Устройство для измерения малых уровней сигнала Советский патент 1982 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровней гармонических сигналов, лежащих ниже уровня шума усилителя.

Известно устройство для автокорреляционного измерения мощности радиоимпульсного сигнала на фоне аддитивного шума, содержадее усилитель, блок задержки, видеодетектор и коррелятор 1Д.

Недостатками этого устройства являются низкие разрешающая способность и реальная чувствительность из-за нелинейности вольтамперной характеристики видеодетектора, значительной инерционности усредняющей цепи, равной периоду следования импульсов.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения малых уровней сигналов, содержащее два усилителя, своими входами подключенными к источнику сигнала, а выходами, соответственно, к двум входам перемножителя, выход которого подключен к индикатору через интегратор С23 .

Недостатками этого устройства являются высокие требования к идентичности фазовых характеристик, так как разбаланс фаз приводит к ошибочным отсчетам, обусловленных дополнительным сдвигом при функции взаимной корреляции от t О. Создание двухканальных идентичных усилителей приводит к значительному усложнению устройства.

Цель изобретения - повышение точ10ности измерений и реальной чувствительности устройства путем разверт-ки во времени функции автокорреляции при одноканальном методе анализа.

Поставленная цель достигается

15 тем, что в устройство введены установленные на выходе усилителя блок выборки и хранения, подключенный к входу перемножителя, и последовательно соединенные между собой диск20риминатор знака и регистр сдвига, через переключатель подключенный к второму входу упомянутого перемножителя, и кольцевой регистр, тактируемый генератором, выход которого

25 одновременно подключен к управляющему входу блока выборки и хранения.

Блок усреднения выполнен из п конденсаторов, одними своими выводами подключенными к интегрирующему

30 резистору, а вторыми к п ключс1Л,

вторые выводы которых присоединены к общей шине, а управляющие к выходам кольцевого регистра, соединенного п-ым выходом с тактируюемым входом регистра сдвига, а установочным входом - с установочной шиной, и входом обнуления регистра сдвига.

На фиг. 1 дана структурная схема устройства для измерения малых уровней сигнала, на фиг. 2 - временные диаграммы работы блока устройства.

Устройство содержит усилитель 1 выходом подключенный к входу регистра 2 сдвига через дискриминатор 3 знака и к входу блока 4 выборки и хранения, а входом к входной шине 5. Выход блока 4 выборки и хранения подключен к аналоговому входу релейного перемножителя 6, дискретный вход которого подключен к одному из выходов регистра 2 сдвига через переключатель 7, а выходом к входу блока 8 усреднения, состоящего из резистора 9, одним выводом подключенным к входу перемножителя б, а другим к индикатору 10 и к п конденсаторам 11 ,, .. Д1„, другие выводы которых подключены к входам соответствунндих ключей 2,,,.,2 вторыми выводами подключенныг/ш к общему проводу, а управляюци.и входами к выходам кольцевого регистра 13, причем п-й выход кольцевого регистра 13 подподключен к тактовому входу регистра 2 , а своим тактовым входом с генератором 14 и с-входом блока 4 выборки и хранения, а входом предварительной установки с входом установки нуля регистра 2 и шиной 15.

Работа устройства заключается в следующем..

При действии на входе устройства сигнала, соизмеримого с собственными шумами усилителя 1, на выходе последнего формируется аддитивная смесь полезного сигнала и шума, которая может быть представлена следующим математическим выражением:

y(t) f(t) x(t),

где y(t) - сигнал на выходе усилителя;

(t) - составляющая аддитивного шума на выходе усилителя; x(t) - полезный сигнал на выходе

усилителя.

Учитывая, что (t) и x(t) - процессы статически независиг ы, функция автокорреляции процесса y(t) равна сумме автокорреляционных функций (t) и xCt)

))

При релейном методе корреляции для процесса x(t) 2JFb- фyнk

I д

ция Кред.хС) имеет вид;

w.. Тх/а

т

dt SlnUj1

.ilUx /r

peA.xt)T 3l TrИз полученного соотношения следует, что максимум ( Kpg/|.( f) ) пропорционален амплитуде входного сигнала. Форма сигнала х(Т) и его корреляционная функция KpgA.CT) без учета .начальной фазы совпадают и соответствуют гармоническому процессу. Эта особенность взята за основу работы устройства.

В момент прихода импульса по шине 15 кольцевой регистр устанавливается в состояние, при котором на первом выходе устанавливается единица,а н остальных ноль,а регистр 2 обнуляется.

ни мере прохождения импульсов с тактового генератора 14 единица на выходах кольцевого регистра 13 по каждому импульсу перемещается в более старший разряд и через п тактов импульс с п-го разряда поступает на тактовый вход регистра 2. в зтот момент регистром 2 фиксируется текущий знак процесса Sgny(t) с выхода дискриминатора 3 знака и затем по каждому импульсу п-го разряда кольцевого регистра 13 сдвигает записанный знак в более старший разряд регистра 2 , а в. первый вновь записывается текущее .значение знака.

Одновременно по каждому импульсу с генератора 14 (фиг.2) формируется текущая аналоговая информация в устройстве 4 выборки и хранения и удерживается до прихода следующего импульса. Таким образом, на выходе перемножителя б имеем

(4)-s«(

где i - порядковый номер выхода кольцевого регистра 13, j - порядковый номер выхода регистра 2 сдвига; TO - период следования импульсов

с генератора 14.

Учитывая то, что потенциалы с выходов кольцевого регистра 13 управляют ключатли 12,...,12, причем единице соответствует замыкание ключа, а нулю разглыкание, и перемещение единицы происходит по кахузому импульсу -с генератора 13, на конденсаторах 11

,11 накапливается потен1 f «

циал, тождественно равный

cг ()-5Ч5(

где - указывает на усреднение. Если учесть, что величина (i + JN)to значительно больше максимального интервала корреляции процесса (t) и принимается такой, ч . 1и« .fU iNl- oll -jто Uj. можно представить в виде Up. (tifo))o. Принимаем, что за один цикл Т, N to укладывается Ч целых периодо 1 1 1 Тогда пр вЫХ f, ТО получить соотношения для опреде ления периодов следования импульсо to с генерсртора 14 Тх1Н-е) Так как в течение одного цикла Тц укладывается целое число период Вых конденсаторы 11 ,.., ,11 п реключаются последовательно и пода ют информацию в виде напряжения на индикатор 10 об аргументе функции автокорреляции соответственно f- (1 JN),...,, (N то на выходе блока 8 среднения им ем непрерывный дискрётизированный синусоидальный сигнал, аппроксимир ванный последовательностью прямоугольных импульсов, длительностью равной периоду дискретизации fo с периодом . амплитудой, пропо циональной амплитуде входного сигнала. В качестве индикатора 10 может быть использован распространенный вольтметр переменного тока, работа щий по принципу измерения среднего значения. При достаточном количест ве п ошибка, вызванная дискретизацией при используемой аппроксимаци сигнала на выходе блока 8 усреднения, может быть сведена к минимуму так как значение в этом случае практически не изменяется, 5 гг ilk 1 Если принять j Д , где g количество целых периодов Tj, укла дывающихся на интервале задержки регистра 2 сдвига до переключателя 7,. то при этом ошибка, вызванная неточностью установки t, будеч ми нимальная и незначительная, так ка на конденсаторе 11„ и 11 установи ся напряжение соответствующее Крел.х(О), Предлагаемое одноканальное устройство при отсутствии второго канала усиления и использования более простого релейного перемножителя позволяет повысить точность измерения и реальную чувствительность. Кроме того, преобразование частоты входного сигнала т в более низкочастотную ТГ,(ПОЗВоляет расширить частотную облаоть применения устройства и применять в качестве индикатора более низкочастотный вольтметр, Для уменьшения дисперсии статистической ошибки, а, следовательно, и повышение чувствительности измерения целесообразно, помимо увеличения постоянной времени блока 8 усреднения, уменьшить полосу усилителя 1 или выполнить его в виде селективного усилителя, построенного на частоту входного сигнала. При этом некоторая неточность подстройки существенно не повлияет на результат измерения, так как величина фазового набега не влияет на результат измерения по сравнению с двухканальным устройством. Формула изобретения 1,Устройство для измерения малых уровней сигнала, содержащее усилитель , блок усреднения и перемножитель , своим выходом подключенный к индикатору через интегрирующий резистор блока усреднения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и реальной чувствительности устройства, в него введены установленные на выходе усилителя блок выборки и хранения, подключенный к входу перемножителя, и последовательно соединенные между собой дискриминатор.знака и регистр сдвига, через переключатель, подключенный к второму входу упомянутого перемножителя, и кольцевой регистр, тактируемый генератором, выход которого одновременно подключен к управляющему входу блока вьзборки и хранения. 2,устройство по п,1, о т л и - чающееся тем, что блок усреднения выполнен из п конденсаторов, одними своими выводами подключенными к интегрирукхдему резистору, а вторыми к п ключам, вторые выводы которых присоединены к общей шине, а управляющие - к выходам кольцевого регистра, соединенного п-ым выходом с тактируегЫМ входом регистра сдвига, а установочным входом - с установочной шиной и входом обнуления регистра сдвига. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, .Авторское свидетельство СССР №172366, кл, G 01 R 29/26, 1965, 2. Воюцкий В.С, Корреляционный метод обнаружения и измерения слабых сигналов, Недра, 1965, рис, 3, с, 5-7 (прототип).

Фиг,1

ixoB

V

fjiOKa 13

Выход Улдка