(54) АНАЛИЗАТОР ОРТОГОНАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЕКТРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
1
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при определении спект- ральных характеристик электрических сигналов.
Известны анализаторы ортогональных составляющих спектра электрических сигналов, содержащие устройство выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, генератор периодической последовательсности управляющих импульсов, набор суммирующих устройств, многоканальный коммутатор последовательного действия и параллельные группы взвешивающих резисторов, причем устройство выборки мгновенных значений соединено с входом многоканального коммутатора, выходы которого соединены с параллельными группами взвешивающих резисторов, объединенных в пределах каждой группы на входе суммирующих устройств, выполненных в виде балансных интегрирующих усилителей, а к одному
из входов устройства выборки мгновенных значений и управляющему входу многоканального коммутатора подг ключен выход генератора периодической последовательности управляющих импульсов X О
Недостатками этого анализатора являются сложность технической реализации при заданных достаточно жестких требованиях к точности ана10лиза при больших базах анализируемого сигнала и невысокая стабильность, что определяется большим чист лом аналоговых элементов и узлов, применяемых в анализаторе, причем
15 точность установки и стабильность параметров каждого элемента (узла) непосредственно определяют точность и стабильность анализа (работы анализатора), а также невозможность .
20 обеспечения существенной микроминиатюризации.
Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому анализатор, содержащий последовательно сое диненные генератор периодической последовательности управляющих импульсов, блок управления и блок фофмирования потенциалов, согласую щий каскад, вход которого соединен с входом анализатора . Недостатками известного анализатора также являются сложность и недостаточная стабильность. Цель изобретения - повышение стабильности и обеспечение микроминиатюризации устройства. Поставленная цель достигается тем, что анализатор рртоганальных составляющих спектра электричес ких сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор периоди ческой последовательности управляющих импульсов, блок управления и блок формирования потенциалов, а также согласующий каскад, вход котор го соединен с входом анализатора. снабжен последовательно соединенными структурой на основе приборов с заря дозой связью и дифференциальным усилителем, причем потенциальные входы упомянутой структуры и дифференцйального усилителя подключены к первы выходам блока формирования потенциалов, сигнальный вход структуры на основе приборов с зарядовой связью подключен к выходу согласующего каскада, а выход дифференциального усилителя соединен с выходом анализато Кроме того, структура на основе прибора с зарядовой связью выполнена на подложке с проводимостью п-т па и состоит из расположенных на по ложке частичных структур на основе приборов с зарядовой связью, не находящихся между собой в зарядовой связи, каждая из которых выполнена в виде последовательно расположенны выходного электрода, первого переда ющего электрода, распределительного электрода, группы вторых передающих электродов, группы электродов хранения, группы записывающих электродов и группы р-п-переходов, выходны шин и шины входного сигнала, причем р-п--переходы подключены к шине вход ного сигнала, выходные электроды под ключены к выходным шинам, группы за писывающих электродов, вторых передающих электродов и электродов хранения, а также распределительный и первый передающий электроды подключены к соответствующим потенциальным входам структуры. На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг,2 - то же, прибора с зарядовой связью (ПЭС-структура); на фиг.З схема разреза выходных электродов. Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов содержит генератор 1 периодической последовательности управляющих импульсов, согласующий каскад 2, блок 3 формирования потенциалов, блок управления, дифференциальный усилитель 5, структуру 6 на основе приборов с зарядовой связью (ПЗСструктуру, причем потенциальные входы ПЗС-структуры 6 и дифференциаль1кого усилителя 5 подключены к соответствующим выходам блока 3 формирования потенциалов, управляющий и синхронизирующий входы которого подсоединены соответственно к выходам блока управления и генератора 1 управляющих импульсов, вход генератора 1 управляющих импульсов подключен к входу блока управления, выход ПЗС-структуры 6 подключен к сигнальным входам дифференциального усилителя 5, выход которого является выходом анализатора, сигнальный вход ПЗС-структуры 6 подключен к выходу согласующего каскада 2, вход которого является входом анализатора, ПЗС-структура 6 выполнена на единой подложке 7 с проводимостью п-типа и содержит расположенные на подложке частичные ПЗС-структуры 8-1, ...,8-М, не находящиеся между собой в зарядовой связи, в каждую из которых входят последовательно расположенные и изолированные от подложки 7 выходной электрод 9 из группы электродов 9-1 ,..,,9-N, первый передающий электрод 10 из гоуппы электродов 10-1,...,iO-N распределительный электрод 11, группа вторых передающих электродов 12(1 )-12(N) , группа электродов 13(1)-13(М)хранения, группа записывающих электродов Ild)(N) и группа р-п-переходов 15(1)15(N), выходные шины 16 и шину 17 входного сигнала, причем р-п-переходы 15(1)-15(N) подключены к шине 17 входного сигнала. Выходные электроды 9, разрезанные по синусоидальному закону (фиг.З), подключены к выходным шинам 16, группы записывающих элек51 родов 1 -1 , . . . , 1 4-N, ВТорых переда ющих электродов 12-1 ,. ., , 12-N и элек тродов 1 3-1 .-. 1 хранения, а так же распределительный 11 и первый передающий 10 электроды подключенык соответствующим потенциальным вхо дам ПЗС-структуры 6, шина 17 входного сигнала является сигнальным вхо дом ПЗС-структуры 6, а выходные шины 16 - ее выходом., Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов работает следующим образом. Исследуемый сигнал с выхода согласующего каскада 2 поступает на р-п-переходы 15(1)-1-15(N)-N одновременно через шину 17 входного сигнала. К входам блока управлени и блока 3 формирования потенциалов поступает периодическая последоеате ность импульсов от генератор 1. С приходом первого управляющего импул са блок 3 устанавливает на своих выходах, подключенных к записывающим электродам )- ,. . . ,1it (1)-N высокий отрицательный потенциал на короткое время, равное длительности управляющего импульса генератора 1. Длительность управляющего импулцса выбирается таким образом, что иссле дуемый сигнал за время длительности импульсо,в не изменялся. За время действия первого управляющего импульса зарядовые 1такеты, которые образуются в р-п-переходах 150)-1, ,15(0-N и каждый из которых пропорционален значению исследуеМого сигнала в момент действия первого импульса, причем зарядовые пакеты одинаковы, перетекают под дей ствием более высокого отрицательного потенциала на электродах 13(1)-1 ..,13(1)N хранения зарядовых пакетов под соответствующие электроды 13(1)-1,...,13(1)-N хранения. С приходом второго, третьего и т.д. ,импульсов от генератора 1 устанавливаются высокие отрицательные потенциалы, соответственно на записывающих электродах (2)- ,.. . ,{2}-Ц; 14(3)-1 ,. .. ,1/4{3)-N и т.д. Описанные процессы повторяются. По окон-. чании длительности исследуемого сигнала под электродами хранения находятся зарядовые пакеты, величина заряда которых пропорциональна соответствующим значениям выборок исследуемого сигнала, взятых периодически с интервалом, равным пеоиоду сле86дования управляющих импульсов (период следования управляющих импульсов связан с шириной спектра исследуемого сигнала обобщенной теоремой Котельникова). Число выборок сигнала равно N, .где , Т - длительность исследуемого сигнала, период следования управляющих .импульсов негератора 1. Причем под электродами 13(1)-1,...,13(1)-N хранения хранятся одинаковые зарядовые пакеты, величина заряда каждого из которых пропорциональна значению первой выборки исследуемого сигнала, под электродами 13(2)-1,...13(2)-N хранений второй выборки и т.д. Процесс записи выборок сигнала в виде зарядовых пакетов заканчивается к моменту времени T+Tj, где длительность переходного процесса прибора с зарядовой связью, т.е. к моменту поступления N+1-го управляющего импульса. К этому моменту времени после поступления и окончания N-ro.управляющего импульса потенциал на записывающих электродах повышается и устанавливается близким к нулю. При поступлении М+1-го управляющего импульса с выхода генератора 1 на вход блока 3 формирования потенциалов на выходах последнего, подключенных к вторым передающим электродам, потенциал которых в исходном : состоянии близок к нулю, устанавливается высокий отрицательный потенциал, но не выше, чем отрицательный потенциал распоеделительного электро- да. Причем высокий отрицательный потенциал устанавливается не на всех вторых передающих электродах -12(1)12(М), а только на Их части, которая задается блоком управления и определяется частотой U),, на которой определяется ортогональная составляющая спектра, пропорциональная сумме fi S .(п-1 )Тч) sinlH(n-l )Ту (здесь S(t) - исследуемый Сигнал, s(n-l)T.l- выборки исследуемого сигнала) , .если определяется синусная составляющая спектра, либо сумме s S j(n-l )Tji со5иЦ(п-1 )Ту ,если определяется косинусная составляющая спектра, причем Ш| 2Klt(N-l)Ty. ПРИ установлении высокого .отрицательного потенциала на части вторых передающих электродов с указанными номерами зарядовые пакеты, находящиеся под эдектродами хоанения с соответствующими номерами, переходя под распределительный электрод 11 соответствующей ПЗС-структуры 8. Примем под распределительный электрод каждой ПЗС-структуры переходит только один зарядовый пакет. Через время 1 на вторых передающих электродах 12 (1)-1 ,...,12(2)-3 устанавливается прежний потенциал, а на первых передающих электродах 10-1 ,... ,10-N устанавливается высо кий отрицательный потенциал (но не выше, чем на выходных электродах 9-l,...,9-N) и зарядовые пакеты пер ходят под соответствующие выходные электроды S.-l ,9-N. По выходным шинам 16-1 и 16-2 протекают токи, причем ток, протекающий по шине 1б-1, пропорционален, величине V (1-5„)0.„ 16-2 а ток, протекающий по шине величине П+VQ (здесь Q,- величина заряда в п-ом зарядовом пакете). При этом на выход дифференциального усилителя 5 .мируется напряжение, пропорциональное величине - Так как выходные электроды разре заны по синусоидальному закону, т.е площадь электрода изменяется по синусоидальному закону (фиг.З), то коэффициент Sy, изменяется с изменением номера по синусоидальному зако ну. Таким образом, величина (1) про порциональна значению синусной сост ляющей спектра исследуемого сигнала на частоте u). После окончания процесса формирования выходного напряжения (через время Ту) дифференциального усилите ля потенциал выходных электродов 9-1I..., устанавливается большим потенциалов первых передающих электродов 10-1,.,10-N,потенциал которых в свою очередь,больше потенциала распр делительных электродов 11-1,,.,11-N, зарядовые пакеты переходят под соответствующие распределительные электроды. По истечении времени Т ( после окончания переходного процесса) потенциал группы вторых передающих электродов, номера которых соответст вуют номерам электродов хранения, под которыми нет зарядовых пакетов. устанавливается высоким отрицательным, но не выше, чем на электродах хранения, а на распределительных электродах потенциал устанавливается близким к нулю. При этом зарядовые пакеты возвращаются под прежние электроды хранения. Через интервал времени Т потенциалы указанной группы вторых передающих электродов устанавливаются близкими к нулю, схема возвращается в исходное состояние. Для измерения ортогональной составляющей спектра на другой частоте14| блок управления разрешает установление высоких отрицательных потенциалов блоку 3 формирования потенциалов другой соответствующей группе, вторых передающих электродов 12. Описанные процессы формирования ортогональных составляющих спектра исследуемого сигнала повторяются. Время измерения ортогональной составляющей спектра равно суммарному времени передачи зарядовых пакетов от электродов хранения к выходным электродам и обратно, т.е. Т tTy. Таким образом, на выходе дифференциального усилителя 5, являющемся выходом анализатора, формируется последовательност ь равноотстоящих на время Туу импульсов, длительность каждого из которых равна Т а амплитуда пропорциональна значению соответствующей ортогональной составляющей спектра исследуемого сигнала. Длительность этой последовательности импульсов при полном анализе спектра равна (N-l)Tyy,. Величина Т для ПЗС может достигать величины долей микросекунд и менее, поэтому время воспроизведения спектра может быть значительно меньше длительности сигнала Т, и в большинстве случаев может быть одного порядка с Т, т.е. анализатор работает в реальном времени. После окончания процесса воспроизведения ортогональных составляющих спектра,т.е. в момент времени (N-l) ru+Ty +A(N-l) Т потенциалы всех записывающих электродов 1t устанавливаются значительно ниже потенциалов всех вторых передающих электродов 12, и зарядовые пакеты перетекают в р-области соответствующих р-п-переходов 15 после чего схема готова к следующему циклу работы (анализа), который начинается в момент времени (N-l)T5+2Vit(N-l)V Таким образом, анализатор может воспроизводить Ортогональные состав- ляющие спектра сигнала длительностью Т с временем воспроизведения (N+2)1 т.е. практически в реальном времени Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов отличается упрощением схемы устроиства и ее технической реализацией при заданной точности анализа и больших базах анализируемого сигна ла за счет исключения 2В+1 (где В база сигнала, равная произведению по лосы анализа на длительность анализируемого сигнала) аналоговых баланс ных сумматоров-интеграторов с 2В+1 входами каждый и других аналоговых элементов и узлов выполнения анализа тора на дискретных элементах и ПЗС, а также повышением стабильности за счет устранения большого количества аналоговых элементов и узлов в анализаторе, устранением влияния неточности их установки и стабильности параметров на точность анализа (например стабильность потенциалов на электродах ПЗС предлагаемого ана лизатора, нестабильность длит ель, ности импульсов блока формирования потенциалов и моментов переключения их также не сказываются на- стабильности параметров предлагаемого анали затора) , и обеспечением существенной микроминиатюризации устройства за счет выполнения анализатора на осно.ве ПЗС с монолитной структурой. йормула изобретения 1. Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических си1 налов, содержащий последовательно со единенные генератор периодической последовательности управляющих импульсов, блок управления и блок, форм рования потенциалов, а также согласующий каскад, вход которого соединен с входом анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности и обеспечения микроминиатюризации устройства, он снабжен последовательно соединенными структурой на основе приборов с зарядовой связью и дифференциальным усилителем, причем потенциальные входы упомянутой структуры и дифференциального усилителя подключены к первым выходам блока формирования потенциалов, сигнальный вход структуры на основе приборов с зарядовой связью подключен к выходу согласующего каскада, а выход дифференциального усилителя соединен с выходом анализатора. 2. Анализатор по п.1, о т л и чающийся тем, что стоуктура на основе приборов с зарядовой связью выполнена на подложке с проводимостью п-типа и состоит из расположенных на подложке частичных структур на основе приборов с зарядовой связью, не находящихся между собой в зарядовой связи, каждая из которУх выполнена в виде последовательно расположенных выходного электрода, первого передающего электрода, распределительного электрода, группы вторых передающих электродов, группы электродов хранения, группы записывающих электродов и группы р-п-переходов, выходных шин и шины входного сигнала, причем р-п-переходы подключены к шине входного сигнала выходные электроды подключены к выходным шинам, группы записывающих электродов, вторых передающих элек- . т родов и электродов хранения, а так же распределительный и первый пере-. дающий элбкт роды подключены к соот ветствующим потенциальным входам структуры. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № it56226 ,кл. G 01 R 23/00, 1973. 2. Electron hett, 1977, 13, N 15, +31- 32.
Вход
Выход
fpuz,i
v&
at 3t
H-Ol H-U
//-№ -№
/v-№ :i
yy-Wf/
H-(
Н(1Ш
н-Ш
7-8
/М l-OL /-//
.7/ /-№A-f/ ;/-/ / /
/-№/
g
«M
u
2
B.
io
(риг.З
