SU918798A1 - Устройство дл измерени импульсной мощности оптического излучени - Google Patents

Description

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

I

Изобретение относитс  к технике фотометрии и предназначено дл  определени  импульсной мощности повтор ющегос  оптического излучени  на основе измерени  его энергии.

Известно устройство дл  измерени  импульсной мощности излучени  ,, содержащее фотоприемник, включенный в цепь пикового детектора ГП.

НедЪстатком известного устройства  вл етс  больша  (10-25%) погрешность измерени .

Наиболее близким техническим решением к изобретению  вл етс  устройство дл  измерени  мощности оптического излучени , содержащее линейный фотоприемник оптического излучени , фотоприемник синхронизации , измеритель абсолютной энергии оптического излучени , аналого-цифровой преобразователь, цифровой ге-. нератор ступенчатого напр жени  и стробоскопический преобразователь, к соответствующим входам которого

подсоединены линейный фотоприемник оптического излучени  и цифровой генератор ступенчатого напр жени , а к аналоговому выходу - аналогоцифровой преобразователь Г2.

Недостатком данного устройства  вл етс  ограниченна  точность. .

Цель изобретени  - повышение точности .

Указанна  цель достигаетс  тем,

Claims (2)

10 что в устройство, содержащее линейный фотоприемник оптического излучени , фотоприемник синхронизации , измеритель абсолютной энергии оптического излучени , аналого-цифIS ровой преобразователь, цифровой генератор ступенчатого напр жени  и .стробоскопический преобразователь, к соответствующим входам которого подключены линейный фотопрйемник оп20 тического излучени  и цифровой генератор ступенчатого напр жени , а к аналоговому выходу - аналого-цифровой преобразователь, введены второй 391 аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых сигналов, делитель числа сигналов, два компарато- ра кодов, два счетчика, цифроаналоговый преобразователь, прёобразователь врем -код, преобразователь код-сопротивление, преобразователь напр жение-частота, преобразователь напр жение-сопротивление, два интегратора , элемент ИЛИ, множительный цифровой вольтметр, блок усреднени , триггер, п ть ключевых элементов, три переключател , два резистора и блок накоплени  и усреднени  данных, к соответствующим входам которого подключены цифровой генератор ступен чатого напр жени , делитель числа сигналов и кодовые выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей , выходы сигналов конца измерени  аналого-цифровых преобразователей через элемент ИЛИ присоединены к делителю числа сигналов и блоку накоплени  и усреднени  данных к соответствующим выходам которого присоединены входами управлени  все переключатели, а также первый, второй и четвертый ключевые элементы, а к кодовому выходу присоединен цифроаналоговый преобразователь, подсое диненный выходом через п тый ключевой элемент,и делитель, образованный первым резистором и преобразователем код-сопротивление, к первому интегра тору и непосредственно ко второму ин тегратору, к выходу которого подклюмен преобразователь напр жение-сопротивление , образующий со вторым ре зистором другой делитель, через который к одному из входов множительного цифрового вольтметра подсое- . динен блок усреднени , входом подключенный к измерителю абсолютной энергии оптического излучени , ко второму входу множительного цифровог вольтметра присоединен преобразователь напр жение-частота, а вход запуска цифрового вольтметра через чет вертый ключевой элемент подсоединен к соответствующему выходу цифрового генератора ступенчатого напр жени , вход которого через первый переключатель соединен с выходом делител  числа сигналов, и непосредственно к первому компаратору кодов, информационные входы которого присоединены к кодовым выходам обоих аналого-цифровых преобразователей, а выход - к входу управлени  третьего ключевого элемента, к входу синхронизации стробоскопического преобразовател  одним из входов непосредственно подсоединен преобразователь врем -код, а через второй переключатель присоединены фотоприемник синхронизации и I генератор тактовых сигналов, выход стробимпульсов стробоскопического преобразовател  непосредственно подключен ко второму входу преобразовател  врем -код, выходом соединенного с преобразователем код-сопротивление, а параллельно через, первый ключевой элемент выход стробимпульсов подсоединен к первому переключателю и блоку накоплени  и усреднени  данных, через третий переключатель - к первому счетчику и ко второму ключевому элементу, к выходу которого присоединен второй вход управлени  этого ключевого элемента, а также вход триггера и через третий ключевой элемент вход второго счетчика, кодовый выход которого и кодовый выход первого счетчика присоединены ко второму компаратору кодов, выходом подсоединенному к п тому ключевому элементу, при этом выходы триггера подключены к входам запуска аналогоцифровых преобразователей, измерительный вход второго из которых также присоединен к аналоговому выходу стробоскопического преобразовател . На чертеже показана схема устройства . Устройство содержит линейный фотоприемник 1 оптического излучени , фотоприемник 2 синхронизации, генератор 3 тактовых сигналов, стробоскопический преобразователь с измерительным входом 5. входом 6 синхронизации, входом 7 внешней развертки , выходом 8 стробимпульсов, цифровой генератор 9 ступенчатого напр жени  (ГСН), первый переключатель 10, делитель 11 числа сигналов, второй переключатель 12, преобразователь 13 врем -код, преобразователь 1 код-сопротивление, первый ключевой элемент 15 первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 16 и 17, элемент ИЛИ 18, триггер 19. второй ключевой элемент 20, первый компаратор 21 кодов, третий переключатель 22, третий ключевой элемент 23, первый и второй сметчики 2 и 25 второй компаратор 26 кодов, блок 27 накоплени  и усреднени  данных, цифроаналоговый преобразователь 28, четвертый и п тый ключевые элементы 29 и 30, первый резис тор 31 первый и второй интеграторы 32 и 33, преобразователь 3 напр жение-частота , преобразователь 35 напр жение-сопротивление, измери-. тель 36 абсолютной энергии оптического излучени , блок 37 усреднени , второй резистор 38 и множительный цифровой вольтметр 39. Причем к соответствующим входам стробоскопического преобразовател  k подсоединены линейный фотоприемник 1 оптического излучени  и цифровой ГСН 9, а к его аналоговому выходу - аналого-цифровы преобразователи 16 и 17. К соответствующим входам блока 27 накоплени  и усреднени  данных подключены ГСН 9 делитель 11 чис;ла сигналов и кодовые ВЫХОДЫ двух аналого-цифровых преобразователей 16 и 17, выходы сигналов конца измерени  аналого-цифровых преобразователей 16 и 17 через элемент ИЛИ 18 присоединены к делителю 11 числа сигналов и блоку 27 накоплени  и усреднени  данных, к соответствующим выходам которого присоединены входами управлени  все переключатели 10, 12 и 22, а также первый 15 второй 20 и четвертый 29 ключевые элементы, а к кодовому выходу присоединен цифроаналоговый пре образователь 28, подсоединенный выходом через п тый ключевой элемент 30, и делитель, образованный первым резистором 31 и преобразователем 1 код-сопротивление, к первому ратору 3 и непосредственно ко второ му интегратору 33, к выходу которого подключен преобразователь 35 напр жение-сопротивление , образующий со вторым резистором 38 другой делитель через который к одному из входов множительного цифрового вольтметра 39 подсоединен блок 37 усреднени , вхбдом подключенный к измерителю 36 абсолютной энергии оптического из лучени . Ко второму входу множительного цифрового вольтметра 39 присое динен преобразователь З напр жениечастота , а вход запуска его через четвертый ключевой элемент 29 подсоединен к соответствующему выходу цифрового ГСН 9, вход которого через первый переключатель соединен с вы ходом делител  1,1 числа сигналов, и непрсредственно к первому компаратору 21 кодов, информационные входы которого св заны с кодовыми выходами 9 обоих аналого-цифровых преобразова телей 16 и 17, а выход - к входу управлени  третьего ключевого элемента 2. К входу 6 синхронизации стробоскопического преобразовател  k одним из входов непосредственно соединен преобразователь 13 врем -код,а через второй переключатель 12 - фотоприемник 2 синхронизации и генератор тактовых сигналов, выход 8 стробимпульсов стробоскопического преобразовател  непосредственно подключен ко второму входу преобразовател  13 врем -код, выходом соединенного преобразователем 1 код-сопротивле«ие , а параллельно через первый ключевой элемент 15 выход 8 стробимпульсов подсоединен к первому переключателю 10 и блоку 27 накоплени  и усреднени  данных через третий переключатель 22 - к первому счетчику и ко второму ключевому элементу 20, к выходу которого присоединен второй вход управлени  этого ключевого элемента 20, а также вход триггера 19 и через третий ключевой элеме.нт 23 вход второго счетчика 25, кодовый выход которого и кодовый выход первого счетчика 2 присоединен ко второму компаратору 2б кодов, выходом подсоединенному к п тому ключевому элементу 30, при этом выходы триггера 19 подключены к входам запуска аналого-цифровых преобразователей 16 и 17. Импульсна  мощность Р, отсчитываема  на заданном уровне оптического импульса, определ етс  устройством в ссютветствии с алгоритмом Ем Е ctgc. tj Tчасть энергии в относительных единицах, соответствующа  импульсной мощности, измер емой за врем  энерги  в импульсе в относительных единицах; энерги  в импульсе в абсолютных единицах. Такой метод определени  импульсной мощности по известному абсолютному значению энергии в импульсе Оказываетс  более эффективным, так как энерги  в импульсе измер етс  всегда с большей точностью по сравнению с методами пр мого измерени  импульсной мощности. . Работа устройства в соответствии с указанным алгоритмом происходит в два цикла. В первом цикле осуществл етс  накопление и усреднение измер емых мгновенных значений импульсного излучени  и усреднение из мер емых значений энергии Во втором цикле определ етс  величина Р«, . . Устройство работает следующим об разом. В исходном состо нии ключевые элементы 15 и 29 блокированы сигналом блока 27, ключевой элемент 30 блокирован выходным сигналом компаратора 26 кода, ключевые элементы 20 и 23 открыты дл  строб-импульсов к входу 6 синхронизации стробоскопи ческого преобразовател  t через пер ключатель 12 подключен фотоприемник 2, к выходу переключател  22 подключен ключевой элемент 20, а выход делител  11 через переключатель 10 присоединен к входу запуска ГСН 9Выходной уровень напр жени  ГСН 9 в исходном состо нии равен нулевому з чению. При помощи оптической системы (не показана) оптический сигнал на входе линейного фотоприемника 1 задерживаетс  относительно его по вле ни  на входе фотоприемника 2 синхронизации с целью обеспечени  необходимой задержки измер емого сигнала на входе 5 стробоскопического преобразовател . Требуемую временную задержку можно обеспечить и пассивной линией задержки,, включенной на измерительном входе 5 стробо скопического преобразовател  k, Напр жение ГСН 9 определ ет сдви стробимпульса относительно синхроимпульса фотоприемника 2. Этот сдви увеличиваетс  с увеличением уровн  напр жение ГСН 9« Стробоскопический преобразовател работает следующим образом. С посту лением измер емого оптического импульса соответствующим стробимпульсом переключаетс  триггер 19 и запускаетс  только один из АЦП 16 и 1 Одновременно стробимпульсом блокиру етс  ключевой элемент 20, что исключает дальнейшую передачу стробимпульсов в цепь запуска АЦП до тех пор, пока из блока 27 не придет сиг нал деблокировки этого ключевого элемента. Такой асинхронный (старт88 стопный) режим работы при использовании цифрового ГСН с длительным запоминанием установленного уровн  позвол ет использовать в устройстве аппаратуру любого быстродействи . АЦП кодирует расширенное текущее дискретное значение на аналоговом выходе стробоскопического преобразовател , и по сигналу конца измерени , переданному через элемент ИЛИ 18 в блок 27, производитс  передача кода в этот блок. После приема кода и выполнени  операции усреднени  (вычислени  среднего арифметического совокупности измеренных дискретных значений ) блок 27 деблокирует ключевой элемент 20 и описанна  операци  отсчета повтор етс . ГСН переключаетс  сигналами конца измерени  АЦП, но благодар  делителю 11 реализуетс  режим многократного отсчета и накоплени  каждого дискретного значени . Число накоплений задают коэффициентом пересчета делител  11, который в качестве, операнда передаетс  в блок 27. Накопление и усреднение дискретных значений измер емого сигнала позвол ет уменьшить случайную погрешность измерений. Включение в устройство двух попеременно запускамеых АЦП с компаратором 21 кода обеспечивает автоматический поиск заданного уровн  отсчета импульсной мощности. Дл  этого по каждому сигналу с выхода делител  11 при последующем запуске одного из АЦП в компараторе 21 сравниваютс  коды обоих АЦП, в одном из которых оказываетс  записанным код последнего измерени  предыдущего дискретного значени , а в другом АЦП - код первого измерени  следующего дискретного значени  оптического сигнала. Число сравниваемых разр дов, начина  со старших, обусловливает тот или иной уровень отсчета измер емой величины. Число сравниваемых разр дов задают соответствующим количеством элементов сравнени  в компараторе 21. Так, при поиске максимального (амплитудного ) значени  измер емой величины , сравниваютс  между собой все разр ды двух АЦП. При определенном шаге дискретизации сигнала по времени и квантовани  по уровню поиск может осуществл тьс  с точностью до младшего разр да. Число запусков АЦП, т.е. число стробимпульсов по мере их поступлени  на триггер 19, подсчитываетс  счетчиком 25- С по влением на выход . компаратора 21 сигнала равенства кодов блокируетс  ключевой элемент и в счетчике 25 оказываетс  записанным число, соответствующее уровню отсчета импульсной мощности излучени . Отсчет дискретных знамений измер емого статистического сигнала, их усреднение и накопление в блоке 27 продолжаютс  до тех пор, пока с соответствующего выхода ген 9 в блок не поступит сигнал окончани  развер ки ступенчатого напр жени . По этом сигналу, после усреднени  последнег из полученных дискретных значений, блок 27 формирует сигнал управлени  переключающий устройство в режим вы числени  импульсной мощное ги,. При этим оказываютс  блокированными клю чевые элементы 20, 23 и 30, деблокируютс  ключевые элементы 15 и 29 к входу 6 синхронизации стробоскопического преобразовател  через пер ключатель 12 присоедин етс  генерато 3 тактовых сигналов, вход запуска ген 9 через переключатель 10 и деблокированный ключевой элемент 15 соедин етс  с выходом 8 стробимпульсов стробоскопического преобразовател , с которым также соедин етс  через переключатель 22 вход счетчика 2k. К началу второго цикла работы устройства на выходе блока 37 устанавливаетс  напр жение, эквивалентное среднему значению энергии всей совокупности оптических импульсов , по которым в первом цикле были отсчитаны дискретные значени , коды которых накоплены в блоке 27. В соответствии с тактовыми сигналами генератора 3 формируетс  последовательность стробимпульсов, переключающих ген 9 которые одновременно передаютс  в преобразователь 13 врем -код, в счетчик 2 и блок 27. По каждому данному стробимпульсу из блока 27 по соответствующему -адресу выбираетс  код дискретного значени , полученного в первом цикле работы устройства а соответствии С номером данного стробимпульсд. По мере поступлени  стробимпульсов и выборки кодов они передаютс  в цифро аналоговый преобразователь (ЦАП) 28. 810 На выходе ЦАП 28 формируетс  непрерывно измен ющеес  напр жение,повтор ющее по форме усредненную форму измеренных оптических импульсов, в масштабе времени, обусловленном периодом следовани  тактовых сигналов генератора 3, но в однозначном соответствии с шагами дис-кретизации оптических сигналов во времени. Напр жение с выхода ЦАП 23 интегрируетс  в интеграторе 33, на выходе которого по вл етс  напр жение,эквивалентное интегралу входного напр жени  по времени, и, следовательно, значению энергии Е оптического импульса в относительных единицах. Число стробимпульсов, подсчитываемое счетчиком 2k, сравниваетс  во втором компараторе кодов 2б с числом стробимпульсов, накопленным в первом цикле счетчиком 25, которое соответствовало заданному уровню отсчета импульсной мощности. При равенстве чисел обоих счетчиков компаратор 26 формирует сигнал, которым замыкаетс  ключевой элемент 30. Начина  с этого момента, на вход второго интегратора 32 также передаетс  выходное напр жение ЦАП 28. Однако в интеграторе 32 при этом интегрируетс  только часть напр жени  ЦАП 28, полученна  на делителе, образованном резистором 31 и преобразователем 14 код-сопротивление. Сопротивление преобразовател  14 измен етс  пропорционально изменению времени сдвига стробимпульсов. Тем самым на вход интегратора 32 передаетс  напр жение, пропорциональное приращению энергии, деленному на приращение времени,т.е. на сдвиг стробимпульса по времени, соответствующий этому приращению энергии. Таким образом, результат делени  представл ет собой величину, пропорциональную мгновенной мощности излучени , а интервал, эквивалентный сумме мгновенных мощностей, пропорционален импульсной мощности, отсчитанной на определенном уровне оптического импульса С целью выравнивани  масштаба сигналов по уровне на входе инте( ратора 33 (внутри блока) включен ре- зистор, равный по величине резистору 31. Выходное напр жение интегратора 33 в блоке 35 преобразуетс  в эквивалентное изменение сопротивлени , образующее совместно с резистором 38 делитель выходного напр жени  блока 37 пропорционального абсолютному значению энергии (усредненна  величина ) Egt-. Тем самым получают напр жение , пропорциональное отношению которое далее в цифровом вольт метре 39 врем -импульсного типа умно жаетс  на другое отношение -т, полу , Ученное в виде интеграла напр жени  на выходе интегратора 32. Дл  умноже ни  выходное напр жение интегратора 32 преобразуетс  в пропорциональную частоту следовани  сигналов в блоке 3. Числом импульсов этой частоты заполн ют временной интервал, в кото рый преобразуетс  напр жение, пров циф порциональное отношению ровом вольтметре 39- Выходной код вольтметра при этом представл ет собой код произведени  двух величин, т.е. код значени  импульсной мощности . Запуск цифрового вольтметра осуществл етс  сигналом конца развертки напр жени  ГСН 9 который передаетс  через деблокированный во втором цикле ключевой элемент 29. Одновременно сигнал конца развертки передаетс  и в блок 27, после чего (с небольшой задержкой) устройство вновь пере- . ключаетс  в исходное состо ние. Предлагаемое изобретение позвол ет повысить точность измерени  благо дар  статистической обработке сигналов и точному учету временных интервалов стробировани  (шагов дискретизации ) оптических импульсов. При это накопление и усреднение отдельных дискретных значений измер емого сиг ,нала позвол ет уменьшить вли ние слу чайных возмущений в более широком спектре их частот при восстановлении сигнала по сравнению с усреднением по ансамбл м дискретных значений. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  импульс ной мощности оптического излучени , содержащее линейный фотоприемник оптического излучени , фотоприемник синхронизации, измеритель абсолютной энергии оптического излучени , аналого-цифровой преобразователь, 9 8 цифровой генератор ступенчатого напр жени  и стробоскопический преобразователь , к соответствующим входам которого подсоединены линейный фотоприемник оптического излучени  и цифровой генератор ступенчатого напр жени , а к аналоговому выходу аналого-цифровой преобразователь, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, в устройство введены второй аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых сигналов, делитель числа сигналов , два компаратора кодов, два счетчика, цифроаналоговой преобразователь , преобразователь врем -код, преобразователь код-сопротивление., - преобразователь напр жение-частота, преобразователь напр жение-сопротивление , два интегратора, элемент ИЛИ, множительный цифровой вольтметр, блок усреднени , триггер, п ть,ключевых элементов, три переключател , два резистора и блок накоплени  и усреднени  данных, к соответствующим входам которого подключены цифровой генератор ступенчатого напр жени , делитель числа сигналов и кодовые выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы сигналов конца измерени -,аналого-цифровых преобразователей через элемент ИЛИ присоединены к делителю числа сигналов и блоку накоплени  и усреднени  данных, к соответствующим выходам которого присоединены входами управлени  все переключатели, а также первый, второй и четвертый ключевые элементы, а к кодовому выходу присоединен цифроаналоговый преобразователь , подсоединенный выходом через п тый ключевой элемент и делитель , образованный первым резистором и преобразователем код-сопротивление, к первому интегратору и непосредственно к второму интегратору, к выходу которого подключен преобразователь напр жение-сопротивление, образующий с вторым резистором делитель, через который к одному из входов множительного цифрового вольтметра подсоединен блок усреднени , входом подключенный к измерителю абсолютной энергии оптического излучени , к второму входу множительного цифрового вольтметра присоединен преобразователь напр жение-частота, а вход запуска цифрового вольтметра через четвертый ключевой элемент 13 подсоединен к соответствующему выходу цифрового генератора ступенчатого напр жени , вход которого через первый переключатель соединен с выходом делител  числа сигналов, и непосредственно к первому компаратор кодов, информационные входы которого присоединены к кодовым выходам обоих аналого-цифровых преобразователей, а выход - к входу управлени  третьего ключевого элемента , к входу синхронизации стробоскопического преобразовател  одним из входов непосредственно подсоединен преобразователь врем -код, а через второй переключатель присоединены фотоприемник синхронизации и генератор тактовых сигналов , выход стробимпульсов стробоскопического преобразовател  непосредственно подключен к второму входу преобразовател  врем -код, выходом соединенного с преобразователем кодсопротивление , а параллельно через первый ключевой элемент выход стробимпульсов подсоединен к первому пере ключателю и блоку накоплени  и усред нени  данных, через третий переключа тель - к первому счетчику и к втором 98 ключевому элементу, к выходу которого присоединен второй вход управлени  . этого ключевого элемента, а также вход триггера и через третий ключевой элемент вход второго сметчика, кодовый выход которого и кодовый выход {первого счетчика присоединен к второму компаратору кодов, выходом подсоединенному к п тому ключевому элементу , при этом выходы триггера подключены к входам запуска аналого-цифровых преобразователей, измерительный вход второго из которых также присоединен к аналоговому выходу стробоскопического преобразовател . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерени . М., Энерги , 1975f с. 366-369.

2.Анучин Е.Н. и Кувалдин Э.В. Стробоскопический метод измерени  импульсных характеристик фотоприемников и мощности редкоповтор ющихс  импульсов. Сб. статей Импульсна  фотометри . Вып. 5 Л., Машиностроение , 1978, с. 85-89, рис.1 (прототип).