проводящем состоянии для тактовых импульсов с выхода генератора тактовых импульсов 11, поступающих на управляемый вход генератора импульсов переменной скважности 19 и обеспечиваюцих изменение скважности генерируемой им вспомогательной импульсной последовательности . Это изменение скважности генерируемой вспомотательной импульсной последовательности происходит до тех пор, пока сигнал рассогласования с выхода блока сравнения 16 не станет равен нулю либо меньше наперед заданной величины. В этом случае пороговый элемент 20 перейдет в состояние, при котором ключ 21 разомкнется, и прекратится поступление тактовых импульсов от генератора тактовых импульсов 11 на управляемый вход генератора импульсов переменной скважнссти 19. Изменение скважности вспомогательной импульсной последовательности прекратится, и это будет означать, что скважность вспомогательной импульсной последовательности генерируемой в этот и последующие моменты времени на выходе генератора импульсов переменной скважности 19, равна скважности измеряемой импульсной последовательности. Исчезнование сигнала рассогласования на выходе блока сравнения 16 и, . как следствие, перевод порогового элемента 20 в новое состояние, вызывает также замыкание ключа 12, что обеспечивает замыкание обратной связи основного канала измерения. Это приводит к тому, что тактовые импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 11 при условии превышения сигналом рассогласования на выходе блока сравнения 3 некоторой наперед заданной малой величины будут проходить через ключи 10 и 12 на управляемый вход управляемого делителя напряжения постоянного тока 7, вызывая изменение коэффициента деления. В связи с тем, что .на управляемый вход аналогового ключа 6 поступает вспомогательная импульсная последовательность с генератора импульсов переменной скважности 19, скважность которой уже уравнена со скважностью измеряемой последо.вательности импульсов,-из напряжения постоянного тока с помощью аналогового ключа 6 будет вырезаться компенсирующая последовательность импульсов той же скважности, что и измеряемая последовательность импульсов. Однако количество электричества (эквивалентная амплитуда) импульсов в компенсирующей последовательности в момент замыкания ключа 12 еще не равно в общем случае количеству электричества (эквивалентной амшштуде) импульсов измеряемой последовательности . Поэтому компенсиругадая последовательность импульсов подается с анало гового ключа б на вход блока вьщеления постоянной составляющей (интегра тора) 5, откуда через усилитель постоянного тока 4 вьзделенная постоянна составляющая поступает ia второй вхо блока сравнения 3. В связи с тем, что на первом входе блока сравнения 3 уже присутствуе усиленная с тем же коэффициентом уси ления постоянная составляющая измеря емой последовательности импульсов, прошедшая через блок выделения посто янной составляющей (интегратор) 1 и усилитель постоянного тока 2, сигнал рассогласования с блока сравнения 3 характеризует отношение между постоянными составлякщими измеряемой и компенсирующей последовательностей импульсов, уже имеющих равные скважности (после замыкания ключа 12). При превышении сигналом рассогласования на выходе блока сравнения 3 некоторой наперед заданной величины обеспечивается прохождение тактовых импульсов с .генератора 11 через ключ 10 (а впоследствии и через ключ 12) на управляемый вход управляемого делителя напряжения постоянного тока 7 Эти тактовые импульсы вызывают изме нение коэффициента передачи (деления этого управляемого делителя напряжения постоянного тока 7 до тех пор, пока сигнал рассогласования на выходе блока сравнения 3 не станет меньше некоторой малой наперед заданной величины. Это означает, что количество элек тричества в импульсах.компенсиругацей последовательности (их эквивалентная амплитуда) равно количеству электричества в импульсах измеряемой последовательности. При этом сигнал рассогласования с выхода блока сравнени 3 уже не обеспечит прохождения тактовых импульсов с генератора тактовых импульсов 11 через ключ 10 на ключ 12, через который они поступали на управляе1 ый вход управляемого делителя напряжения постоянного тока 7. Изменение коэффициента передачи (деления) делителя 7 прекратится, и величина напряжения на его выходе ин дицируется на индикаторе 9. Эта величина и является характеристикой количества электричества (эквивалент ной амплитудой) импульсов в измеряемой последовательности импульсов. В качестве индикатора 9 может быть использован вольтметр постоянного тока (если напряжение источника постоянного тока 8 некалибровано), либо - в случае использования калиброванного компенсирующего напряжения посгоянного тока и цифрового управляемого делителя 7 - это может быть блок цифровой индикации. При выборе длительности импульсов компенсирующей последовательности более 20-50 мс (при реализации генератора импульсов переменной сквгикности 19 как одновибратора с постоянной длительностью импульсов, управляемого генератором с постоянной частотой следования сигналов) величиь а количества электричества в импульсе могла бы быть замерена и на выходе аналогового ключа б, что исключало бы составляющую погрешности, связанную с каким-то отличием коэффициента передачи аналогового ключа б от единицы.: Для определения скважности измеряемой последовательности импульсов напряжение с управляемого делителя напряжения постоянного тока 7 и с блока выделения постоянной составляющей (интегратора) 5 подают на соответствующие входы блока деления 22. Напряжение с блока деления 22, пропорциональное скважности импульсов, поступает на индикатор 24 только после замыкания ключа 23, которое осуществляют после завершения изменения компенсирующего напряжения постоянного тока (после уменьшения сигнала рассогласования на выходе блока сравнения 3 ниже наперед заданной малой величины). Для определения длительности измеряемых импульсов напряжения с ограничителей уровня (амплитуды) 14 и 18 поступают на входы блоков линейного преобразования длительности импульсов в напряжение 25 и 26 соответственно, и с их выходов напряжения, пропорциональные длительностям импульсов, подают на соответствующие входы блока деления 27, откуда напряжение, пропорциональное длительности измеряемого импульса, подается на индикатор 28. Длительность импульса с помощью указанного отношения определяют потому, что длительность вспомогательных прямоугольных импульсов заведо-. МО известна. Для определения частоты и периода следования измеряемых импульсов напряжения с выхода блока деления 27 и ключа 23 (при его.замыкании) подают на соответствующие входы блока умножения 29, напряжение с выхода которого, пропорциональное периоду следования и обратно пропорциональное частоте следования импульсов, при замыкании ключа 30 подается на индикатор 31. Ключ замыкается после завершения процесса уравновешивания одновременно с ключом 23 по сигналу с блока сравнения 3. При измерении сигналов переменного тока измеряют только полупериоды одной полярности. Достижение поставленной цели обусловлено компенсацией воздействия измеряемых сигналов, в том числе длительности и высокой частоты следования, нормализованными по форме и длительности импульсами большей длительности и меньшей частоты следования, которые формируются из напряжения постоянного тока, измерен ного с высокой точностью или калиброванного, и сравнением полученных путем предварительно линейного преобразования интегральных характеристик (постоянных составляющих импульс ных последовательностей). Это дает возможность использовать в 1стройствах, реализующих cnoco6j узкополос ные каналы сравнения и усиления сигн ла рассогласования, в которых легко достижимы высокая чувствительность и большие коэффициенты передачи, обе спечивающие в компенсационных схемах высокую точность измерения. Реализация линейного преобразования (в данном случае интегрирования) например, с помощью резисторно-конденсаторных цепочек с одной стороны расширяет нижнюю границу динамического диапазона амплитуд измеряемых импульсов, которая ограничивается в основном шумовой ЭДС резистора, а с другой стороны, снимает практически ограничения с верхней границы динамического диапазона измеряемых ампли туд. Кроме того, использование резисто ров в качестве зарядного сопротивления интегрирующих цепочек позволяет осуществить высокоомный вход измерителя, что способствует повышению точ ности измерения. Отсутствует и накоп ление двухполярной помехи, что также повышает точность измерения. Расширение динамического диапазона измерения временных параметров им пульсов в последовательности обеспечено применением линейного преобразо вания и отсутствием расширения импул сов в процессе измерения. Научно-технический эффект предложения заключается в возможности реализации способа измерения с большими функциональными возможностями, с большей точностью и динамическим диапазоном измерения, реализуемого на типовых узлах и элементах, не требующих подбора и снятия специальных характеристик и сложной калибровки, а также полной автоматизацией процес са измерения и возможностью телеметрической передачи информации о количестве электричества и скважности им пульсов без дополнительного преобразования. Возможность комплексного измерени в едином цикле большого количества параметров, характеризующих периодические сигналы, делают способ удобны для применения в самых различных научно-технических областях. Формула изобретения 1.Способ измерения параметров периодических сигналов, основанный на компенсационных принципах, в котором формируют опорное напряжение при участии измеряемых сигналов и сравнивают измеряемые и формируемые сигналы по их интегральным характеристикам, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа обеспечением комплексного измерения количества электричества (эквивалентной амплитуды), скважности, длительности, периода и частоты следования импульсов при одновременном повышении точности и расширении динамического диапазона измерения указанных параметров, формируют регулируемую по скважности вспомогательную последовательность импульсов произвольных длительности и частоты следования, уравнивают ее скважность со скважностью измеряемых импульсов и затем формируют с ее помощью компенсирующую последовательность, амплитуду импульсов которой регулируют до уравнивания постоянных составляющих этой последовательности и измеряемых импульсов, и затем выводят на индикацию в качестве информации о количестве электричества в импульсе (эквивалентной амплитуды) одновременно с величиной скважности и определенными на их основе величинами длительности, периода и частоты следования измеряемых импульсов. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед уравниванием скважностей измеряемые импульсы и импульсы вспомогательной последовательности нормализуют по форме и амплитуде. 3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что уравнивание скважностей измеряемых и вспомогательных импульсов осуществляют при сравнении их постоянных составляющих, полученных, методом интегрирования. 4.Способ по п. 1, отличающийся тем, что компенсирующую последовательность импульсов вырезают из опорного напряжения постоянного тока. 5.Способ по п. 1, отличающийся тем, что уравнивание скважностей измеряемых импульсов и вспомогательной последовательности импульсов проводят изменением частоты следования импульсов в последней. 6.Способ по пп. 1и 2, отличающийся тем, что нормализацию измеряемых импульсов осуществляют путем их усиления по напряжению с последующим ограничением по уровню.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Грязнев М. И.,Гуревич М. Л. и Магсачев 3. В. Измерение импульсныхнапряжений, Сов. радио. М., 1969. с,214-219.2. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы, Вшца школа. Киев, 1971, с. 505-511 (прототип).