Измеритель времени запаздывания сигнала в фотоприемниках Советский патент 1982 года по МПК G04F10/00 

1

Изобретение относится к измеренШЕМ, связанным с определением временных параметров фотоэлектронных устройств, и может быть использовано в контрольно-измерительной технике.

Известно устройство, предназначенное для намерения временя задержки сигнала в фотслриемнЕке, содержащее усипитепь с подключенным к его выходу частотомером и последовательно включенные источник света, оптасческий модулятор, оптическую линию задержки, фотоприемник и аттенюатор, вход усилителя соединен с выходом аттешоато ра, его выход - с оптическим модулятором ij .

Недостатком такого устройства является низкая помехозащищенность к точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к данному измерителю явпя&гся устройство для измерения времени запазпьгаашга сигнала в фотсотриемниках, содержащее последовательно включенные источник света, оптический модулятор.

отггическую линию задержки, фотоприемник, аттенюатор, балансный смеситель, широкополосный усялвтель н вто{юй балансный смеситель, выход которого соеданба с элект|Я 1есквм вхопсм оптическо1 о модулятора. Кроме тстю, устройство содержит выссжочастофвый генератор, выход соедввея одновременно со вторыми входами смесителей 2j .

Недостатком этого устройства является низкая помехозалшщеввость aoiieetK ствве широкой полосы прсжусканвя кавеи лов перед рш инфqpмaaвoнныx автокоп бавий, что прйводат к сввженвю точнооти измереввй. Низкая ixmHOCTb вэмереВИЙ в устройстве обуслоелеяа также валохчвем адпараггурного времввя задери KB сшиала в отеческом модуляторе я в оптической задервсвн.

Цель взо ретеввя - повышеяие пом хдэвпЦццеШид гД устройства в точыосш взмерсввй. 9 Поставленная цепь достигается тем, что Б устройство, содервкащее высокочастотный генератор и последовательно включенные источник света, оптический модулятор, оптическую линию задержки и фотоприемник, последовательно соединенные первый балансный смеситель, (Широкополосный усилитель и второй балансный смеситель, входы высокой частоты смесителей подключены к выходу высокочастотного генератора, введены включенный между выходом фотоприемника и входом первого балансного смесителя узкополосный фильтр, опорный генератор, генератор линейно изменяющегося напряжения, фазовый детектор, фильтр Ш1ЖНИХ частот, узкополосный уси литель, ключ, сумматор и блок управления, причетл выходы у; ополосного усилителя подключены соответственно к одному из входов оптического модулятора и к первому входу фазового детектора, второй вход которого соешшен с выходом опорного генератора, а выход через фильтр нижних частот - с первым входом сумматора и управляющим входом ключа, второй вход которого подключен к выходу гетсератора линейно иаменякиде ся нахфяжения, а выход - к второму входу сумматора, выход «xncfporo через блок управления подключен к у1фавляющему входу высокочастотного генератор выход второго балансного смесителя соеданен со входом узкополосного усилителя. На черт-еже представлена функционал ная схема устройства. Устройство содержит источник 1 сжета, например, саггический квантовый генераторг излуч еэЕШе которого происходит через оптический модулятор 2 и поступает через оптическую пинию 3 за дершси на фот яфи€9шшк 4, время задержки сигнала в котором подлежит на мерению. С выхода фотощшемника 4 сигнал через узксшопосяый фильтр 5 по ступает на вход первого одаопояосисвхз балансного смесителя 6, выход которог соединен со входом широкополосного усилителя 7, выход которого подключен к входу второго балансного смесителя с выхода которого сигнал поступает на вход узкопопосного усхлвтеля 9, выход которого соединен с одним из входов оптического модулятора 2, выход усюш .тепя 9 подключен также к первому вхо ду фазового детектора. 10, к второму TBSBQOy которого подсоединен опорный 74 генератор 11. Выход фазового детектора 10 через фильтр 12 нижних частот соединен с входом сумматора 13, генератор 14 линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен через электронный ключ 15 к второму входу сумматора 13. Управляющий вход электронного ключа 15 соединен с выходом фильтра 12 нижних частот, выход сумматора 13 через блок 16 управления подключен к управляющему входу перестраиваемого высокочастотного генератора 17, выход генератора 17 соединен с частотометх м 18. Устройство работает следующим образом. Последовательно соединенные фотОприемник 4, узкополосный фильтр 5, первый смеситель 6, широкополосный усшштель 7, второй смеситель 8 и усилитель 9 образуют измерительную автоколебательную систему с аапаздьгеаюшей обратной связью, замыкаемой лучем оптического квантового генератора 1, проходящим через оптический модулятор 2 и оптическую линию задержки 3 и попадающим на фотоприа 1ник 4. Частота настройки узкополосного усилителя 9 совпадает с частотой колебаний опорного генератора 11. Пусть в начальный момент в автоколебательной системе, образованной последовательно соединенными сатгическим модуляторе 2, оптической линией задержки 3, фотоприемкиком 4, узкополосным фильтром 5, первым смесителем 6, широкополосньпм усилителем 7, вторым смесителем 8 и усилителем 9, автоколебания отсутствуют и на вход фазового детектора 1О с выхог да усилителя 9 сигнал не поступает. В этом случае с генератора 14 линейно нзменякяц0хх;я напряжения через электронный ключ 15, который находится в OTKjaoTOM состоянии, поступает сигнал управления на вход сумматора 13. На аругой вход сумматора 13 в это время сигнал не поступает, так как в измерительной автоколебательной системе автоколебания отсутствуют и на выходе фазового детктора 1О сигнала нет. Следовательно, на выходе сумматора 13 будет сигнал с линейно изменякшошсся напряжишем. Этаг сигнал поступает на блок 16 управления, который, будучи подсоединен к высокочастотному генератору 17, изменяет частоту этого генераггора от минимального значения fймии сторону ее увеличения. Это происходит до тех пор, пока в измерительной автоколебательной системе, образо ванной последовательно соединенными оптическим модулятором 2, оптической лшшей 3 задержки, фотоприемником 4, узкополосным фильтром 5, первым смес телем 6, широкополосным усилителем 7 вторым смесителем 8 и узксшолосным усилителем 9, не возбудятся автоколебания, модулирующие оптическое иэлучение, замыкающее цепь обратной связи Автоколебания в измерительной автоколебательной системе возбуждаются при условии выполнения баланса амплитуд, обеспечиваемогю при достаточно высоком значетпш коэффициентов усиления усилителей 7 и 9. При этом режим работы смесителей таким образсм что на выходе первого смесителя 6 существуют колебания с частотой 51 где Cjfpi - частота ахгяал ка выходе уэкополосного усилителя 9; часто та сигнала на выходе перестраивави:ого высокочастотного геиератора 17. Ш выходе вторся о смесителя 8 в это время, 1дел5потся колебания с част той UJp 3. + . . В момент воэикновения автоколебаний частота сигна ла на выходе усилителя 9 может не быть в точности равной частоте настройки этого усилителя. В этом :вучае на выходе фазового детектора 1О появляется управляпопшй сигнал, ююступакядий через фговьтр 12 нижних част щл вход управления злектроннсяго ключа is и на вход сумматора 13. Это пргаво 1|ргг к закрыванюо цепи прохождения сяг jSB с r iepaTOpa 14 линейно измшшюще1ЖСЯ напряжения, и на выходе: сумматор 13 появляется напряжение, пропорционвпьное величине расстройки частоты автоколебаний U)p относительно резонансной частоты усилтгеля 9. Под воздействием этого напряжения частота перестраиваемого генератора 17 устанавливается такой, что на выходе усили теля 9 существукуг колебания с частото равной частоте его настройки В установившаяся режиме эначенне частоты перестраиваемого генерапгора 1 (EI зависхгг от величины времени запаздывания сигнала в фотсшрсс лнике и может быть опредеяеио из условия ба панса фаз. ап-Чп 5 5э--Н, где , - аппаратурное время задержки сигнала в сяггическом модуля торе 2 и в оптической линия 3 задержки; фУ, - время задержки шгнала в фотоп{жемнике 4; - Бремя задерискн сигнала в широкопспосямом усюштвле 7; при ноошергарукхпвх усилитеТ лях 7 и 9 и щя инвертировании фазы в одном из усилителей. Узкопояосный.усилягель 9 и фильтр 5 настроены на резонансную частоту Wo поэтому фазовый сдвиг сигнала в этих ента равен нулю и на условие баланса .фаз не влияет. Учитывая, что 51 Clt-W ai словие баланса фаз можно представить в виде уравнения, () -. Если резонансный усилитель 9 настроен а частоту /,/ - / о г РЕ частота колебаний ааареюго генератора 11равна то как следует из уравйеия (2), частота колебаний перестраиваем ого генератора 17 установится равно - ««а-« о-; Измеряя частоту колебаний на выходе перестраиваемого генератора 17 с помошью 4acTOT«viepa 18, можно опредепить величину измеряемого времени за- пааяьгоания сигнала в фотоприемнихе 4. При изменении времени сигналов в фстоприемнике 4 на величину дТ происходЕгг изменение фазового сдвига сигнала на выходе фйт щр&емника 4 на величину , что приведех к изменению частоты автоколебаний иа выходе усилителя 9. На выходе фазового детектора 10 появится управлякяцее напряжение, поступающее через фвошгр 12нижних частот и сумматор 13 иа блок 16 управления. При этом частота копебаиий генератора 17 будет изменяться таким образом, что частота колебаний на выходе усхлителя 9 будет приближаться к частоте Wo По взмв- нению частоты копебаиий перестраиваемого генератора 17, рвгястркру юму частотся ером 18 можно суд(пь о величине вэмевешш взмеряемого расстоавокя. Пограпиость взмерваия рремени за- . лаздывавни сигнала в фотопрвемввхе 4 с помощью данного устройства опредепя ется из выражения (У - . п SceJa. Чэ где (Tctia среднеквадратическое значение погрешности определения частоты перестраиваемого генератора 17, определяемое в основном средаеквадратяч ееКИМ значением флуктуации частоты этого генератора в силу высокой точности измерения частоты, с помощью современных частотомеров} S(SJ д 2|д iilЬ|C - крутизна зависямости частоты колебаний перестраиваемого генератора от величины времени запаздьгаакия i определяемой выражением (4). При относительной Нестабильности частоты, колебаний j (SJ погрешность измерения времени запазды вания определяется выражением Таким образом, данное устройство позволяет повысить точность измерения времени запаздывания сигнала в фотоприемниках, так как сужение полосы пропускания в измерительной автоколебательной системе пршаводнт к увелзнЧ1 ию ее помехозащищенности и к повышению стабильности частоты автоколебаний. При выборе частот опорного генератора 11 и уоапитепя 9 так, как это определе в выражении (З), величина аппаратурного времени задержки не сказывается на псхгрешиости . Кроме того, вследствие линейности функциональной зависимости частоты колебаний U)2. от в шчины измеряемого времени запаздывания сигнала данном устройств сочзугствуют ошибки из-за нелинейности зависимости измеряемой частоты ст которые имеются в известном устройств Формула изобретения Измеритель времени запаздывания сигнала в фотоприемниках, содержащий высокочастотный генератор и последовательно включенные источник света, оптический модулятор, оптическую линию задержки и фотоприемник, последователв ио соединенные первый балансный смеситель, широкополосный усгаштепь и второй балансный смеситель, входы высокой частоты смесителей подключены к выходу высокочастотного генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащгаценности устройства и точности измерений, в него введены включенный между выходом фотоприемника и входом первого балансного смесителя узкополосный фшштр, опорный генератор, генератор линейно изменяющегося напряжения, фазовый детектор, фильтр нижних частот, узкополосный усшштель, ключ, сумматор и блок управления, причем выходы узкополосного усилителя подключены соответственно к одному из входов оптического модулятора и к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выход через фильтр нижних частот - с первым входом сумматора и управляющим входсп ключа, второй вход которого подключен к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения, а выход - к второму входу сумматора, выход которого через блок управлешся подключен к управляющему входу высокочастотного генератора, выход второго балансного смесителя соединен с входом узкополосного усилителя. Источники инфс кмашш, пршштые во внимание првес экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 536465Гкл. G04 F 1О/О4, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2894814/18-21, 18.03.80 (прототип).