RU2853656C1 - Способ измерения сдвига между двумя периодическими последовательностями импульсов и устройства его осуществления - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относится к области автоматического измерения неизвестных временных сдвигов между двумя независимыми периодическими импульсными сигналами и может быть использовано для сравнения и синхронизации различных шкал времени, материализуемых в виде периодических последовательностей электрических импульсов. Сущность: сдвиг между двумя периодическим последовательностями импульсов измеряется как интервал времени между импульсом первой последовательности и импульсом второй последовательности. Измерения интервала времени между импульсами выполняются с использованием периодической структуры первой и второй последовательностей. Измерение в текущем периоде первой последовательности выполняется с использованием результатов измерения в предыдущем периоде первой последовательности. Для измерения используется тактовый сигнал с постоянным периодом. Импульсы, ограничивающие измеряемый интервал времени, преобразуются в аналоговые сигналы, длительность которых много больше периода тактового сигнала. Рассчитываются положения временных стробов одинаковой длительности, в которых ожидается появление аналоговых сигналов. Внутри стробов выполняется дискретизация и аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов с периодом тактового сигнала. Внутри стробов вычисляется временной сдвиг одного сигнала относительно другого с использованием взаимной корреляционной функции, выраженный в периодах тактового сигнала. Сдвиг между последовательностями вычисляется как сумма числа периодов тактового сигнала между импульсами, корреляционного сдвига и квазипостоянной калиброванной поправки. Технический результат: построение измерителя сдвига между импульсными последовательностями, в котором устранены неопределенности в регистрации моментов появления начального и конечного импульсов. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к области автоматического измерения неизвестных временных сдвигов между двумя независимыми периодическими импульсными сигналами. Изобретение может быть использовано для сравнения и синхронизации различных шкал времени, материализуемых в виде периодических последовательностей электрических импульсов.

Уровень техники

Сдвиг между двумя периодическими импульсными последовательностями можно определить, измерив длительность интервала времени между моментом появления очередного импульса одной последовательности (первая последовательность) и моментом появления импульса другой последовательности (вторая последовательность). Импульс первой последовательности, обозначающий начало измеряемого временного интервала, далее будет называться начальным импульсом. Импульс второй последовательности, обозначающий окончание измеряемого временного интервала, далее будет называться конечным импульсом. Подробный обзор современных методов измерения интервалов времени между первым и вторым импульсами можно найти в Henzler S. Time-to-Digital Converters. Springer Dordrecht, 2010. DOI: 10.1007/978-90-481-8628-0. В периодических последовательностях первый и второй импульсы появляются с периодов повторения последовательностей. Процесс измерения временного интервала для очередной пары первого и второго импульсов далее будет называться циклом измерения.

Простейший способ измерений интервала времени между импульсами состоит в подсчете числа периодов некоторого тактового сигнала, прошедших между этими импульсами. Подсчитанное число периодов представляет собой величину интервала, выраженную в единицах периода тактового сигнала. Обычно, разрешение такого способа составляет один период тактового сигнала. Известен способ [SU 1817056A1, МПК G04F 10/04], который измеряет промежутки времени с разрешением в половину периода тактового сигнала. Обычное разрешение в измерителях временных интервалов (ИВИ) такого типа не лучше 1 нс. Погрешность измерения определяется стабильностью периода тактового сигнала.

Разрешение в измерениях интервала времени через подсчет периодов тактового сигнала можно улучшить, если одновременно использовать несколько тактовых сигналов, одинаковых по форме, но сдвинутых по фазе. Такой способ описан в [S. K. Dhawan, "Time Measurement with a Multiphase Clock," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 30, no. 1, pp.293-296, Feb. 1983, doi: 10.1109/TNS.1983.4332273]. Подсчет периодов одного из тактовых генераторов (основного), возникших внутри измеряемого интервала времени, выполняется в точности так, как и в предыдущем способе. Тактовые сигналы от остальных генераторов, равномерно сдвинутые по фазе внутри периода основного генератора, используются для уточнения моментов начала и конца измеряемого интервала внутри периода основного тактового генератора. В этом способе разрешение однократного измерения интервала времени будет равно фазовому сдвигу между генераторами, выраженному в долях периода. Погрешность однократного измерения в таком способе определяется стабильностью периодов тактового генератора и точность поддержания фазовых сдвигов между ними. Реализация такого способа требует применения высокостабильных генераторов и систем фазовой автоподстройки частоты с малым фазовым шумом для поддержания постоянного фазового сдвига между ними.

Вариантом способа подсчета периодов тактовых сигналов от нескольких тактовых генераторов является нониусный (верньерный) способ [US 4165459 A; МПК G01R 23/02, Н03К 21/30], в котором применяются два генератора с незначительно различающимися периодами. Разрешение однократного измерения в таком способе равно разности между периодами тактовых генераторов, которую можно сделать достаточно малой. Этот способ также требует применения высокостабильных генераторов с малым фазовым шумом. Дополнительно, для реализации этого способа требуется прецизионная схема обнаружения совпадения фаз обоих генераторов.

Альтернативой применению высокостабильных генераторов является способ [US 11287532 B2, МПК G01S 19/23, G04F 10/00] прямого преобразования измеряемого промежутка времени в цифровой код при помощи цифровой линии задержки. В этом способе начальный импульс подается на вход цифровой линии задержки, отводы от которой подключены ко входам данных синхронного регистра результата. Конечный импульс используется как сигнал записи текущего состояния линии задержки в синхронный регистр результата. В результате, в регистре сохраняется цифровой код измеряемого временного интервала, представленный с единицей младшего разряда, равной длительности переключения одного элемента линии задержки. В современных цифровых линиях задержки в интегральном исполнении эта длительность составляет около 100 пс. Таким образом, на текущем уровне развития электронной компонентной базы, данный способ обеспечивает разрешение однократного измерения временного интервала порядка 0,1 нс.

Разрешение в измерении временного интервала с использованием цифровой линии задержки можно улучшить за счет использования нониусного (верньерного) способа [US 9197402 B2; МПК Н03М 1/48, H04L 7/033, H03L 7/197, G04F 10/00]. В этом способе используются две линиии задержки. Задержка переключения элемента одной линии задержки незначительно отличается от задержки переключения элемента другой линии задержки. Начальный импульс подается на вход первой линии задержки, отводы от которой подключены к входам данных синхронного регистра результата. Конечный импульс подается на вход второй линии задержки, отводы от которой подключены ко входам записи отдельных триггеров синхронного регистра результата. В результате измерения в регистре сохраняется цифровой код измеряемого временного интервала с разрешением однократного измерения, равным разности задержек переключения отдельных элементов первой и второй линий задержки.

Погрешности измерения интервала времени между импульсами в этих способах определяются разбросом параметров отдельных элементов линий задержки и сильной зависимостью этих параметров от окружающей температуры и напряжения питания. Разброс параметров определяется топологией цифровой микросхемы, в которой реализована цифровая линия задержки. Для уменьшения этого разброса применяются сложные схемы управления, построенные на прецизионных схемах фазовой автоподстройки частоты с тактированием от высокостабильного генератора. Практическая реализация таких схем управления в составе микросхемы цифровой линии задержки сопровождается преодолением значительных технических затруднений.

Третий подход к точному измерению временного интервала между импульсами состоит в преобразовании измеряемого интервала в аналоговый сигнал, у которого имеется легко измеряемый параметр, зависящий от длительности временного интервала.

Известен способ [US 7977980 B2; МПК Н3К 5/0] преобразования временного интервала в аналоговый сигнал с линейно-нарастающей амплитудой. Линейный рост амплитуды начинается в момент прихода начального импульса и прекращается в момент прихода конечного импульса. Значение амплитуды в момент прекращения роста подвергается аналого-цифровому преобразованию. Код, полученный после преобразования, пропорционален длительности измеряемого интервала. Основным недостатком этого способа, проявляющимся при выполнении измерений с субнаносекундным разрешением, является необходимость использования АЦП большой разрядности, линейного во всем динамическом диапазоне. Дополнительным недостатком этого способа является требование высокой стабильности и повторяемости (от запуска к запуску) характеристик аналоговой схемы формирования линейно нарастающей амплитуды.

Ослабить требования к АЦП позволяет использование аналогового расширения импульсов, определяющих границы измеряемого временного интервала. В этом подходе в момент появления начального импульса формируется расширенный аналоговый сигнал определенной формы (первый аналоговый сигнал), конечная длительность которого многократно превышает период тактового сигнала. В момент появления конечного импульса формируется точно такой же второй аналоговый сигнал. Оба аналоговых сигнала последовательно подвергаются дискретизации и аналого-цифровому преобразованию, которое превращает их в первый и второй цифровой сигналы, соответственно. Интервал времени между начальным и конечным импульсами можно определить путем вычисления взаимной корреляционной функции между первым и вторым цифровыми сигналами. Требования к АЦП и к кратковременной стабильности периода тактового сигнала в этом способе ослабляются за счет усреднения большого количества цифровых отсчетов, взятых из двух расширенных аналоговых сигналов в различные моменты времени и при различных мгновенных значениях величин этих сигналов.

В [US 7057978 B2; МПК G04F 8/00, G04F1 0/00] в качестве аналогового расширителя импульсов используется полосовой фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтр). Этот способ и устройство его осуществления наиболее близки к описываемому изобретению и рассматриваются в качестве прототипа. В прототипе имеется счетчик, непрерывно подсчитывающий периоды тактового сигнала. В момент появления начального импульса запоминается первое значение счетчика. В момент появления конечного импульса запоминается второе значение счетчика. Измеренное значением интервала времени выражается в периодах тактового сигнала и вычисляется из разности между первым и вторым значениями счетчика и из сдвига между первым и вторым цифровыми сигналами, полученного из их взаимной корреляционной функции.

Рассматриваемый прототип имеет существенный недостаток, обусловленный спецификой работы современных синхронных цифровых устройств. Если начальный или конечный импульсы возникают на входе прототипа асинхронно относительно тактового сигнала, то в момент асинхронного запоминания первого или второго значения счетчика может возникнуть состояние метастабильности запоминающего регистра, которое приведет к запоминанию полностью неопределенного значения. Неопределенность в запомненном значении счетчика приведет к неопределенному результату измерения временного интервала. Применение специальных анти-метастабильных схем и синхронизаторов устраняет эту неопределенность лишь частично. В этом случае неопределенность в запомненном значении имеет порядок нескольких периодов тактового сигнала, что вносит такую же погрешность в измерение временного интервала. Таким образом, для рассматриваемого прототипа велика вероятность появления некорректных измерений временного интервала с неопределенными погрешностями.

Указанный недостаток полностью устраняется в описываемом изобретении. Способ, предложенный в описываемом изобретении, дополнительно, позволяет обнаруживать аварийные ситуации и сбои в работе в линиях распространения или в генераторах первой и второй импульсных последовательностей.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, состоящего в построении измерителя сдвига между импульсными последовательностями, в котором устранены неопределенности в регистрации моментов появления начального и конечного импульсов. Указанный технический результат достигается за счет использования периодический структуры импульсных последовательностей, между которыми измеряется сдвиг.

Каждый цикл измерения в ИВИ, рассматриваемом в данном изобретении, начинается с ожидания очередного импульса первой или второй последовательности. При нормальной работе ИВИ возможны два случая. Если сначала возникает импульс первой последовательности, а следом за ним - импульс второй последовательности, то импульс первой последовательности считается начальным, импульс второй последовательности - конечным, а интервал времени между ними - положительным. Если первым возникает импульс второй последовательности, а следом за ним (или одновременно с ним) - импульс первой последовательности, то импульс первой последовательности считается начальным, импульс второй последовательности - конечным, а интервал времени между ними -отрицательным (или равным нулю).

Импульсы в периодических последовательностях рассматриваемого изобретения могут быть как безымянные, так и именованные. Безымянные импульсы одной последовательности отличаются только моментом времени возникновения и других отличий не имеют. Каждому именованному импульсу присваивается уникальное имя или признак, по которому он может сравниваться с другими импульсами первой или второй последовательности. Примером уникального имени импульса может служить цифровое значение момента времени его возникновения, назначенное относительно шкалы времени, которую материализует периодическая последовательность импульсов.

Если импульсы именованные, то в качестве начального и конечного импульсов назначаются импульсы с логически совпадающими именами. Если импульсы не именованные, начальный и конечный импульсы назначаются устройством управления ИВИ исходя из специфики его применения.

ИВИ выполняет периодические измерения временного интервала между начальным и конечным импульсами с периодом повторения циклов измерения, равным периоду первой последовательности. Каждый цикл измерения включает в себя грубое определение моментов появления начального и конечного импульсов. Определение выполняется синхронно с тактовым сигналом, с защитой от метастабильности, а полученные значения моментов времени содержат неопределенность в несколько периодов тактового сигнала. К началу текущего цикла измерения в памяти вычислительного устройства содержатся значения грубого периода первой последовательности и грубого сдвига между последовательностями, определенные на предыдущем цикле измерения, и выраженные в целых числа периодов тактового сигнала. Грубый сдвиг выражается отрицательным числом, если конечный импульс опережает начальный и положительным числом, если наоборот.

Наличие грубых значений периода первой последовательности и сдвига между последовательностями, полученных на предыдущем цикле измерения, позволяет рассчитать положение первого временного строба, внутри которого ожидается появление первого аналогового сигнала и положение второго временного строба, внутри которого ожидается появление второго аналогового сигнала. Если грубое значение сдвига отрицательное (или нулевое), то момента начала (открытия) второго строба опережает момент открытия первого строба (или совпадает с ним). Если грубое значение сдвига положительное - момент открытия первого строба опережает момент открытия второго строба.

Ширина строба (длительность промежутка времени между началом и концом строба) устанавливается одинаковой для обоих стробов и выбирается не меньше конечной длительности аналогового сигнала. Значение ширины выражается в виде целого числа периодов тактового сигнала, которые должны пройти от момента открытия строба до момента конца строба (до закрытия строба) Границы стробов устанавливаются синхронно с периодами тактового сигнала так, чтобы расчетное положение середины первого аналогового сигнала располагалось вблизи середины первого строба, расчетное положение середины второго аналогового сигнала располагалось вблизи середины второго строба.

В момент открытия первого строба текущего цикла измерения АЦП начинает выборку первого аналогового сигнала. Выборка прекращается в момент закрытия первого строба, после прохождения заданного числа периодов тактового сигнала, указанного в ширине строба. Цифровые отсчеты первого аналогового сигнала запоминаются в памяти вычислительного устройства в виде первого цифрового сигнала.

В момент открытия второго строба текущего цикла измерения АЦП начинает выборку второго аналогового сигнала. Выборка прекращается в момент закрытия второго строба, после прохождения заданного числа периодов тактового сигнала, указанного в ширине строба. Цифровые отсчеты первого аналогового сигнала запоминаются в памяти вычислительного устройства в виде второго цифрового сигнала. Количество отсчетов в первом и во втором цифровых сигналах совпадают между собой.

Первый и второй цифровые сигналы получены с выхода однотипных расширителей импульсов. Эти сигналы находятся внутри стробов одинаковой длительности, но их точное положение относительно границ стробов неизвестно. Оба сигнала имеют общее происхождение и близкую форму, что позволяет использовать взаимную корреляционную функцию (ВКФ) для измерения сдвига между ними. ВКФ определяет сдвиг одного сигнала относительно другого внутри строба, но не определяет сдвиг сигналов относительно границ стробов.

Значение сдвига между первой и второй последовательностями, полученное в текущем цикле измерения, выраженное в периодах тактового сигнала, вычисляется как сумма целого числа периодов тактового сигнала между границами первого и второго стробов, действительного числа относительного сдвига цифровых сигналов внутри стробов и действительного числа, учитывающего разность задержек импульсов в каналах передачи первой и второй последовательности.

Кроме решения основной задачи измерения сдвига между периодическими последовательностями, наличие первого и второго стробов позволяет контролировать целостность входных периодических последовательностей. Если периодическая последовательность формируется без сбоев, очередной расширенный аналоговый сигнал возникает вблизи предустановленной позиции внутри строба. Заметное отклонение положения сигнала от предустановленной позиции говорит о наличии помех в канале измерения временного интервала, в линиях распространения импульсов периодических последовательностей или о нарушении периодичности одной из последовательностей. Отсутствие аналогового сигнала внутри соответствующего строба говорит об аварийной ситуации. Эта ситуация может состоять, например в обрыве линии, по которой распространяются импульсы этой последовательности.

Осуществление изобретения

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано в аналого-цифровом устройстве, блок-схема и принцип действия которого иллюстрируются следующими графическими изображениями:

На Фиг. 1 представлена блок-схема устройства (п. 3 Формулы изобретения),

на Фиг. 2 представлена блок-схема устройства (п. 4 Формулы изобретения),

на Фиг. 3 временная диаграмма получения очередного измерения сдвига по Фиг. 1,

на Фиг. 4 временная диаграмма получения очередного измерения сдвига по Фиг. 2.

В соответствии с блок-схемой на Фиг. 1. сигнал первой последовательности 101 и сигнал второй последовательности 110 подаются на вход мультиплексора аналоговых сигналов 102. Выход мультиплексора подключен ко входу одновибратора 103, который преобразует входной импульс в короткий импульс с фиксированными и наперед заданными амплитудой и длительностью. Фиксированные амплитуда и длительность импульса на выходе одновибратора 103 не зависят от параметров входного импульса. Выходной импульс одновибратора 103 подается на вход расширителя импульса 104. Выходной сигнал расширителя 104 усиливается усилителем 105 и усиленный аналоговый сигнал 106 подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 107. Результат аналого-цифрового преобразования в виде цифровых кодов амплитуды аналогового сигнала 106 на входе АЦП 107 передается в цифровое вычислительное устройство 108.

Устройство 108 выполняет цифровую обработку результатов аналого-цифрового преобразования и управляет работой ИВИ в целом. Обмен данными между ИВИ и внешними потребителями выполняется через цифровой интерфейс 109. Через этот интерфейс, в частности, для внешних потребителей выдается результат работы ИВИ - измеренное значение сдвига между периодическими последовательностями импульсов 101 и 110. Тактирование АЦП 107 и вычислительного устройства 108 выполняется тактовым сигналом 111. Вычислительное устройство 108 управляет мультиплексором аналоговых сигналов 102 через линию управления 112.

Защита от метастабильности при обнаружении начального импульса в сигнале 101 выполняется в антиметастабильном синхронизаторе 113. На вход синхронизатора подается сигнал 101, асинхронный относительно тактового сигнала. На выходе синхронизатора 113 формируется сигнал 114, синхронизированный с тактовым сигналом 111.

Аналогично, антиметастабильный синхронизатор 115 защищает от метастабильности обнаружение конечного импульса в сигнале 100, асинхронном относительно тактового сигнала. На выходе синхронизатора 115 формирует сигнал 116, синхронизированный с тактовым сигналом 111.

Устройство на Фиг. 1. способно измерять только положительный сдвиг, когда начальный импульс опережает конечный импульс. Схема устройства для измерения положительных, отрицательных и нулевых сдвигов показано на Фиг. 2. Блоки в тракте прохождения сигнала 101 этого устройства совпадают с Фиг. 1. Сигнал 110 проходит через одновибратор 201, расширитель импульсов 202, усилитель расширенного импульса 203, а усиленный сигнал 204 подается на вход АЦП 205. Блоки 201, 202, 203 и 204 функционально и схемотехнически полностью соответствуют блокам 103, 104, 105 и 107.

Последовательность операций, выполняемых ИВИ на Фиг. 1. для получения очередного измерения сдвига иллюстрируется временной диаграммой на Фиг. 3. Значение сдвига, измеренное в текущем цикле измерения номером i, представляет собой длительность ΔT_t>0 промежутка времени 320 между моментом времени 313 возникновения начального импульса 314 текущего цикла измерения, равным , и моментом времени 315 возникновения конечного импульса 321 текущего цикла измерения, равным

К началу текущего цикла измерения с номером i уже завершен предыдущий цикл измерения с номером М, в памяти вычислительного устройства 108 сохранены значения грубого периода , и грубого сдвига . Целое число M_i-1 обозначает количество периодов тактовой частоты 111 (тактовых периодов 306), которое укладывается в промежуток времени 302 между моментом времени 301 антиметастабильного обнаружения начального импульса 311 в измерительном цикле i-2 и моментом 303 антиметастабильного обнаружения начального импульса 312 измерительного цикла i-1. Момент 301 наступает в момент обнаружения в выходном сигнале 114 синхронизатора 113 импульса 316, синхронного с тактовым сигналом 111. Момент 303 наступает в момент обнаружения в выходном сигнале 114 синхронизатора 113 импульса 317, синхронного с тактовым сигналом 111.

Число Q_i-1 обозначает количество тактовых периодов 306, которое укладывается в промежуток времени 307 между моментом времени 303 и моментом времени 308 антиметастабильного обнаружения конечного импульса 319 измерительного цикла Момент 308 наступает в момент обнаружения в выходном сигнале 116 синхронизатора 115 импульса 322, синхронного с тактовым сигналом 111.

В текущем цикле измерения i в память вычислительного устройства 108 будет записано грубое значение периода M_i, M_i>0 и грубое значение сдвига Q, 0<Q_i<M_i. Целое число M_i обозначает количество тактовых периодов 306, которое укладывается в промежуток времени 304 между моментом времени 303 и моментом времени 305 антиметастабильного обнаружения начального импульса 314 измерительного цикла i. Момент 305 наступает в момент обнаружения в выходном сигнале 114 синхронизатора 113 импульса 318, синхронного с тактовым сигналом 111.

Целое число Q_i обозначает количество тактовых периодов, которое укладывается в промежуток времени 309 между моментом времени 305 и моментом 310 антиметастабильного обнаружения конечного импульса 321. Момент 310 наступает в момент обнаружения в выходном сигнале 116 синхронизатора 115 импульса 323, синхронного с тактовым сигналом 111.

Значения M_i, и Q_i⋅,полученные в цикле измерения i, будут использоваться для управления следующим циклом измерения i+1.

В текущем цикле измерения i первый строб открывается после истечения промежутка времени 335 длительностью в тактовых периодов 306, прошедших от момента 303 до расчетного момента 329 открытия первого строба. Число тактовых периодов в промежутке 335 вычисляется как

где ΔS_L - предустановленный сдвиг положения левой границы строба относительно его центра.

Первый строб закрывается после истечения промежутка времени 336, содержащего тактовых периодов 306, прошедших от момента 303 до расчетного момента 333 закрытия первого строба. Число тактовых периодов в промежутке 336 вычисляется как

где ΔS_R - предустановленный сдвиг положения правой границы строба относительно его центра. Внутри первого строба оцифровывается первый аналоговый сигнал 337, присутствующий на выходе 106 усилителя 105.

В текущем цикле измерения i второй строб открывается после истечения промежутка времени 339, содержащего тактовых периодов 306, прошедших от момента 303 до расчетного момента 330 открытия второго строба. Число тактовых периодов внутри промежутка 339 вычисляется как

Второй строб закрывается после истечения промежутка времени 340, содержащего тактовых периодов 306, прошедших от момента 303 до расчетного момента 334 закрытия второго строба. Число тактовых периодов внутри промежутка 340 вычисляется как

Внутри второго строба оцифровывается второй аналоговый сигнал 338, присутствующий на выходе 106 усилителя 105.

Последовательность операций, выполняемых ИВИ на Фиг. 2. для получения очередного измерения сдвига показана на временной диаграмме на Фиг. 4. Эта последовательность операций полностью аналогична последовательности, показанной на Фиг. 3., для которой за исключением того, что промежутки времени могут принимать не только положительные, но и отрицательные и нулевые значения. Т.е. моменты для Фиг. 4. возможны комбинации^{^}

К началу текущего цикла измерения с номером i уже завершен предыдущий цикл измерения с номером i-1, в памяти вычислительного устройства 108 сохранены значения грубого периода и грубого сдвига . Если момент времени 308 опережает момент времени 303, то Если момент времени 308 совпадает с 303, то

В текущем цикле измерения i в память вычислительного устройства 108 будет записано грубое значение периода M_i, M_i>0 и грубое значение сдвига Если момент времени 310 опережает момент 305, то Q_i<0. Если момент времени 310 совпадает с моментом 305, то Q=0.

В текущем цикле измерения i момент 330 открытия второго строба опережает момент 329 открытия первого строба, если и совпадает с моментом открытия первого строба, если

Момент 334 закрытия второго строба опережает момент 333 закрытия первого строба, если и совпадает с моментом закрытия первого строба, если

Для временных диаграмм на Фиг. 3. и на Фиг. 4. применяются общие расчетные формулы. Измеряемый интервал времени 320 можно записать через промежуточные интервалы времени

где - не измеряемая задержка 324 от момента 313 появления начального импульса до момента 325 появления срединной точки первого аналогового сигнала 337; - не измеряемая задержка 327 от момента 315 появления конечного импульса до момента 326 появления срединной точки второго аналогового сигнала 338; δ_i - не измеряемый промежуток времени 328 между неизвестными моментами времени появления срединной точки 325 первого аналогового сигнала 337 и срединной точки 326 второго аналогового сигнала 338. Если момент 326 опережает момент 325, то δ_i<0; если эти моменты совпадают, то δ_i=0; если момент 325 опережает момент 326, то δ_i>0.

Промежуток времени 328 можно выразить через положения границ стробов:

где - не измеряемый промежуток времени 332 между расчетным моментом 330 открытия второго строба и неизвестным моментом 326 появления срединной точки второго аналогового сигнала; - не измеряемый промежуток времени 331 между расчетным моментом 329 открытия первого строба и неизвестным моментом 325 появления срединной точки первого аналогового сигнала.

Выражение для промежутка времени 328 можно записать в другой форме:

Из этой формулы видно, что точное положение срединных точек 325 и 326 аналоговых сигналов 337 и 338 внутри стробов значения не имеет. Для вычисления временного интервала важен только сдвиг одного аналогового сигнала относительно другого внутри стробов. Этот сдвиг вычисляется из взаимной корреляционной функции двух цифровых сигналов.

Окончательная формула для вычисления сдвига между сигналами

Величина есть разность задержек 324 и 327 распространения импульсов первой и второй последовательностей внутри ИВИ. Значение этой величины получается в результате производственной или эксплуатационной калибровки ИВИ и записывается в память вычислительного устройства в форме обновляемой постоянной величины (квазипостоянной величины).

Наличие стробов с явно обозначенными границами дополнительно позволяет обнаруживать сбои и аварийные ситуации в приеме периодических последовательностей импульсов. Если внутри первого строба, между моментами времени 329 и 333 не обнаруживается первый цифровой сигнал, полученный из первого аналогового сигнала 337, или внутри второго строба, между моментами 330 и 334 не обнаруживается второй цифровой сигнал, полученный из второго аналогового сигнала 338, это является признаком аварийной ситуации. Причина возникновения такой ситуации может быть, например, обрыв линии, по которой периодический сигнал передается на ИВИ.

Если срединная точка первого аналогового сигнала или второго аналогового сигнала заметно отклоняется от расчетного положения вблизи середины соответствующего строба, это говорит о нарушении периодичности соответствующей импульсной последовательности. Причиной возникновения такой ситуации может быть, например, сбой в частотозадающих цепях генератора этой импульсной последовательности.

Claims (20)

1. Способ измерения сдвига между двумя квазипериодическими последовательностями импульсов, основанный на измерении каждого интервала времени между моментом появления очередного импульса первой квазипериодической последовательности (начального импульса) и моментом появления импульса второй квазипериодической последовательности (конечного импульса), включающий в себя:

a. грубое измерение периода следования импульсов первой квазипериодической последовательности, основанное на подсчете периодов тактового сигнала;

b. грубое измерение интервала времени между начальным и конечным импульсами, основанное на подсчете периодов тактового сигнала;

c. аналоговое расширение начального импульса, с целью получения первого аналогового сигнала заданной формы;

d. аналоговое расширение конечного импульса, с целью получения второго аналогового сигнала заданной формы;

e. определение положения первого временного строба, внутри которого ожидается появление первого аналогового сигнала в текущем цикле измерения;

f. определение положения второго временного строба, внутри которого ожидается появление второго аналогового сигнала в текущем цикле измерения;

g. дискретизация первого аналогового сигнала внутри первого строба с частотой тактового сигнала, аналого-цифровое преобразование дискретных отсчетов и сохранение последовательности цифровых значений в виде первого цифрового сигнала;

h. дискретизация второго аналогового сигнала внутри второго строба с частотой тактового сигнала, аналого-цифровое преобразование дискретных отсчетов и сохранение последовательности цифровых значений в виде второго цифрового сигнала;

i. вычисление взаимной корреляционной функции между первым и вторым цифровым сигналами для определения их относительного сдвига в пределах стробов;

j. вычисление интервала времени между начальным и конечным импульсами в текущем цикле измерения, выраженного в единицах периода тактового сигнала, в виде суммы грубого значения интервала между импульсами, сдвига между цифровыми сигналами внутри стробов и квазипостоянной калиброванной поправки.

2. Способ согласно п. 1, в котором, для выявления аварийных ситуаций, дополнительно проверяются некоторые из следующих признаков:

a. отсутствие первого или второго цифрового сигнала внутри соответствующего строба;

b. различия между грубыми значениями периода следования импульсов в первой квазипериодической последовательности в различных циклах измерения;

c. различия между грубыми значениями интервала между начальным и конечным импульсами в различных циклах измерения;

d. различие между сдвигами между цифровыми сигналами внутри стробов в различных циклах измерения;

3. Устройство для осуществления способа измерения сдвига между двумя квазипериодическими последовательностями импульсов, которые поступают на первый вход и второй вход аналогового коммутатора, на третий вход которого поступает сигнал от вычислительного устройства для выбора сигнала с одного из входов, сигнал с выхода коммутатора поступает на вход блока формирования короткого импульса фиксированной формы при появлении на входе очередного импульса выбранной квазипериодической последовательности, выход блока формирования короткого импульса фиксированной формы поступает на вход блока расширителя короткого импульса, выход которого поступает на вход блока усилителя расширенного импульса, с выхода которого сигнал поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя для преобразования усиленного расширенного импульса в цифровой сигнал, на второй вход аналого-цифрового преобразователя поступает тактовый сигнал, сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя поступает на первый вход вычислительного устройства, на второй вход вычислительного устройства поступает тактовый сигнал для синхронизации процессов преобразования и корреляционного вычисления сдвига между двумя квазипериодическими последовательностями, на третий вход вычислительного устройства поступает сигнал с выхода первого антиметастабильного сихронизатора, на первый вход которого поступает первая квазипериодическая последовательность, а на второй вход тактовый сигнал, на четвертый вход вычислительного устройства поступает сигнал с выхода второго антиметастабильного сихронизатора, на первый вход которого поступает вторая квазипериодическая последовательность, а на второй вход тактовый сигнал.

4. Устройство для осуществления способа измерения сдвига между двумя квазипериодическими последовательностями импульсов, в котором первая квазипериодическая последовательность поступает на вход первого блока формирования короткого импульса фиксированной формы, сигнал с выхода первого блока формирования короткого импульса фиксированной формы поступает на вход первого блока расширителя короткого импульса, сигнал с выхода которого поступает на вход первого блока усилителя расширенного импульса, сигнал с выхода которого поступает на первый вход первого аналого-цифрового преобразователя для преобразования усиленного расширенного импульса в цифровой сигнал, цифровой сигнал с выхода первого аналого-цифрового преобразователя поступает на первый вход вычислительного устройства, вторая квазипериодическая последовательность поступает на вход второго блока формирования короткого импульса фиксированной формы, сигнал с выхода второго блока формирования короткого импульса фиксированной формы поступает на вход второго блока расширителя короткого импульса, сигнал с выхода которого поступает на вход второго блока усилителя расширенного импульса, сигнал с выхода которого поступает на первый вход второго аналого-цифрового преобразователя для преобразования усиленного расширенного импульса в цифровой сигнал, цифровой сигнал с выхода второго аналого-цифрового преобразователя поступает на второй вход вычислительного устройства, тактовый сигнал поступает на второй вход первого и второго аналого-цифрового преобразователя и на третий вход вычислительного устройства для синхронизации процессов корреляционной обработки сигналов и процессов управления процедурой измерения сдвига между цифровыми первой и второй квазипериодическими последовательностями импульсов, на четвертый вход вычислительного устройства поступает сигнал с выхода первого антиметастабильного сихронизатора, на первый вход которого поступает первая квазипериодическая последовательность, а на второй вход тактовый сигнал, на пятый вход вычислительного устройства поступает сигнал с выхода второго антиметастабильного сихронизатора, на первый вход которого поступает вторая квазипериодическая последовательность, а на второй вход тактовый сигнал.

5. Устройство согласно п. 3, в котором в качестве расширителя импульсов используется полосовой фильтр на поверхностных акустических волнах.

6. Устройство согласно п. 4, в котором в качестве расширителя импульсов используется полосовой фильтр на поверхностных акустических волнах.