Измеритель переходных характеристик

 

Изобретение относится к технике радиотехнических измерений. Цель изобретения - повьшение точности и расширение функциональных возможностей . Измеритель переходных характеристик состоит из базового измерителя , содержащего первый, второй и .третий формирователи импульсов, N делителей с переменным коэффициентом деления, узел переключения, коммутатор , сумматор, синхронизатор и регистратор , а также две входные и одну выходную шины, причем для достижения цели в. него введены узел сброса, N RS-триггеров, N элементов И и два элемента ИЛИ, а число N определяется начальной исследуемой частотой колебаний и ее изменением за время переходного процесса, а также длительностью последнего и допустимыми погрешностями его дискретизации по частоте и времени. 8 ил. i W

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А") ц)) 4 С 05 В 23/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3897885/24-24 (22) 16.05,85 (46) 30.01.87. Бюл. Р 4 (72) В.Я.Баржин, А.И.Вервейко, А.А.Прокимов и N.С.Шмалий (53) 62.50 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 696392, кл. Н 03 К 13/20, 1977.

Авторское свидетельство СССР и 847282, кл. G 05 В 23/02, 1979.

Хлистунов В.Н. Основы цифровой электронно-измерительной техники.M.:

Энергия, 1966, 346. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК (57) Изобретение относится к технике радиотехнических измерений. Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей. Измеритель переходных характеристик состоит из базового измерителя, содержащего первый, второй и третий формирователи импульсов, N делителей с переменным коэффициентом деления, узел переключения, коммутатор, сумматор, синхронизатор и регистратор, а также две входные и одну выходную шины, причем для достижения цели в. него введены узел сброса, N RS-триггеров, N элементов И и два элемента ИЛИ, а число N определяется начальной исследуемой частотой колебаний и ее изменением эа время переходного процесса, а также длительностью последнего и допустимыми погрешностями его дискретизации по частоте и времени. 8 ил.

1287120

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано для исследования и контроля динамических свойств управляе- . мых автоколебательных систем, к кото- 5 рым относятся кварцевые и струнные датчики, а также управляемые кварцевые генераторы и другие приборы, управляемые по частоте.

Цель изобретения — повышение точности и расширение. функциональных возможностей.

На фиг.1 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип преобразования приращения периода или частоты исследуемого сигнала в изменении напряжения; на фиг. 2 — функциональная схема предлагаемого измерителя переходных характеристик; на фиг.3 — временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого измерителя переходных характеристик, на фиг.4 — функциональная схема делителя с переменным коэффициентом деления, на фиг. 5 — функци- ональная схема узла сброса; на фиг. 6функциональная схема коммутатора, на фиг.7 — функциональная схема сумматора; на фиг. 8 — восстановленные функции переходного процесса и кратковременной нестабильности частоты.

В предлагаемом измерителе переходных характеристик для точного восстановления функции переходного процесса установления частоты используется преобразование приращения частоты или периода колебаний в изменение напряжения в следующем порядке.

В один и тот же момент времени из 40 импульсов опорной частоты (фиг.! а) начинает формироваться интервал опроса t,„, К,Т, (фиг.! Ь), где К - число импульсов опорной частоты в интервале опроса; Тд - период опорной час- 45 тоты, а иэ импульсов исследуемой частоты (фиг,1 с) - исследуемый интервал

t Ê„Ò„ (ôèã. 1 ñ1), где К„ - число импульсов исследуемой частоты в иссле-, дуемом интервале; Т„ — период иссле- 5р дуемой частоты, формируется измерительный интервал tz (фиг. 1 е) как разность опорного и исследуемого интервалов, который коммутирует импульсы опорной (фиг.1 м) или исследуемой 55 (фиг. 1 t) частот, количество коммутируемых импульсов преобразуется в напряжение (фиг.1 n,s), причем каждому коммутируемому импульсу соответствует приращение напряжения на шаг квантования.

Таким образом, приращение периода или частоты исследуемого процесса с помощью предлагаемого измерителя преобразуется в последовательность отсчетов напряжения, расположенных по времени через равные интервалы

ОПР

Вид коммутируемых импульсов (фиг.! n,z) оказывает существенное влияние на метрологические свойства измерителя, поэтому в зависимости от их вида возможны два режима работы:

I"É режим — коммутируются импульсы опорной частоты, II-й режим — коммутируются импульсы исследуемой частоты.

Для оценки метрологических свойств каждого из режимов определяют изменение выходного напряжения при скачкообразном изменении периода (aT) или частоты (ьй) .

Х-режим работы.

Выходное напряжение до скачка на- i пряжения равно (1) где Т вЂ” начальное значение периода

Iro исследуемой частоты.

После изменения периода Т„ на ве-! личину aT напряжение (1) преобразу- ется к виду

К Тц -К„(Тл +6Т .д д(2)

Вьдл л

Зависимость изменения выходного напряжения от приращения периода aT при этом имеет вид о

С целью упрощения выкладок интервалы t,„ и t в начальный момент времени принимают равными друг другу, т. е. К, Т, =К„Т,, и с учетом соотношения !. » 1,Т Т „т „д дт r„+r„ x и функцйи (3) определяют зависимость изменения напряжения от приращения частоты. (4) л, откуда определяют разрешающую способность I-oro режима по частоте, т.е. девиацию частоты af» соответствую12871 щую изменению выходного напряжения на шаг квантования

t,„, аТ (6) х и от приращения частоты (7)

Разрешающая способность II-oro режима:

15 ьй

1 (8)

0ll Р

Из соотношений (4-8) следует, что

I-й режим имеет линейную характеристику преобразования период — напряжение, II-ой режим имеет линейную характеристику преобразования частота — напряжение; разрешающая способность 1-oro режима определяется не только интервалом опроса и начальным значением исследуемой частоты, но и значением опорной частоты, разрешающая способность II-ого режима определяется только интервалом опроса.

Функция переходного процесса установления частоты может быть восстановлена путем линейной интерполяции внутри каждого интервала опроса, при

35 этом максимальное значение погрешности восстановления определяется соотношением т

) tî,ç„ið (9) 40

Бу.маркс - - 8 где К„ — коэффициент, учитывающий преобразование приращения частоты или периода в изменение напряжения. 45

Уменьшение погрешности восстановления возможно уменьшением интервала времени между дискретными значениями напряжения (t.„, ).

Из фиг.1 n,z в иHд нHоo, что в течение 5р измерительного интервала t происходит преобразование чиСла импульсов в напряжение, а в течение интервала t индикация полученного результата.

Для повышения точности измерений за счет повьппения разрешающей способности измерителя между импульсами а и о (фиг.1 n) аналогичным образом формируются N таких же измерительных

hf — Х

f (5)

pr t + опа о

II-й режим работы.

Аналогично I-ому режиму определяют соотношения типа (3), (4) и (5).

Выходное напряжение изменяется в за висимости от приращения периода

20 4 импульсов (на фиг.1 штриховыми линиями условно показано формирование только одного импульса). При этом число N находят из условия юо< 1 1 опа (10)

t Макс

С учетом соотношения (5) и того, что погрешности дискретизации по частоте о и времени о равны соответст1 2 венно

66f 1 (11) 2

et и где af„- изменение иСследуемой частоты за время переходного процесса;

et — длительность переходного процесса, функция (10) преобразуется к виду

За пределами этого интервала эффект повышения точности не достигается (f„ =f„).

Поскольку в предлагаемом решении отсутствует узел дифференцирования, вносящий в оцениваемую величину существенную погрешность от дискретизации нелинейности и инерционности а также в N раз увеличено число информационных точек, то повышение точности в сравнении с известным устройством может быть достигнуто в N(1+8 ) раз.

Измеритель переходных характеристик (фиг.2) содержит первьп формирователь 1 импульсов, N делителей 2, первые входы которых подключены к выходу первого формирователя 1 импульсов, и второму входу узла 3 переключения, N RS-триггеров 4, первые и вторые входы которых подключены соот— ветственно к выходам и вторым входам соответствующих делителей 2. Выход узла 3 переключения соединен с первыми входами N элементов И 5; вторые входы которых подключены каждый к выхо-. ду соответствующего RS-триггера 4. Входы первого элемента КПИ 6 соединены каждый с выходом одного из N элементов И 5. Входы второго элемента ИЛИ

7 соединены каждый с выходом одного из N RS-триггеров 4. Вход второго формирователя импульсов 8 соединен с выходом второго элемента ИЛИ 7.

1287120

Первый и второй входы коммутатора

9 соединены соответственно с выхода-. ми первого элемента ИЛИ 6 и второго формирователя 8 импульсов. Входы сумматора 10 соединены с соответствующими выходами коммутатора 9. Первый вход регистратора 11 подключен к выходу сумматора 10. Выход третьего формирователя 12 импульсов соединен с входом узла 13 сброса, выходы которого подключены каждый к вторым входам соответствующих,RS-триггеров

4. Второй выход синхронизатора 14 подключен к второыу входу регистратора 11. Первая и вторая входные шины 15 и 16 подключены соответственно к входам первого 1 и третьего 12 формирователей импульсов, а выходная шина 17 соединена с первым выходом синхронизатора 11.

Второй формирователь 8 импульсов (фиг.2) выполнен в виде конденсатора

18, элемента НЕ 19 и элемента 2И-НЕ

20.

Делитель 2 состоит из двоичных счетчиков 21, кроссировочного поля

22, элементов 8И-НЕ 23 и элемента 2

ИЛИ-НЕ 24 (фиг.4) °

Узел 3 сброса состоит из делителя 2 с переменным коэффициентом деления, счетных триггеров 25, селекторов-мультиплексоров 26 и элементов

2И 27 (фиг.5).

Коммутатор 9 состоит из двоичных счетчиков 28 (фиг.6). Сумматор 10 состоит иэ элементов ИЛИ 29, резистора R 30 и резисторов 2 К 31 (фиг.7)

Предлагаемый измеритель работает следующим образом.

Перед началом проведения измерений по формулам (5) н (12) определяют интервал опроса t. и число N;

Расчитывают интервал дискретизации

at — = К т, (13)

О О что позволяет выбрать период частоты опорного генератора Т и коэффио о циент К узла 13 сброса.

Коэффициент деления ДПКД 2 выбирают из условия где Т„„„„ - максимальное значение периода исследуемой частоты.

В зависимости от требуемой характеристики преобразования; определяемой выражениями (3), (4), (6) и (7)1 устанавливают I или II-й режим работы узла переключения, на выход кото5

30 рого пропускается соответственно сигнал с первого (импульса опорной частоты) или второго (импульса исследуемой частоты) его входов.

Назначение всех узлов измерителя и прохождение сигналов рассматривают при одном базовом варианте, т.е. при

N=1 (в состав базового варианта входят один ДПКД 2, один RS-триггер 4 и один элмент 2И 5).

Импульсы опорной частоты (фиг.3, f,) со второй входной шины 16 через третий формирователь 12 импульсов поступают на вход узла сброса. На первом выходе узла 13 сброса формируется последовательность импульсов сброса (фиг.3,1 вых.), следующих с интервалом опроса „ =KÄ T, . Импульс сброса устанавливает ДПКД 2 и RS-триггер 4 в нулевое состояние (фиг.3 с -1).

Импульсы исследуемой частоты fÄ (фиг.3 f„ ) с первой входной шины 15 через первый формирователь импульсов поступают на первые входы ДПКД 2 и второй вход узла переключения. Импульс установки (фиг.3 в-1) появляется на выходе ДПКД 2 после прихода импульса сброса через время t „=K T„. Импульсы установки подаются на первые входы

RS-триггеров 4, при этом на его выходе формируется измерительный интервал, длительность которого равна (14) Измерительный интервал с выхода

RS-триггер 4 поступает на второй вход элемента 2И 5, на первый вход которого в зависимости от режима работы узла 3 переключения поступают импульсы частоты f, или f„.

На выходе элемента 2И 5 появляются импульсы, число которых равно

N,= ™ (1 5)

% где Т „- длительность периода опорной или исследуемой частоты.

Импульсы с выхода элемента 2И 5 через элемент ИЛИ 6 поступают на первый вход коммутатора 9, преобразующего число импульсов в код. Измерительный интервал с выхода RS-триггера 4 через элемент ИПИ 7 и второй формирователь 8 импульсов поступает также на второй вход коммутатора для установки последнего по переднейу фронту измерительного интервала в исходное (нулевое) состояние (фиг.3м).

7 12871

Сумматор преобразует код импульсов в напряжение (фиг.3 n,z), формируемое в течение измерительного интервала, причем увеличению кода на единицу соответствует увеличение напря- 5 жения на шаг квантования Ы.

Напряжение на выходе сумматора

U равно ых (1e) 1о с х

Синхронизатор предназначен для синхронизации начала работы измерителя с временем подачи испытательного воздействия на исследуемый 15 объект. Напряжение с выхода сумматора-подается на регистратор.

Таким образом, по окончании каждого интервала опроса на регистраторе появляется напряжение, характе- 2О ризующее приращение периода или частоты на соответствующем интервале опроса.

При формировании дополнительных информационных точек предлагаемый 25 измеритель переходных характеристик работает следующим образом.

Узел 13 сброса формирует на каждом из своих выходов последовательность импульсов сброса, следующих 3р с интервалом опроса t, но каждый последующий импульс сдвинут относительно предыдущего на интервал дискретизации at (фиг.3,1 вых., N вых).

Импульсы сброса с каждого иэ выходов узла 13 сброса устанавливают в нулевое состояние соответствующие

ДПКД 2 и RS-триггера 4 (фиг.3, с-1, с-N). Импульсы исследуемой частоты (фиг.3, Е„), с первой входной шины 4О

15 через первый формирователь 1 импульсов поступают на первые входы всех ДЛКД 2, на выходе которых через временные интервалы С„ после прихода соответствующего ймпульса 45 сброса появляются импульсы установки (фиг.3 в-1, в-N), переводящие соответствующие триггеры в единичное состояние (фиг.3 с-1, с-N). На выходе каждого из RS-триггеров 4 5р формируют измерительнйй интервал t определяемый соотношением (14), который с помощью элементов 2И 5 заполняется импульсами частоты Е, или

fi С помощью первого элемента N

HJIH 6 выходные сигналы всех элементов 5 суммируются (фиг.3 d) в результате на выходе элемента N ИЛИ 6 формируется последовательность паго 8 чек импульсов. С помощью коммутатора 9 и сумматора 10 количество импульсов в пачке преобразуется в напряжение (фиг.3 h), которое поступает на регистратор 11 для контроля °

Перед приходом очередной пачки импульсов коммутатор 9 устанавливается в нулевое состояние импульсами, сформированными из измерительных интервалов всех RS — òðèããåðîâ 4 посредством вторых элементов N ИЛИ 7 и формирователя 8 импульсов (фиг.3 m).

Следовательно, при любом количестве базовых вариантов изменение периода или частоты исследуемого сигнала преобразуется в последовательность отсчетов напряжения, следующих с импульсом дискретизации, определяемым соотношением (13).

Работа отдельных сложных узлов измерителя.

Делитель 2 с переменным коэффициентом деления (фиг.4).

Ло приходу импульса сброса на второй вход ДПКД 2 все двоичные счетчики по выходам устанавливаются в нулевое состояние, после чего на них по каждому импульсу частоты, поступающему на первый вход начинает последовательно появляться двоичный код поступивших импульсов. На кроссировочном поле 22 устанавливается двоичный код числа импульсов, определяющий коэффициент деления. На выходе элемента 2

ИПИ-НЕ 24 и ДПКД 2 появляется сигнал только в том случае, если на всех входах элементов ЯИ-НЕ 23, соединенных перемычками с соответствующими выходами двоичного делителя, появляются единичные уровни сигналов.

Узел сброса 13 (фиг.5).

Импульсы частоты со входа поступают на ДПКД 2. С выхода ДЛЯ 2 сигнал поступает на цепочку последовательно соединенных счетных триггеров 25. Выходы первых четырех триггеров 25 соединены с соответствующими управляющими входами селекторов-мультиплексоров

26. Выходы последующих триггеров 25 соединены с управляющими входами уп-. равляющего селектора-мультиплексора

26-1, выходы которого подключены к стробирующим входам селекторов-мультиплексоров 26, чем обеспечивается их последовательная работа. Двоичный код с выходов первых четырех триггеров 25 каждым из селекторов-мультиплексоров 26 преобразуется в десятич5

Формула из о бр е те ния !

Измеритель переходных характеристик, содержащий первый, второй итре10 тий формирователи импульсов, N делителей, узел переключения, последовательно соединенные коммутатор и сумматор, последовательно соединенные синхронизатор и регистратор, а так15 же две входные шины и одну выходную шину, которая подключена к выходу синхронизатора, а первая входная шика через первый формирователь импульсов соединена с первыми входами делителей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, введены узел сброса, N

RS-триггеров, N элементов И, два элемента ИЛИ, выход третьего формирователя импульсов соединен с входом узла сброса и первым входом узла пе-, реключения, второй вход которого под- ключен к выходу первого формирователя импульсов, каждый из N выходов узла сброса подключен к второму входу соответствующего делителя и к первому входу соответствующего RS-триггера, второй вход каждого RS-триггера под" ключен к выходу соответствующего дели-

35 теля,первые входы элементов Иподключены к выходам соответствующих RSтриггеров и соответствующим входам второго элемента ИЛИ, выход которого через второй формирователь импульсов

40 соединен с первым входом коммутатора, выходы элементов И соединены каждый с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход

45 сумматора подключен к второму входу регистратора, вторая входная шина соединена с входом третьего формирователя импульсов, выход узла переключения подключен к вторым входам эле50 мента И.

9 128712 ный код, который поступает на одни входы соответствующих элементов 2 И

27, на другие входы которых поступают импульсы сброса с выхода ДПКД 2.

Поэтому на 1 вых,, N ÄÄ последовательно появляются импульсы сброса .Коммутатор 9 (фиг.6) состоит из последовательно соединенных двоичных счетчиков 28. Сигнал, поступающий на второй вход, устанавливает двоичные счетчики в нулевое состояние, после чего на выходах коммутатора 9 последовательно появляется двоичный код числа импульсов, поступивших на пер вый вход коммутатора 9.

Сумматор 10 (фиг.7) представляет собой преобразователь код — напряжение на основе матрицы R30-2R31. Коммутация напряжения осуществляется элементами ИЛИ 29.

Осциллограммы переходного процесса установления частоты и формы кратковременной нестабильности частоты приведены на фиг.8а, б.

По сравнению с известным устройством предлагаемый измеритель переходных характеристик характеризуется в N(1+ 9 ) раз высшей точностью изме9 рений, что обусловлено цифровой формой обработки сигналов и увеличением в М раз информационных точек на участие установления частоты, более широкими функциональными возможностями, поскольку повышение точности и разрешающей способности позволяет измерять форму кратковременной нестабильности частоты за различные времена усреднения (1 мс, 10 мс и т.д.), отсутствием аналоговых узлов и блоков, полным цифровым исполнением измерителя, высокой линейностью характеристик преобразования частота — напряжение или период-напряжение °

Таким образом, предлагаемый измеритель переходных процессов позвояет определять с высокой точностью функцию переходного процесса установления частоты, а также контролировать кратковременную нестабиль0 10 ность автогенераторов, и может быть использован при разработке и испытаниях управляемых частотных устройств и систем.

t 287120 фие. !

В-Т

С-И

1287120 е °

° °

° б

° °

1287) 20

Р Р Р стайивнчсч иастоти

Ю

Фиг. д

Составитель В.Кузин

Техред Л.Сердюкова Корректор; И.Муска

Редактор Л.Повхан

Заказ 271 Тираж 885 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1t3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4