SU917118A1 - Анализатор ортогональных составл ющих спектра электрических сигналов - Google Patents

Description

(54) АНАЛИЗАТОР ОРТОГОНАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЕКТРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

1

Изобретение относитс  к радиоизмерительной технике и может быть использовано при определении спект- ральных характеристик электрических сигналов.

Известны анализаторы ортогональных составл ющих спектра электрических сигналов, содержащие устройство выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, генератор периодической последовательсности управл ющих импульсов, набор суммирующих устройств , многоканальный коммутатор последовательного действи  и параллельные группы взвешивающих резисторов , причем устройство выборки мгновенных значений соединено с входом многоканального коммутатора, выходы которого соединены с параллельными группами взвешивающих резисторов , объединенных в пределах каждой группы на входе суммирующих устройств , выполненных в виде балансных интегрирующих усилителей, а к одному

из входов устройства выборки мгновенных значений и управл ющему входу многоканального коммутатора подг ключен выход генератора периодической последовательности управл ющих импульсов X О

Недостатками этого анализатора  вл ютс  сложность технической реализации при заданных достаточно жестких требовани х к точности ана10 лиза при больших базах анализируемого сигнала и невысока  стабильность , что определ етс  большим чист лом аналоговых элементов и узлов, примен емых в анализаторе, причем

15 точность установки и стабильность параметров каждого элемента (узла) непосредственно определ ют точность и стабильность анализа (работы анализатора ), а также невозможность .

20 обеспечени  существенной микроминиатюризации .

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому анализатор , содержащий последовательно сое диненные генератор периодической последовательности управл ющих импульсов , блок управлени  и блок фофмировани  потенциалов, согласую щий каскад, вход которого соединен с входом анализатора . Недостатками известного анализатора также  вл ютс  сложность и недостаточна  стабильность. Цель изобретени  - повышение стабильности и обеспечение микроминиатюризации устройства. Поставленна  цель достигаетс  тем, что анализатор рртоганальных составл ющих спектра электричес ких сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор периоди ческой последовательности управл ющих импульсов, блок управлени  и блок формировани  потенциалов, а также согласующий каскад, вход котор го соединен с входом анализатора. снабжен последовательно соединенными структурой на основе приборов с зар  дозой св зью и дифференциальным усилителем , причем потенциальные входы упом нутой структуры и дифференцйального усилител  подключены к первы выходам блока формировани  потенциалов , сигнальный вход структуры на основе приборов с зар довой св зью подключен к выходу согласующего каскада , а выход дифференциального усилител  соединен с выходом анализато Кроме того, структура на основе прибора с зар довой св зью выполнена на подложке с проводимостью п-т па и состоит из расположенных на по ложке частичных структур на основе приборов с зар довой св зью, не наход щихс  между собой в зар довой св зи, кажда  из которых выполнена в виде последовательно расположенны выходного электрода, первого переда ющего электрода, распределительного электрода, группы вторых передающих электродов, группы электродов хранени , группы записывающих электродов и группы р-п-переходов, выходны шин и шины входного сигнала, причем р-п--переходы подключены к шине вход ного сигнала, выходные электроды под ключены к выходным шинам, группы за писывающих электродов, вторых передающих электродов и электродов хранени , а также распределительный и первый передающий электроды подключены к соответствующим потенциальным входам структуры. На фиг.1 изображена структурна  схема предлагаемого анализатора; на фиг,2 - то же, прибора с зар довой св зью (ПЭС-структура); на фиг.З схема разреза выходных электродов. Анализатор ортогональных составл ющих спектра электрических сигналов содержит генератор 1 периодической последовательности управл ющих импульсов, согласующий каскад 2, блок 3 формировани  потенциалов, блок управлени , дифференциальный усилитель 5, структуру 6 на основе приборов с зар довой св зью (ПЗСструктуру , причем потенциальные входы ПЗС-структуры 6 и дифференциаль1кого усилител  5 подключены к соответствующим выходам блока 3 формировани  потенциалов, управл ющий и синхронизирующий входы которого подсоединены соответственно к выходам блока управлени  и генератора 1 управл ющих импульсов, вход генератора 1 управл ющих импульсов подключен к входу блока управлени , выход ПЗС-структуры 6 подключен к сигнальным входам дифференциального усилител  5, выход которого  вл етс  выходом анализатора, сигнальный вход ПЗС-структуры 6 подключен к выходу согласующего каскада 2, вход которого  вл етс  входом анализатора, ПЗС-структура 6 выполнена на единой подложке 7 с проводимостью п-типа и содержит расположенные на подложке частичные ПЗС-структуры 8-1, ...,8-М, не наход щиес  между собой в зар довой св зи, в каждую из которых вход т последовательно расположенные и изолированные от подложки 7 выходной электрод 9 из группы электродов 9-1 ,..,,9-N, первый передающий электрод 10 из гоуппы электродов 10-1,...,iO-N распределительный электрод 11, группа вторых передающих электродов 12(1 )-12(N) , группа электродов 13(1)-13(М)хранени , группа записывающих электродов Ild) (N) и группа р-п-переходов 15(1)15 (N), выходные шины 16 и шину 17 входного сигнала, причем р-п-переходы 15(1)-15(N) подключены к шине 17 входного сигнала. Выходные электроды 9, разрезанные по синусоидальному закону (фиг.З), подключены к выходным шинам 16, группы записывающих элек5 1 родов 1 -1 , . . . , 1 4-N, ВТорых переда ющих электродов 12-1 ,. ., , 12-N и элек тродов 1 3-1 .-. 1 хранени , а так же распределительный 11 и первый передающий 10 электроды подключенык соответствующим потенциальным вхо дам ПЗС-структуры 6, шина 17 входного сигнала  вл етс  сигнальным вхо дом ПЗС-структуры 6, а выходные шины 16 - ее выходом., Анализатор ортогональных составл ющих спектра электрических сигналов работает следующим образом. Исследуемый сигнал с выхода согласующего каскада 2 поступает на р-п-переходы 15(1)-1-15(N)-N одновременно через шину 17 входного сигнала. К входам блока управлени и блока 3 формировани  потенциалов поступает периодическа  последоеате ность импульсов от генератор 1. С приходом первого управл ющего импул са блок 3 устанавливает на своих выходах, подключенных к записывающим электродам )- ,. . . ,1it (1)-N высокий отрицательный потенциал на короткое врем , равное длительности управл ющего импульса генератора 1. Длительность управл ющего импулцса выбираетс  таким образом, что иссле дуемый сигнал за врем  длительности импульсо,в не измен лс . За врем  действи  первого управл ющего импульса зар довые 1такеты, которые образуютс  в р-п-переходах 150)-1, ,15(0-N и каждый из которых пропорционален значению исследуеМого сигнала в момент действи  первого импульса, причем зар довые пакеты одинаковы, перетекают под дей ствием более высокого отрицательного потенциала на электродах 13(1)-1 .. ,13(1)N хранени  зар довых пакетов под соответствующие электроды 13(1)-1,...,13(1)-N хранени . С приходом второго, третьего и т.д. ,импульсов от генератора 1 устанавливаютс  высокие отрицательные потенциалы , соответственно на записывающих электродах (2)- ,.. . ,{2}-Ц; 14(3)-1 ,. .. ,1/4{3)-N и т.д. Описанные процессы повтор ютс . По окон-. чании длительности исследуемого сигнала под электродами хранени  наход тс  зар довые пакеты, величина зар да которых пропорциональна соответствующим значени м выборок исследуемого сигнала, вз тых периодически с интервалом, равным пеоиоду сле86 довани  управл ющих импульсов (период следовани  управл ющих импульсов св зан с шириной спектра исследуемого сигнала обобщенной теоремой Котельникова ). Число выборок сигнала равно N, .где , Т - длительность исследуемого сигнала, период следовани  управл ющих .импульсов негератора 1. Причем под электродами 13(1)-1,...,13(1)-N хранени  хран тс  одинаковые зар довые пакеты, величина зар да каждого из которых пропорциональна значению первой выборки исследуемого сигнала, под электродами 13(2)-1,...13(2)-N хранений второй выборки и т.д. Процесс записи выборок сигнала в виде зар довых пакетов заканчиваетс  к моменту времени T+Tj, где длительность переходного процесса прибора с зар довой св зью, т.е. к моменту поступлени  N+1-го управл ющего импульса. К этому моменту времени после поступлени  и окончани  N-ro.управл ющего импульса потенциал на записывающих электродах повышаетс  и устанавливаетс  близким к нулю. При поступлении М+1-го управл ющего импульса с выхода генератора 1 на вход блока 3 формировани  потенциалов на выходах последнего, подключенных к вторым передающим электродам , потенциал которых в исходном : состо нии близок к нулю, устанавливаетс  высокий отрицательный потенциал , но не выше, чем отрицательный потенциал распоеделительного электро- да. Причем высокий отрицательный потенциал устанавливаетс  не на всех вторых передающих электродах -12(1)12 (М), а только на Их части, котора  задаетс  блоком управлени  и определ етс  частотой U),, на которой определ етс  ортогональна  составл юща  спектра, пропорциональна  сумме fi S .(п-1 )Тч) sinlH(n-l )Ту (здесь S(t) - исследуемый Сигнал, s(n-l)T.l- выборки исследуемого сигнала ) , .если определ етс  синусна  составл юща  спектра, либо сумме s S j(n-l )Tji со5иЦ(п-1 )Ту ,если определ етс  косинусна  составл юща  спектра, причем Ш| 2Klt(N-l)Ty. ПРИ установлении высокого .отрицательного потенциала на части вторых передающих электродов с указанными номерами зар довые пакеты, наход щиес  под эдектродами хоанени  с соответствующими номерами, переход  под распределительный электрод 11 соответствующей ПЗС-структуры 8. Примем под распределительный электрод каждой ПЗС-структуры переходит только один зар довый пакет. Через врем  1 на вторых передающих электродах 12 (1)-1 ,...,12(2)-3 устанавливаетс  прежний потенциал, а на первых передающих электродах 10-1 ,... ,10-N устанавливаетс  высо кий отрицательный потенциал (но не выше, чем на выходных электродах 9-l,...,9-N) и зар довые пакеты пер ход т под соответствующие выходные электроды S.-l ,9-N. По выходным шинам 16-1 и 16-2 протекают токи , причем ток, протекающий по шине 1б-1, пропорционален, величине V (1-5„)0.„ 16-2 а ток, протекающий по шине величине П+VQ ( здесь Q,- величина зар да в п-ом зар довом пакете). При этом на выход дифференциального усилител  5 .мируетс  напр жение, пропорциональное величине - Так как выходные электроды разре заны по синусоидальному закону, т.е площадь электрода измен етс  по синусоидальному закону (фиг.З), то коэффициент Sy, измен етс  с изменением номера по синусоидальному зако ну. Таким образом, величина (1) про порциональна значению синусной сост л ющей спектра исследуемого сигнала на частоте u). После окончани  процесса формировани  выходного напр жени  (через врем  Ту) дифференциального усилите л  потенциал выходных электродов 9-1I..., устанавливаетс  большим потенциалов первых передающих электродов 10-1,.,10-N,потенциал которых в свою очередь,больше потенциала распр делительных электродов 11-1,,.,11-N, зар довые пакеты переход т под соответствующие распределительные электроды . По истечении времени Т ( после окончани  переходного процесса) потенциал группы вторых передающих электродов, номера которых соответст вуют номерам электродов хранени , под которыми нет зар довых пакетов. устанавливаетс  высоким отрицательным , но не выше, чем на электродах хранени , а на распределительных электродах потенциал устанавливаетс  близким к нулю. При этом зар довые пакеты возвращаютс  под прежние электроды хранени . Через интервал времени Т потенциалы указанной группы вторых передающих электродов устанавливаютс  близкими к нулю, схема возвращаетс  в исходное состо ние . Дл  измерени  ортогональной составл ющей спектра на другой частоте14| блок управлени  разрешает установление высоких отрицательных потенциалов блоку 3 формировани  потенциалов другой соответствующей группе, вторых передающих электродов 12. Описанные процессы формировани  ортогональных составл ющих спектра исследуемого сигнала повтор ютс . Врем  измерени  ортогональной составл ющей спектра равно суммарному времени передачи зар довых пакетов от электродов хранени  к выходным электродам и обратно, т.е. Т tTy. Таким образом, на выходе дифференциального усилител  5,  вл ющемс  выходом анализатора, формируетс  последовательност ь равноотсто щих на врем  Туу импульсов, длительность каждого из которых равна Т а амплитуда пропорциональна значению соответствующей ортогональной составл ющей спектра исследуемого сигнала . Длительность этой последовательности импульсов при полном анализе спектра равна (N-l)Tyy,. Величина Т дл  ПЗС может достигать величины долей микросекунд и менее, поэтому врем  воспроизведени  спектра может быть значительно меньше длительности сигнала Т, и в большинстве случаев может быть одного пор дка с Т, т.е. анализатор работает в реальном времени . После окончани  процесса воспроизведени  ортогональных составл ющих спектра,т.е. в момент времени (N-l) ru+Ty +A(N-l) Т потенциалы всех записывающих электродов 1t устанавливаютс  значительно ниже потенциалов всех вторых передающих электродов 12, и зар довые пакеты перетекают в р-области соответствующих р-п-переходов 15 после чего схема готова к следующему циклу работы (анализа), который начинаетс  в момент времени (N-l)T5+2Vit(N-l)V Таким образом, анализатор может воспроизводить Ортогональные состав- л ющие спектра сигнала длительностью Т с временем воспроизведени  (N+2)1 т.е. практически в реальном времени Анализатор ортогональных составл ющих спектра электрических сигналов отличаетс  упрощением схемы устроиства и ее технической реализацией при заданной точности анализа и больших базах анализируемого сигна ла за счет исключени  2В+1 (где В база сигнала, равна  произведению по лосы анализа на длительность анализируемого сигнала) аналоговых баланс ных сумматоров-интеграторов с 2В+1 входами каждый и других аналоговых элементов и узлов выполнени  анализа тора на дискретных элементах и ПЗС, а также повышением стабильности за счет устранени  большого количества аналоговых элементов и узлов в анализаторе, устранением вли ни  неточности их установки и стабильности параметров на точность анализа (например стабильность потенциалов на электродах ПЗС предлагаемого ана лизатора, нестабильность длит ель , ности импульсов блока формировани  потенциалов и моментов переключени  их также не сказываютс  на- стабильности параметров предлагаемого анали затора) , и обеспечением существенной микроминиатюризации устройства за счет выполнени  анализатора на осно .ве ПЗС с монолитной структурой. йормула изобретени  1. Анализатор ортогональных составл ющих спектра электрических си1 налов, содержащий последовательно со единенные генератор периодической последовательности управл ющих импульсов , блок управлени  и блок, форм ровани  потенциалов, а также согласующий каскад, вход которого соединен с входом анализатора, отличающийс  тем, что, с целью повышени  стабильности и обеспечени  микроминиатюризации устройства, он снабжен последовательно соединенными структурой на основе приборов с зар довой св зью и дифференциальным усилителем, причем потенциальные входы упом нутой структуры и дифференциального усилител  подключены к первым выходам блока формировани  потенциалов, сигнальный вход структуры на основе приборов с зар довой св зью подключен к выходу согласующего каскада, а выход дифференциального усилител  соединен с выходом анализатора. 2. Анализатор по п.1, о т л и чающийс  тем, что стоуктура на основе приборов с зар довой св зью выполнена на подложке с проводимостью п-типа и состоит из расположенных на подложке частичных структур на основе приборов с зар довой св зью , не наход щихс  между собой в зар довой св зи, кажда  из которУх выполнена в виде последовательно расположенных выходного электрода, первого передающего электрода, распределительного электрода, группы вторых передающих электродов, группы электродов хранени , группы записывающих электродов и группы р-п-переходов , выходных шин и шины входного сигнала, причем р-п-переходы подключены к шине входного сигнала выходные электроды подключены к выходным шинам, группы записывающих электродов, вторых передающих элек- . т родов и электродов хранени , а так же распределительный и первый пере-. дающий элбкт роды подключены к соот ветствующим потенциальным входам структуры. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № it56226 ,кл. G 01 R 23/00, 1973. 2. Electron hett, 1977, 13, N 15, +31- 32.

Вход

Выход

fpuz,i

v&

at 3t

H-Ol H-U

//-№ -№

/v-№ :i

yy-Wf/

H-(

Н(1Ш

н-Ш

7-8

/М l-OL /-//

.7/ /-№A-f/ ;/-/ / /

/-№/

g

«M

u

2

B.

io

(риг.З

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических си! налов, содержащий последовательно со- ₄ единенные генеоатор периодической последовательности управляющих импульсов, блок управления и блок, формирования потенциалов, а также согласующий каскад, вход которого соеди нен с входом анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности и обеспечения микроминиатюризации устройства, он снабжен последовательно соединенными структурой на основе приборов с зарядовой связью и дифференциальным усилителем, причем потенциальные входы упомянутой структуры и дифференциального усилителя подключены к первым выходам блока формирования потенциалов, сигнальный вход структуры на основе приборов с зарядовой связью подключен к выходу согласую5 щего каскада, а выход дифференциального усилителя соединен с выходом анализатора.
2. 2. Анализатор по п.1, о т л и чающийся тем, что структура на основе приборов с зарядовой связью выполнена на подложке с проводимостью η-типа и состоит из расположенных на подложке частичных структур на основе приборов с зарядовой связью, не находящихся между собой в зарядовой связи, каждая из которых выполнена в виде последовательно расположенных выходного электрода, первого передающего электрода, распределительного электрода, группы вторых передающих электродов, группы электродов хранения? группы записывающих электродов и группы p-η-переходов, выходных шин и шины входного сигнала, причем p-η-переходы подключены к шине входного сигнала, выходные электроды подключены к выходным шинам, группы записывающих электродов, вторых передающих элек- . тродов и электродов хранения, а также распределительный и первый передающий электроды подключены к соот· ветствующим потенциальным входам структуры.