CN111308223B - 基于传输响应的脉冲信号幅度测量方法 - Google Patents

基于传输响应的脉冲信号幅度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于传输响应的脉冲信号幅度测量方法，它涉及电子测量技术领域。利用脉冲信号传输响应模型，只需要截取脉冲高电平部分信号，即可反向推导脉冲信号的幅度。首先，采集脉冲信号，并截取脉冲信号的高电平部分信号yt，截取信号的起始位置为脉冲信号的过冲峰值，最大末尾位置为脉冲下降沿的前一个数值，截取的数据不小于5个。求解出信号yt的一阶导数y′t和二阶导数y″t，截短信号yt和y′t，使其长度与y″t一致；将参数yt和y′t、y″t带入公式A·y″t+B·y′t+yt＝E中；求解出公式中的参数，其中参数E即为信号的幅度。本发明与现有的方法相比：从脉冲信号传输机理出发，反向求解脉冲信号的幅度，具有测量精度高，适用面广的优点。

Description

基于传输响应的脉冲信号幅度测量方法
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及基于传输响应的脉冲信号幅度测量方法。
背景技术
脉冲信号幅度测量是确定脉冲波形参数的基础，如脉冲的上升时间、脉冲宽度、预冲、过冲、振铃等参数的测量都需要首先确定脉冲幅度，只有准确地测量出了脉冲幅度，才能确定以上各参数的特征值。
现有技术中的测量方法不准确可靠，且需要脉冲满足别的要求，适用范围小。
现有技术中，文献(王妍.基于单片机的脉冲信号参数测量研究[J].电子质量，2018，381(12):121-123.)将采集数据通过阈值分割和取中值的方法得到脉冲信号的幅度，当频率高，脉冲振荡剧烈时，误差较大；
文献(付永杰，毕鹏，于卫平.基于高速数据采集技术的脉冲幅度测量方法研究[J].宇航计测技术(5):27-30，34.)先对脉冲进行高速采样，然后根据脉冲波形的出现的密度分布获得脉冲幅度值；
文献(葛惠君.脉冲幅度测量方法及不确定度评定[J].计测技术，2006(03):52-54.)介绍了几种脉冲幅度测量方法：(1)示波器直接观察，但测量误差与仪器精度和个人经验有很大关系；(2)采用斩波器将直流电压与脉冲幅度切换，切换后的信号送到高灵敏度示波器进行平衡显示，但该方法采用纯模拟的方法实现，测量精度与仪器精度、操作人员的素质有很大关系；(3)采用数字万用表的触发采样功能，在恰当的时刻对信号采样，获取信号幅度，但这种方式在存在过冲和振荡时会导致极大测量误差，同时，由于取样速度的现实，该方法不适用于高速信号。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供基于传输响应的脉冲信号幅度测量方法，能够解决现有技术中存在的测量不准确可靠、适用范围小等问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：通过建立脉冲信号传输响应模型，截取脉冲高电平部分信号，即可反向推导脉冲信号的幅度；具体包含以下步骤：
S1、建立脉冲信号传输响应模型，采集脉冲信号，并截取脉冲信号的高电平部分信号yt，截取信号的起始位置为脉冲信号的过冲峰值，最大末尾位置为脉冲下降沿的前一个数值，截取的数据不小于5个；
S2、求解出信号yt的一阶导数y′t和二阶导数y″t，截短信号yt和y′t，使其长度与y″t一致；
S3、将参数yt和y′t、y″t带入公式A·y″t+B·y′t+yt＝E中，式中A、B、E均为常数；
S4、求解出公式中的参数E，参数E即为脉冲信号的幅度值。
进一步的，所述脉冲信号传输响应模型为电阻串联电感串联电容结构，信号从电容取出。
进一步的，所述公式A·y″t+B·y′t+yt＝E及A、B、E由以下方式得出：
根据脉冲信号传输响应模型，可得出输入与输出的关系式如公式(1)所示：
Figure BDA0002315109160000031
式中，xt是输入信号，ω是信号的角频率，j是单位虚数；信号源的输出阻抗为R，传输线上的等效电感为L，传输线的对地等效电容为C，输入端口输入的为理想脉冲信号，输出端口为包含过冲和振铃的畸变脉冲信号；
将公式(1)写成拉普拉斯域表达式，整理后得到公式(2)：
yt·(LCs2+RCs+1)＝xt (2)
由于截取的是脉冲信号的高电平部分，为一常数，因此可以令xt＝E，E为常数，根据拉普拉斯与微分的关系，公式(2)可以写成公式(3)：
LC·y″t+RC·y′t+yt＝E (3)
令LC＝A，RC＝B，得到公式(4)：
A·y″t+B·y′t+yt＝E (4)
整理公式(4)可得出：
Figure BDA0002315109160000032
式中，k为大小与y″t相同的矩阵，且元素全为-1，公式(5)为一多项式，使用最小二乘法解出参数A、B和E。
采用上述结构后，本发明的优点在于：
(1)与现有的方法相比，根据脉冲的传输响应特性建模，从脉冲信号传输机理出发，通过求解模型系数的方法反向求解脉冲信号的幅度，具有测量精度高、可靠的优点；
(2)该脉冲幅度测量方法，只需要截取脉冲高电平的部分数据，即可反向推导计算出脉冲信号的幅度，对脉冲没有其它方面的要求，具有适用范围广的优点。
附图说明
图1为本发明的高速脉冲幅度测量的全过程；
图2为本发明的脉冲信号传输线路模型；
图3为本发明的脉冲信号的输出波形；
图4为本发明截取的脉冲高电平信号波形yt；
图5为本发明的信号yt的一阶导数y′t；
图6为本发明的信号yt的二阶导数y″t。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本具体实施方式采用如下技术方案：
如图1所示，本发明以高速脉冲信号为检测对象，图2为脉冲信号传输线路的模型，假设信号源的输出阻抗为R，传输线上的等效电感为L，传输线的对地等效电容为C，输入端口输入的为理想脉冲信号，输出端口为包含过冲和振铃的畸变脉冲信号。
根据图2可得出输入与输出的关系式如公式(1)所示：
Figure BDA0002315109160000051
式中，xt是输入信号，ω是信号的角频率，j是单位虚数；
将公式(1)写成拉普拉斯域表达式，整理后得到公式(2)：
yt·(LCs2+RCs+1)＝xt (2)
由于截取的是脉冲信号的高电平部分，为一常数，因此可以令xt＝E，E为常数，根据拉普拉斯与微分的关系，公式(2)可以写成公式(3)：
LC·y″t+RC·y′t+yt＝E (3)
令LC＝A，RC＝B，得到公式(4)：
A·y″t+B·y′t+yt＝E (4)
整理公式(4)可得出：
Figure BDA0002315109160000052
式中，k为大小与y″t相同的矩阵，且元素全为-1，公式(5)为一多项式，使用最小二乘法可解出参数A、B和E。
下面以一计算实例来说明求解过程。假设高速脉冲信号幅度为1V，频率为5MHz，占空比50％，采样率是1GHz，传输线路的等效参数为R＝5Ω，L＝0.1uH，C＝100pF，输出畸变的脉冲信号如图3所示，截取脉冲信号的高电平信号yt如图4所示；
对信号yt取一阶微分得到如图5所示的信号y′t，对信号yt取二阶微分得到如图6所示的信号y″t，信号y″t的长度最短，将信号y′t和信号yt的长度截成与y″t一样长，舍弃后面多余的元素。假设y″t的长度是N。构造矩阵U＝[y″t y′t C]为N×3的矩阵，
Figure BDA0002315109160000061
为3×1的矩阵，-yt为N×1的矩阵。利用最小二乘法，解出
Figure BDA0002315109160000062
Figure BDA0002315109160000063
三个元素分别对应为A、B和E，那么第三个元素即为信号的幅度值E，可得到脉冲信号的幅度E＝0.9997。
根据设定值与估计的比较可以发现，该方法能实现对脉冲信号的测量，并且有较高的测量精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.基于传输响应的脉冲信号幅度测量方法，其特征在于：通过建立脉冲信号传输响应模型，截取脉冲高电平部分信号，即可反向推导脉冲信号的幅度；具体包含以下步骤：
S1、建立脉冲信号传输响应模型，采集脉冲信号，并截取脉冲信号的高电平部分信号yt，截取信号的起始位置为脉冲信号的过冲峰值，最大末尾位置为脉冲下降沿的前一个数值，截取的数据不小于5个；
S2、求解出信号yt的一阶导数y′t和二阶导数y″t，截短信号yt和y′t，使其长度与y″t一致；
S3、将参数yt和y′t、y″t带入公式A·y″t+B·y′t+yt＝E中，式中A、B、E均为常数；
S4、求解出公式中的参数E，参数E即为脉冲信号的幅度值；
所述脉冲信号传输响应模型为电阻串联电感串联电容结构，信号从电容取出；
所述公式A·y″t+B·y′t+yt＝E及A、B、E由以下方式得出：
根据脉冲信号传输响应模型，可得出输入与输出的关系式如公式(1)所示：
Figure FDA0003372593330000011
式中，xt是输入信号，ω是信号的角频率，j是单位虚数；信号源的输出阻抗为R，传输线上的等效电感为L，传输线的对地等效电容为C，输入端口输入的为理想脉冲信号，输出端口为包含过冲和振铃的畸变脉冲信号；
将公式(1)写成拉普拉斯域表达式，整理后得到公式(2)：
yt·(LCs2+RCs+1)＝xt (2)
由于截取的是脉冲信号的高电平部分，为一常数，因此可以令xt＝E，E为常数，根据拉普拉斯与微分的关系，公式(2)可以写成公式(3)：
LC·y″t+RC·y′t+yt＝E (3)
令LC＝A，RC＝B，得到公式(4)：
A·y″t+B·y′t+yt＝E (4)
整理公式(4)可得出：
Figure FDA0003372593330000021
式中，k为大小与y″t相同的矩阵，且元素全为-1，公式(5)为一多项式，使用最小二乘法解出参数A、B和E。
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基于单片机的脉冲信号参数测量系统;陈蓉 等;《电子设计工程》;20180731;第26卷(第14期);第153-157页 *

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