SU1721522A1 - Стробоскопический преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано дл  измерени  уровней напр жени  сигналов, фазовых соотношений и формы входных гармонических сигналов нано- и пикрсекундных диапазонов, преобразованных в промежуточный сигнал, в осциллографии , метрологии, Системах контрол . В стробопреобразователе повышена точность преобразовани  напр жени  и угла фазового сдвига путем устранени  вли ни  наводки от широкополосной помехи при формировании строб импульсов путем вновь введенного канала стробировани  с высокой частотой ноль-переходов исследуемого сигнала и с помощью выделенного сигнала ошибки смещени  уровн  стробировани  исследуемого сигнала. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано дл  измерени  уровней напр жени  сигналов, фазовых соотношений и формы входных гармонических сигналов нано- и пикосекундного диапазонов, преобразо- ванных в промежуточный сигнал, в осциллографии , метрологии, системах контрол , а также в качестве преобразовател  временного масштаба.

Известен стробоскопический преобразователь электрических сигналов, который стробирует входной сигнал, запоминает значение простробированного сигнала, второй раз стробирует и запоминает его и выдает значение сигнала посредством аналого-цифрового преобразовани  (АЦП). Сигнал приходит на первый вход первого ключа, выход которого соединен через первое запоминающее устройство (ЗУ) и первый усилитель пам ти с первым входом

второго ключа, выход второго ключа соединен через второе ЗУ и второй усилитель пам ти с входным усилителем, выход которого через АЦП соединен с выходом устройства , а вход синхронизации устройства соединен с первым входом дискриминатора , выход которого соединен с формирователем , первый выход которого через формирователь интервала запрета соединен с вторым входом дискриминатора, а его второй выход подключен к генератору пилообразного напр жени , первый выход которого подключен к первому входу компаратора, а второй выход через счетчик импульсов подключён к первому входу ЦАПД второй вход которого соединен с входом программы задержки, а .выход ЦАП через буферный усилитель соединен с вторым входом-компаратора , выход которого подключен к входам первого и второго генераторов строб-импульсов, причем выходы первого

Ч|

чэ

сл

ЧУ

чэ

генератора строб-испульсов соединены с вторым и третьим входами второго ключа.

Это устройство имеет погрешность преобразовани  в динамическом диапазоне амплитуд и ограниченный снизу динамический диапазон входных сигналов вследст- вне воздействи  на запоминающие устройства широкополосной помехи от строб-импульсов с большой амплитудой от обоих формирователей строб-импульсов, котора  производит паразитный дозатор конденсаторов ЗУ.

Известно также устройство дл  калибровки уровней высокочастотных и сверхвысокочастотных гармонических сигналов, где используетс  двухканальный строб-преобразователь , за счет чего увеличена точность установки уровн  напр жени  в частотном и динамическом диапазонах. В устройстве входом преобразовател   вл етс  вход первого разв зывающего аттенюатора, подключенного выходом к одному из входов первого строб-преобразовател , другой вход которого соединен с выходом первого формировател  строб-импульсов, а выход первого строб-преобразовател  через первый элемент пам ти подключен к первому буферному каскаду, причем сигнал синхронизации подаетс  на первый вход блока автоматической подстройки фазы 90°, выход которого соединен с входом первого формировател  строб-импульсов, при этом второй и третий входы блока автоматической подстройки фазы 90° подключены соответственно к выходу устройства и выходу первого формировател  строб-импульсов, а первый вход блока автоматической подстройки фазы 270° подключен к первому входу блока автоматической подстройки фазы 90°, второй вход - к входу преобразовател , а выход - к входу второго формировател  строб-импульсов, выход которого соединен с третьим входом блока автоматической подстройки фазы 270° и первым входом второго строб-преобразовател , другой вход которого через дополнительный разв зывающий аттенюатор соединен с входом преобразовател  и через последовательно, соединенные элемент пам ти и буферный каскад подключен к первому входу блока вычитани , второй вход которого подключен к выходу первого буферного каскада, а выход блока .вычитани  через делитель посто нного напр жени  на два соединен с выходом преобразовател . Данное устройство имеет большую погрешность в нижней части динамического диапазона входных сигналов из-за воздействи  на запоминающие устройства широкополосной помехи от формирователей

строб-импульсов. Она производит паразитный дозар д запоминающих устройств строб-преобразователей, что резко увеличивает погрешность переноса амплитуды

строб-преобразователем при малых величинах входного сигнала,

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  стробоскопический преобразователь , используемый в амплифэзометре ФК

0 2-12, структурна  схема которого представлена на фиг. 1. В устройстве вход исследуемого сигнала соединен с первым входом ключа 1, выход которого подключен к первому входу ЗУ 2, выход которого через усили5 тель 3 обратной св зи соединен с выходом устройства, входом согласующего усилител  5, входом аттенюатора 4 обратной св зи, выход которого подключен к второму входу ЗУ 2, а выход согласующего усилител  5

0 соединен с вторыми входами первого 7 и второго 6 сумматоров, выход первого сумматора 7 подключен к третьему входу ключа, а выход второго сумматора 6 - к второму входу ключа, первые входы первого и второт

5 го сумматоров подключены соответственно к первому и второму выходам формировател  8 строб-импульсов, вход которого соединен с выходом схемы 9 стабилизации частоты стробировани , а на вход схемы 9

0 стабилизации частоты стробировани  сигнал приходит с выхода устройства, кроме того, на третьи входы первого и второго сумматоров поступают запирающие напр жени  +ЕЗ и -ЕЗ. .

5 Принцип работы данного устройства заключаетс  в том, что из сигнала синхронизации ,  вл ющегос  входным сигналом схемы стабилизации промежуточной частоты, формируетс  перепад напр жени  с коротким

0 фронтом и из него получаютс  два коротких разнопол рных импульса Us+(t) и Us--(t). поступающих соответствен но на первый и второй сумматоры, на третьи входы которых подаютс  запирающие напр жени  -Ез и

5 +Ез. Запирающие напр жени  посто нно удерживают в закрытом состо нии ключ (мостовой ), который открываетс  только на врем  действи  строб-импульсов Us+W и Us-(t)- В это врем  считываетс  мгновенное значе- .

0 ние исследуемого сигнала и запоминаетс  ЗУ, Так как зар д ЗУ происходит не более чем на 20% от значени  сигнала в точке считывани , напр жение от ЗУ усиливаетс  усилителем обратной св зи и через регули5 руемый аттенюатор обратной св зи и доза- р жает ЗУ таким образом, что значение напр жени  на его выходе и выходе усилител  обратной св зи становитс  равным значению исследуемого сигнала в точке считывани  и поддерживаетс  таким до прихода следующего строб-импульса. Кроме этого , выходной сигнал строб-преобразовател  приходит на схему стабилизации частоты стррбировани , а также через согласующий усилитель подаетс  на вторые входы первого и второго сумматоров, смеща  значени  напр жений, запирающих ключи, что позвол ет устранить асимметрию мострвого ключа во врем  действи  следующего строб-импульса. Асимметри  возникает за счет напр жени , имеющегос  на ЗУ.

Но данноеустройство имеет существенный недостаток из-за большой мощности паразитной широкополосной помехи, возникающей при формировании строб-импульса Б формирователе. Воздействие широкополосной помехи заключаетс  в том, что на ЗУ строб-преобразовател  с обратной св зью (СПОС) за счет наводки всегда присутствует паразитный строб-импульс, который производит дозар д конденсатора ЗУ. Воспользовавшись интегралом Дюаме- л  при заданных параметрах паразитного импульса Umsn, т$, fs,(Z, описываемого выражением

,(

U5nf«-U

msnl

tHt.|

es/2 I )

,

можно определить величину паразитного напр жени  на ЗУ и величину ступеньки Ak(t) на выходе СПОС: .:

, -

Ak-W-SWM(k --oxoc(-KocV 5.0).

««k-Wt -))V-

.e-u5/ y 5/4 3a +Ak ( (2)

Выражени  (1) и (2) рекуррентны. Функци  Usn(t) периодическа , имеет конечное число скачков за период и может быть разложена в р д Фурье. Перва  гармоника сигнала промежуточной частоты

1)пч(1) Bl Sin ftM4t + Cl COS OVint,

Выдел   первую гармонику сигнала промежуточной частоты из ступенчатой кривой при Umsn 0, дл  которой

Ак 2 Uc(tok-rs/2) k 1

(Р - число точек считывани ), получают относительную погрешность за счет указанной-составл ющей:

д (и пч/ипч - 1).

По результатам расчета на ЭВМ получены значени  погрешности в зависимости от Uc, fs, ЯЗУ i Р. Например, при Ос 10 мВ,

Umsn 100мВ,Г5 100 ПС, ГЗУ 65ПС, ,

погрешность достигает величины 6,4%.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности преобразовани  напр жени  5 в нижней части динамического диапазона входных сигналов путем исключени  вли ни  широкополосной импульсной помехи.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в строб-преобразователь, содержащий

0 ключ, первый вход которого соединен с входом исследуемого сигнала, а выход подключен к первому входу запоминающего устройства, выход которого через усилитель обратной св зи соединен с выходом строб5 преобразовател , входом схемы стабилизации частоты стробировани , входом согласующего усилител , входом аттенюа-, тора, обратной св зи, выход которого подключен к второму входу запоминающего

0 устройства, а выход согласующего усилител  соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, причем выход первого сумматора подключен к второму входу ключа , а выход второго сумматора подключен к

5 третьему входу ключа, выход схемы стабилизации частоты стробировани  соединен с входом формировател  строб-импульсов, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго

0 сумматоров соответственно, а на их третьи входы подаютс  запирающие отрицатель- ное и положительное напр жени  соответственно , дополнительно введены вторые ключ, запоминающее устройство, формиро5 ватель строб-импульсов, а также согласую-, щий усилитель-инвертор, электронно-управл емый фазовращатель, первый и второй интеграторы, первый, второй и третий фильтры промежуточной частоты, подстро0 ечный фазовращатель, первый и второй фазовые детекторы, усилитель-ограничитель, третий и четвертый смесители, подстраиваемый генератор,делитель частоты, опорный генератор, причем вход исследуемого сиг5 нала подключен к второму входу четвертого смесител  и первому входу второго ключа, выход которого через .второе запоминаю- : щее устройство и согласующий усилитель- инвертор соединен с четвертыми входами

0 первого и второго сумматоров, а выход опорного генератора подключен через делитель частоты и третий фильтр промежуточной частоты к второму входу второго фазового детектора, а выход подстраивае5 мого генератора подключен через электронно-управл емый фазовращатель к входу второго формировател  строб-импульсов, первый и второй выходы которого соединены с вторым и третьим входами второго ключа соответственно и соответственно с первым и вторым входами третьего смесител , третий вход которого соединен с первым входом четвертого смесител  и также выходом подстраиваемого генератора, причем вход управлени  подстраиваемого генератора соединен с выходом второго фазового детектора через второй интегратор, выход четвертого смесител  подключен через усилитель-ограничитель , вторй фильтр промежуточной частоты к второму входу первого фазового детектора и первому входу второго фазового детектора, а выход третьего смесител  через первый фильтр промежуточной частоты, подстроенный фазовращатель соединен с первым сходом первого фазового детектора, выход которого через первый интегратор подключен к входу управлени  электронно-управл емого фазовращател , кроме того на второй и третий . вход второго ключа подаютс  соответственно отрицательное -Ез и положительное +Ез запирающие напр жени . .

В предлагаемом устройстве уменьшена амплитудна  погрешность строб-преобразовател  в динамическом диапазоне из-за воздействи  широкополосной помехи на ЗУ, что достигаетс  путем введени  второго канала, где стробируетс  исследуемый сигнал в точках перехода через ноль с частотой, много большей, чем частота стробировани  в первом канале, и ошибка считывани  сигнала за счет паразитного дозар да ЗУ с обратным знаком вводитс  в сумматоры первого канала, что вносит дополнительную асимметрию напр жений, прикладываемых к первому ключу, за счет чего и происходит устранение ошибки.

На фиг, 2 представлена структурна  схема предлагаемого преобразовател .

Стробоскопический преобразователь гармонических сигналов содержит ключ 1, который первым входом соединен с входом исследуемого сигнала, с первым входом второго ключа 2 и вторым входом четвертого смесител  3, а выход первого ключа 1 соединен с первым входом ЗУ 4, выход которого через усилитель 5 обратной св зи соединен с выходом устройства, входом первого согласующего усилител  6 и входом аттенюатора 7 обратной св зи, выход которого соединен с вторым входом ЗУ 4, выход первого согласующего усилител  6 соединен с вторыми входами первого 8 и второго

9сумматоров; выход устройства через схему

10стабилизации частоты стробировани  соединен с входом первого формировател  11 строб-импульсов, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора 8, а второй выход - с первым входом

второго сумматора 9, и на третьи входы обоих сумматоров приходит запирающее напр жение , на первый сумматор 8 отрицательное -Ез, на второй сумматор 9

положительное +Ез, а выход второго ключа 2 через второе ЗУ 12 и согласующий усилитель-инвертор 13 соединен с четвертыми входами первого 8 и второго 9 сумматоров, первый выход второго формировател  14

0 строб-импульсов соединен с вторым входом второго ключа 2 и первым входом третьего смесител  15, а второй выход второго формировател  14 строб-импульсов соединен с третьим входом второго ключа 2 и вторым

5 входом третьего смесител  15. вход второго формировател  14 строб-импульсов соединен с выходом электронно-управл емого фазовращател  16, управл ющий вход которого соединен через первый интегратор 17

0 с выходом первого фазового детектора 18, первый вход которого через подстраиваемый фазовращатель 19 и первый фильтр 20 промежуточной частоты соединен с выходом третьего смесител  15, а второй вход

5 первого фазового детектора 18 соединен с первым входом второго фазового детектора 21, а-также через второй фильтр 22 промежуточной частоты (ФПЧ) и усилитель-ограничитель 23 - с выходом четвертого смесител 

0 3, первый вход которого соединен с третьим входом четвертого смесител  15 и выходом подстраиваемого генератора 24, вход управлени  которого соединен через второй интегратор 25 с выходом второго фазового

5 детектора 21, второй вход которого соединен через третий фильтр 26 промежуточной частоты и делитель 27 частоты с выходом опорного генератора 28, выход подстраиваемого генератора 24 также соединен с вхо0 дом электронно-управл емого фазовращател  16, на второй вход второго ключа 2 приходит отрицательное запирающее напр жение -Ез, а на его третий вход приходит положительное запиракж1ее

5 напр жение +Ез.

Устройство работает следующим образом .

При отсутствии строб-импульсов на втором и третьем входах первого ключа 1 этот

0 ключ заперт за счет напр жений запирани  -Ез и +Ез. В момент прихода строб-импульсов на первый ключ 1 через сумматоры 8 м 9 он открываетс  и первое ЗУ 4 зар жаетс  мгновенным значением исследуемого сиг5 нала до величины 20-30% от его значени . Запомненное напр жение усиливаетс  усилителем 5 обратной св зи и далее дозар жа- ет первое ЗУ 4 до значени  исследуемого сигнала в точке считывани , что обеспечиваетс  соответствующей установкой ослаблени  аттенюатора 7 обратной св зи. Така  обратна  св зь также поддерживает неизменным напр жение на первом ЗУ 4 между моментами стробировани . Это же напр жение через согласующий усилитель 6 подаетс  на первый 8 и второй 9 сумматоры, где образует подставку напр жени  дл  положительного и отрицательного строб-импульсов соответственно, что позвол ет устранить асимметрию ключа 1 в следующий момент стробировани . Асимметри  возникает из-за хран щегос  в ЗУ 4 напр жени . Сигнал промежуточной частоты frm с выхода устройства поступает на схему 10 стабилизации частоты стробировани , где он стабилизируетс  по боковой частоте и фазе, после чего поступает на вход формировател  11 строб-импульсов, где формируютс  короткие разнопол рные импульсы. Поступа  на первые входы сумматоров 8 и 9, эти импульсы смещаютс  на соответствующий уровень напр жени  и производ т стробирование исследуемого сигнала. Кроме того, в устройстве существует второй канал , в котором происходит стробирование входного сигнала в момент перехода гармонического входного сигнала через ноль от отрицательной полуволны к положительной .

С приходом строб-импульсов на закрытый напр жени ми запирани  -Ез и +Ез второй ключ 2, он открываетс  и происходит стробирование входного сигнала в момент перехода его через ноль. Дл  этого к входу устройства подключена система автоподстройки фазы (АПФ) на 0°, выходом подключенна  к входу второго формировател  14 строб-импульсов.

Система АПФ работает следующим образом .

Сигнал с первого подстраиваемого генератора 24 приходит на четвертый смеситель 3, на второй вход которого приходит входной сигнал, а с выхода сигнал промежуточной частоты системы АПФ fnnAno через усилитель-ограничитель 23 и фильтр ФПЧ 22 поступает на фазовый детектор 18. Здесь он сравниваетс  по фазе с сигналом промежуточной частоты второго канала системы АПФ. Во втором канале сигнал промежуточной частоты получаетс  на выходе смесител  15 как разностный между сигналом подстраиваемого генератора 24 и одной из гармоник строб-импульса системы АПФ. Подстроечный фазовращатель 19 (на пассивных элементах) служит дл  начал ьной ус- тановки фазы (по необходимости) при введении системы АПФ в режим слежени . Сигнал ошибки с выхода фазового детектора 18 усиливаетс  интегратором 17 и управл ет электронно-управл емым фазовращателем 16 таким образом, что стробирование входного сигнала во втором канале происходит в точке перехода через ноль. При не- 5 совпадении строб-импульсов и ноль-переходов на выходе фазового детектора 18 по вл етс  сигнал ошибки, воздействующий на электронно-управл емый фазовращатель 16 через интегратор 17 та- 10 ким образом и знаком, что строб-импульс подт гиваетс  в точку ноль-перехода сигнала , при этом сигнал ошибки становитс  равным нулю. Частота подстраиваемого генератора 24 больше частоты стробирова5 ни  в основном канале: fnr fs. За счет этого на выходе второго ЗУ 12 всегда установлено напр жение, которое состоит из мгновенно-, го значени  сигнала (а оно равно нулю) и паразитного сигнала, возникающего за счет

0 дозар да конденсатора ЗУ 12 импульсной широкополосной помехой от второго формировател  14 строб-импульсов. Это напр жение ошибки инвертируетс  согласующим усилителем 13, имеющим коэффциент пере5 . дачи, равный единице, и вводитс  в сумматоры 8 и 9 основного канала, где смещает начальные уровни строб-импульсов так, что дозар д конденсатора ЗУ 4 в момент считывани  входного сигнала измен етс  на вели0 чину ошибки с противоположным знаком, и

компенсирует вли ние импульсной широко полосной помехи от первого форм.ировател  11 строб-импульсов на первое ЗУ 4.

Сигнал с выхода опорного генератора 28

5 делитс  по частоте делителем 27 до необходимого значени  0,5-2 МГц и через фильтр 28 поступает на второй фазовый детектор 21, где сравниваетс  по частоте и фазе с промежуточной частотой ГПЧАПФ системы

0 АПФ. С его выхода сигнал ошибки усиливаетс  вторым интегратором 25 и поступает на управл ющий вход подстраиваемого генератора 24, управл   его частотой и фазой так, что при любой частоте входного сигнала

5 устройства величина частоты ТПЧАПФ фиксирована и стабильна. Этим обеспечиваетс  работы устройства (и системы АПФ) во всем непрерывном диапазоне частот входного сигнала.

0 .Положительный эффект состоит в уменьшении погрешности при переносе на сигнал промежуточной частоты .амплитудной информации в динамическом диапазоне входного сигнала. Погрешность

5 предлагаемого устройства определ етс  амплитудной погрешностью первого строб- преобразовател  в динамическом диапазоне входного сигнала из-за нелинейности амплитудной характеристики его смесител : увеличение коэффициента формы стробимпульса в устройстве от 1 до 3 делает эту погрешность менее 0,05%; погрешностью из-за нестабильности временного положени  строб-импульса:, система АПФ отрабатывает установку угла фазового сдвига в 0° с погрешностью 0,1-0,2° и при частоте входного сигнала до 1 ГГц и нижней границе динамического диапазона 1 мВ погрешность не более 0,26%; амплитудно-частотной погрешностью ,из-за конечной длительности строб-импульсов: при длительности строб-импульса TS 70 пс в частотном диапазоне до 1 ГГц, погрешность не превышает 0,4%; неидентичностью формирователей строб-импульсов в каналах: формирователи строб-импульсов; выполненные в интегральном исполнении, высокоидентичны , погрешность за счет неидентичности строб-импульсов в этом случае не превышает 0,2%.

Таким образом, суммарна  погрешность не превышает 0,77% при доверительной веро тности 0,99 в частотном диапазоне до 1 .ГГц (5Хсист/Р 0,99 . 1.4 ЈSuwa)- Суммарна  погрешность у известного устройства достигает величины 6,4% в нижней части динамического диапазона в области высоких частот входного сигнала .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Стробоскопический.преобразователь, содержащий первый ключ, первый вход которого соединен с входом исследуемого сигнала , а выход подключен к первому входу первого запоминающего устройства, выход которого через усилитель обратной св зи соединен с выходом строб-преобразовател , входом схемы стабилизации частоты етробировани , входом согласующего усилител , входом .аттенюатора обратной св зи , выход которого подключен к второму входу первого запоминающего устройства, а выход согласующего усилител  соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров , причем выход первого сумматора подключен к второму входу первого ключа, а. выход второго сумматора подключен к .третьему входу первого ключа, выход схемы стабилизации частоты етробировани  соединен с входом первого формировател  строб-импульсов, первый м второй выходы

   которого соединены с первыми входами первого и второго сумматоров соответственно , а на их третьи входы подаютс  запирающие положительное и отрицательное

   напр жени  соответственно, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности преобразовани , в него введены вторые ключ, запоминающее устройство, формирователь строб-импульсов, а также

   согласующий усилитель-инвертор, электронно-управл емый фазовращатель, первый и второй интеграторы, три фильтра промежуточной частоты подстроечный-фазовращатель , два фазовых детектора, усилитель-ограничитель , третий и четвертый смесители, подстраиваемый генератор, делитель частоты, опорный генератор, причем вход исследуемого сигнала подключен к второму входу четвертого смесител  и к первому входу второго ключа, выход которого через второе запоминающее устройство и согласующий усилитель-инвертор соединен с четвертыми входами первого и второго сумматоров, а выход опорного генератора

   подключен через делитель частоты и третий фильтр промежуточной частоты к второму входу второго фазового детектора, а выход подстраиваемого генератора через электронно-управл емый фазовращатель к входу

   второго формировател  строб-импульс.ов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами второго ключа, выходы второго формировател  строб-импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами третьего смесител , третий вход которого соединен с первым входом четвертого смесител  и выходом подстраиваемого генератора, причем вход управлени  подстраиваемого генератора соединен с выходом второго фазового детектора через второй интегратор, выход четвертого смесител  подключен через усилитель-ограничитель , второй фильтр промежуточной частоты

   к второму входу первого фазового детектора , а выход третьего смесител  через первый фильтр промежуточной частоты, подстроечный фазовращатель соединен с первым входом фазового детектора, выход0 которого через первый интегратор подключен к входу управлени  электронно-управл емого фазовращател .

   YBxod

   Li

   Фие.1