Измеритель переходных характеристик

 

Изобретение может быть использовано для исследования и контроля динамических свойств управляемых частотных устройств и систем. Целью изобретения является повышение точности и упрощение устройства. Измеритель переходных характеристик содержит: формирователи 1,2,9 импульсов, элементы И 5,6. триггер 7, коммутатор 10. Введение элементов 4,8 задержки, блока 11 памяти позволяет повысить точность устройства и упростить его. 4 .ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

|s>)s 6 05 В 23/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Г

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4798085/21 (22) 08.12.89 (46) 30.03.92. Бюл. М 12 (72) А,И.Вервейко, А.П.Ковель, С.Н,Макарук и Ю.С,Шмалий (53) 621.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР га 847282, кл. G 05 В 23/02, 1979.

Авторское свидетельство СССР

ЛЬ 1287120, кл, G 05 В 23/02, 1985.,, ЯХ„„1723563 А1

2 (54) ИЗМЕРИТЕЛ6 ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК (57) Изобретение может быть использовано для исследования и контроля динамических свойств управляемых частотных устройств и систем, Целью изобретения является повышение. точности и упрощение устройства.

Измеритель переходных характеристик содержит: формирователи 1,2,9 импульсов, элементы И 5,6. триггер 7, коммутатор 10.

В ведение элемен ma 4,8 задержки, блока 11 памяти позволяет повысить точность устройства и упростить его. 4 ил, 1723563 Недостатками известного технического решения являются малая точность измерений, обусловленная значительной погрешИзобретение относится к ра диотехни- ностью квантования, а также сложность его ческим измерениям и мож ожет быть испол ьзо- конструктивной реализации. ния и контроля Рассмотрим алгоритм преобразов вания вано для исследования и контро т ты от номиA инамических свойств управля а ляемых частот- отклонения периода или часто осят- 5 нального значения в последовательность ных устройств и систем, к которым отн ся, например, управляемые кв р ква цевые отсчетов напряжения при помощи известгенераторы и радиотехнические с еские системы на ного измерителя. Он протекает следующим образом.

Известен измеритель динамических ха- В од

В о ин и тот же момент времени из по ий фо мирователь 10 импульсов опорной частоты fo следующих рактеристик, содержащии формир в фо ми овать инь частоты, синхрониэа- с периодом To „начинают фор р импульсов, делитель ч

= поТо", а из и импульсов то, егистратор, коммутатор, сумматор и тервал опроса tonp = по 0 х тор, регист ат исследуемой частоты fx, следующих с периНедостатком такого технического реше- одом Тх, — исс ду р ле емый интервал tx = пхТх; ния является низкая точность восстановле- 15 Формируют измерительный интервал ния функции перех фу одного процесса tg = пхТх — noTp, который коммутирует импульсы опорной частоты, установления частоты. м ти емых имп льсов

Н 6 б з им по технической сущ- Количество коммутиру — — )/Т и еоб аз ют в наУ ности и достигаемому эффекту является иэ- йк = t< Ь)/ о пр р у меритель переходных характери ктеристик, 20 пряжение Us x, причем каждому коммутирут тп иа ение содержащий первый, второй и орой и третий фор- . емому импульсу соответствует приращени мирователи импульсов, дели, N телей узел напряжения на шаг квантования ЛUÄ т,е. — Л0/Т =(Т переключения, узел сброса, N RS-триггеров, Овых = (t>< — то) A U/То = (пхТх—

N элементов И, два элемента ИЛИ, последо- — поТ,l) - /, . . вательно соединенные комм„-, комм„-,атор и сумма- 25 Точность измерения интеррала t опретор, последовательно соединенные деляется, в основном, погрешностью квансинхрониз изатор и регистратор, а также две тования. Эта погрешность ограничивает входные и одну выходну н ю шину, которая разрешающую способность измеоите д I Лf орая подключена к выходу синхронизатора, а периоду Ь

ЬT или частоте Л р которая первая входная шина через первый форми- 30 определяется из очевидного условия роатель импульсов соединена с первыми вход ами делителей, выход третьего форми- и с учетом соотношения рователя импульсовсоединен свходомузла Afp = ЬТр /(Тхо хо p )

l I 2+Т . ЛТ (1) сброса и первым входом узла переключе- равна ния, второй вход которого подключен к вы- 35 fp = хо/(опр о ) ходу первого формирователя импульсов, Сложность конструктивной реализации

N Bblxo4oB Узла с6Роса поДклю- обусловлена необходимостью применения кдждыи из вы с пе еменным второму входу соответствующего де- многоразрядных делителеи с пер лителя и к первому входу соответствующего коэффициентом деления с соответс у, щтв ю иRS-т иггера, второй вход каждого RS-триг- 40 ми схемами управления. Так, например, при гера подключен к выходу соответствующего т „р = 1с, f,l= 100 МГц, двоично-десятичные делителя, первые входы элементов И под- делители с переменным коэффициентомдеключены к выходам соответствующих RS- ления должны иметь 32 разряда. триггеров и соответствующим входам Цель изобретения — повышение точновторого элемента ИЛИ, выход которого че- 45 сти и упрощение конструкции. ез вто ой формирователь импульсов сое- Цель достигается тем, что усовершенстдинен с первым входом коммутатора, вуется измеритель переходных характеривыходы элементов И соединены каждый с стик, содержащий три формирователя соответствующим входом первого элемента импульсов, два элемента И, триггер, коммуИЛИ, выход которого соединен с вторым 50 татор, индикатор, синхронизатор, две входвходом коммутатора, выход сумматора под- ные и одну выходную шины, причем первая ключен к второму входу регистратора, вто- и вторая входные шины соединены с вхоая входная шина соединена с входом дами соответственно первого и второго . третьего формирователя импульсов, выход формирователей импульсов, вход синхроузла переключения подключен к вторым 55 низации индикатора соединен с выходом входам элементов ентов И. синхронизатора и с выходной шиной.

Отличительными существенными признаками измерителя переходных характеристик являются два элемента задержки и

1723563 блок памяти, выход первого формирователя импульсов подключен к первым входам пер- . ваго и второго элементов И, выход второго формирователя импульсов подключен к второму входу первого элемента И и через ïåð- 5 вый элемент задержки — к второму входу второго элемента И, выходом соединенного с R-входом триггера, S-вход которого под-. ключен к выходу первого элемента И и к счетному входу коммутатора, инверсный 10 выход триггера подключен к входу третьего формирователя импульсов, выход которого подключен к управляющему входу блока памяти и через второй элемент задержки — к входу установки коммутатора, а выход ком- 15 мутатора подключен к информационному входу блока памяти, выходом соединенного с информационным входом индикатора.

Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с 20 признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а следовательно, предлагаемое техническое решение обладает. существенными отличиями.

Для доказательства достижения цели 25 изобретения рассмотрим процесс преобразования отклонения периода или частоты от номинального значения в последовательность отсчетов напряжения, который протекает следующим образом. 30

Иэ импульсов исследуемой частоты fx формируют последовательность исследуемых импульсов калиброванной длительности г1 (фиг. Ia), Иэ импульсов опорной частоты fo, зна- 35 чение которой должно удовлетворять условию

fo = 1»о+ 4 <у. (2) где fxp — номинальное (начальное) значение исследуемой частоты; 40

ЛГу — требуемое значение частоты ус-. реднения, формуют последовательность опорных импульсов калиброванной длительности to (фиг.1в)., 45

Осуществляют логическое умножение сформированных последовательностей исследуемых и опорных импульсов. В результате этого и при выполнении условия (ro+ <)» ЬТ, (3) где Ь Т = (T» — То) = (fo-fx)/fxfo — разность периодов следования исследуемых Тх и опорных То импульсов, образуются пакеты импульсов совпадений (фиг.1с), Количество импульсов в пакете on- 55 ределяется соотношением

N =(To +Х1) fx о/(о fx). (4) .

Пусть исследуемая частота изменяется по закону

fx = fxo Afx (5) где A fx — девиация частоты, подлежащая измерению, тогда выражение (4) с учетом (2), (5) преобразуется к виду

N = (То + Г1) (f»o 4 fõ) (хо + Л fy) /

/(Afy hf,). (6)

Измерители переходных характеристик для повышения их разрешающей способности обычно используют с компараторами частотными, например типа Ч7-12, выходная частота которых имеет стандартное значение 1 МГц. Требуемые частоты усреднения не превышают десятков-сотен герц, т.е. можно утверждать, что <хо» 4fx 1хо 4fy

Поэтому с целью упрощения математических выкладок выражение (6) представим в виде 4 = (го + 1) хо (л у + Л х) (7) откуда у "— 4fx = (о +Ф) fxp /N. (8) или

u »», = u,/è, (9) где и...- к (М„Лr.(;

Uo = K (Го + Г1) fxo

К вЂ” коэффициент пропорциональности, учитывающий преобраэованиедевиации частоты в напряжение.

Для сравнения. метрологических характеристик прототипа и заявляемого измерителя оценим основные составляющие погрешности последнего: погрешности, обусловленные квантованием, помехами на входе, нестабильностями образцовой частоты, длительностей калиброванных импульсов, порогов формирователей и характеристик поступающих на их входы сигналов. Погрешность измерения переходного процесса оценивается по одной его реализации. Поэтому эта погрешность определяется как сумма максимальных значений всех составляющих.

Рассмотрим эти составляющие.

1, Погрешность от квантования. Она обусловлена случайным характером расположения переднего фронта импульса измеряемой частоты относительно переднего фронта импульса опорной частоты и, как у любого цифрового прибора, равна

h,éKB =+. 1, (10)

Абсолютное значение погрешности квантования по частоте находим из условия

N IZLfx h,% N Jfx 0=1 которая с учетом (5), (7) равна

>fy = fy ((Го + 1) . fxo +>fy) ("")

2. Погрешность из-эа помех на входе.

Она возникает вследствие разброса эа счет действия помех моментов срабатывания Ь tc

1723563 порогового устройства при формировании импульсов калиброванной длительности и может быть записана в виде

Etc = AL4 /(2 1/2 л f 0), где A Un — напряжение помех на входе из1 мерителя.

За время существования пакета совпадений центр каждого из импульсов пакета равномерно перемещается относительно центров, например, калиброванных импульсов исследуемой частоты с шагом

О =7/N =Хо Л1у/((т:о +Р1) fxo ), (12)

Поэтому погрешность из-за помех на входе, выраженную в коде, можно записать в виде

Лйп — р—

At, Х

U (13) В качестве источника опорной частоты используют стандарт или синтезатор частоты, поэтому можно утверждать, что (ЛUn /U)x» (ЛUn /U)o и, следовательно, Лйпх » ANno (14)

3. Погрешность из-за кратковременной нестабильности частоты. В процессе измерения опорная частота считается постоянной, поэтому любое ее изменение приводит к погрешности измерения исследуемой частоты. Эта погрешность может быть записана в виде

Aй = а fo/Afð — — а 1,((т, +т1) х х fxo + Afy)/Afy . (15) где а — относительное значение кратковременной нестабильности частоты.

4. Погрешность из-за нестабильности длительностей калиброванных импульсов.

Она обусловлена изменением длительностей калиброванных импульсов в процессе измерений и равна

ЬM„=(ao o+а1 Ц1}/9=(ao o+a1 ° Ц)х

X (ro + r1) 4>/(to A fy), (16) где ао, a1 — относительное значение нестабильностей длительностей соответственно опорных и исследуемых импульсов.

5. Погрешность из-за стабильностей порогов срабатывания и характеристик входного сигнала. Момент срабатывания порогового устройства ср определяется из условия

Un.= 0в sin(2 Kf 1ср), где Un — номинальное значение напряжения срабатывания;

Um — максимальное значение входного напряжения, и равен

t,р = (8rcsin (Vn/Um))/(2 mf), а его максимальная нестабильность

Л асср = (A Un + Un A Um/Um)/ а и - 1

Эта погрешность, выраженная в коде, равна

10 ли,— ЛЬе = х(ЛU+ " ) . (17) Um

Поскольку A Umx » Л Umo, так как стабилизация частоты невозможна без стабилизации амплитуды, то можно считать, что

A 1сх > > A Nco (18)

Проведем оценку всех составляющих погрешности на конкретном примере.

Пусть то =т1 = 10 с; fo = 1001000 Гц;

fxp = 1000000 Гц; Л 1у = 1000 Гц; Л Vn /U =

10-3. 10-8,, 1 0-4, „1 0-3.

25 =0.005 В, Ь0п = 10 В; Um =2 В; Л0щ = 10

В.

Тогда в.соответствии с (13)-(18) Л Nnx =

=0,2, A йкнч = 2 1 О; Л,= 0,2; Л Ncx = О, 15.

Анализ полученных результатов по30 казывает, что погрешность квантования значительно превышает остальные составляющие, которые к тому же могут быть уменьшены ужесточением требований к параметрам входных сигналов и отдельных уз35 лов измерителя. Поэтому можно считать, что разрешающую способность измерителя ограничивает B ocHOBHoM погрешность квантования.

Сравнение результатов расчета по со40 отношениям (1) и (11) показывает, что при прочих равных условиях заявляемый измеритель имеет в 20 раз большую разрешающую способность (при fo = 10 МГц, т.е. при построении измерителей, например, на

45 микросхемах 155 серии);

Таким образом, в заявляемом измерителе отклонение периода или частоты от номинального значения преобразуется в последовательность отсчетов напряжения

50 (фиг.1ц, фиг.4), следующих с заданной «астотой усреднения. Повышение точности достигается увеличением разрешающей способности.

На фиг,1 приведены временные диаг55 раммы, поясняющие процесс преобразования девиации периода или частоты в последовательность отсчетов напряжения; на фиг.2 приведена функциональная схема заявляемого измерителя; на фиг.3 приведена функциональная схема ЦАП; на фиг.4

1723563

10 приведена восстановленная временная функция частотно-переходного процесса.

Измеритель переходных характеристик содержит первый 1 и второй 2 формирователи импульсов, синхронизатор 3, первый элемент 4 задержки, первый 5 и второй 6 элементы И, триггер 7, второй элемент 8 задержки, третий формирователь 9 импульсов, коммутатор 10, блок 11 памяти, индикатор 12, первую 13 и вторую I4 входные шины и выходную шину 15, В предлагаемом измерителе элементы соединены следующим образом.

Выход второго формирователя 2 импульсов подключен к входу первого элемента 4 задержки и к второму входу первого элемента И 5, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя 1 импульсов и с первым входом второго эле10

20 мента И 6. второй вход которого подключен к выходу первого элемента 4 задержки, S- u

R-входы триггера 7 подключены к выходам соответственно первого 5 и второго. 6 элементов И, вход второго. элемента 8: формирователя 9 импульсов, инверсный выход триггера 7 соединен с входом третьего формирователя 9 импульсов, счетный вход и вход установки коммутатора 10 соединены с выходами соответственно первого эле-, 30 мента И 5 и второго элемента 8 задержки, управляющий и информационный входы блока 11 памяти соединены с выходами соответственно третьего формирователя 9 им35 пульсов и коммутатора 10, управляющий и информационные входы индикатора 12 подключены к выходам соответственно синхронизатора 3 и блока 11 памяти, первая 13 и вторая I4 входные шины соединены с вхо40 дами соответственно первого 1 и второго 2 формирователей импульсов, выходная шина 15 соединена с выходом синхронизатора

3.

Индикатор 12, как вариант, содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)

16 и осциллограф 17.

ЦАП 16 (фиг.3) содержит стабилитрон

18, резисторы 19-21, полевые транзисторы

22, операционный усилитель 23 и резистор

24.

Предлагаемый измеритель переходных характеристик работает следующим. образом.

Перед началом проведения измерений рассчитывают с учетом соотношения (3) длительности калиброванных импульсов исследуемой и опорной частот. Настраивают на эти длительности соответственно первый 1 и второй 2 формирователи импульсов. Значение опорной частоты должно удовлетвозадержки соединен с выходом третьего 25 рять величине, рассчитанной по выражению (2), Временные задержки первого 4 tat u второго 8 i/2 элементов задержки должны удовлетворять следующим соотношениям:

t31 =То/2; ting =(1,5 — 2) узап, где taan — время записи информации в блок

11 IlBM5lTM.

Импульсы исследуемой 4х и опорной 4О частот с первой 13 и второй 14 входных шин поступают на входы соответственно первого 1 и второго 2 формирователей импульсов, На выходах последних формируются последовательности исследуемых импульсов калиброванной длительности ц (фиг.1а) и опорных импульсов калиброванной длительности то (фиг;1в) соответственно. Эти последовательности подаются на входы первого элемента И 5, на выходе которого образуются основные пакеты импульсов совйадений (фиг.1d). Количество импульсов в пакете равно 7, оно подсчитывается коммутатором 10 (фиг,1d,n).

Последовательность опорных импульсов задерживается на временной интервал

И> (фиг.1с) и совместно с последовательностью исследуемых импульсов подается на второй элемент И 6, На выходе последнего . образуются вспомогательные пакеты импульсов совпадений, которые задержаны относительно соответствующих основных пакетов на временной интервал 1/2 Л1у (фиг.1е). По первым импульсам основных пакетов триггер 7 устанавливается в единичное состояние, по первым импульсам вспомогательных пакетов — в нулевое.

Третьим формирователем 9 импульсов по переднему фронту сигнала на инверсном выходе триггера 7 формируется короткий импульс (фиг.1I), который переписывает в блок 11 памяти информацию с выхода коммутатора 10 и через временной интервал tag устанавливает последний в исходное состояние. В дальнейшем коммутатор 10 подсчитывает количество импульсов в очередном основном пакете совпадений.

Информация с выхода блока 11 памяти поступает на индикатор 12 для визуализации (фиг.1ц), Синхронизатор 3 осуществляет синхронизацию начала работы измерителя с временем подачи испытательного воздействия на исследуемый обьект.

Работа отдельных сложных узлов измерителя.

Первый 1 и второй 2 формирователи импульсов.

Эти формирователи импульсов могут быть построены на умножителях частоты с последующим выделением определенного

1723563

12 количества периодов исследуемой или опорной частоты. В этом случае нестабильность длительности импульсов частоты fo определяется, в основном, кратковременной нестабильностью частоты источника 5 опорного сигнала. А нестабильность длительности импульса частоты fx не будет более 10, так как при применении компвратора частотного, например типа

Ч7-12, отклонение на его выходе частоты от 10 номинального значения, равного 1000000

Гц, не должно превышать 1000 Гц. (E32.721.10710. Компаратор частотный Ч712. Техническое описание и инструкция по эксплуатации). 15

ЦАП 16.

Резистор 19 и стабилитрон 18 обеспечивают получение значения Uo (9). Управляемый делитель, состоящий из резисторов 20 и R (резисторы 21 и полевые транзисторы 20

22), формирует требуемый закон иЗменения выходного напряжения. Так, когда на одном из вторых входов присутствует высокий потенциал, то соответствующий полевой тран. зистор 22 открыт и резистор подключен к 25 общей шине, При низком потенциале транзистор 22 закрыт и резистор отключен. И если номиналы резисторов, подключаемых к общей шине, соответствуют ряду R/2, R/2, R/2, ..., R/2", то состояние вторых 30 входов можно рассматривать как двоичное число. В этом случае

1

2о R+21У +22гR+ +2л"У 35

R R

20 + 21 + 22 + + 2п Йвх где йвх — двоичное число, поступающее на 40 вход ЦАП 16.

Коэффициент передачи управляемого делителя, подключенного к неинвертирующему входу операционного усилителя 23, равен 45 . К =Я/(К+ В )=1/(1+ Ив,).

На операционном усилителе 23 и резисторе 24 собран повторитель напряжения, исключающий влияние входных цепей ос- 50 циллографа 17 на коэффициент передачи управляемого делителя. Выходное напряжение ЦАП 16 равно

Овых.- Ки Uo = Uo/(1 + Nex). (19) И если входной код ЦАП 16 равен N»-N — 1, что обеспечивается, например, установкой выходным импульсом второго элемента 8 задержки коммутатора 10 в единичное состояние по выходам, то выражение (19) соответствует требуемому (9), По сравнению с прототипом заявляемый измеритель переходных характеристик имеет следующие преимущества . более высокую точность, обусловленную повышением разрешающей способности измерителя, последнее обстоятельство при одинаковых требованиях к разрешающей способности позволяет получить большее количество отсчетов напряжения на участке переходного процесса установления частоты, упрощение конструктивной реализации, что обусловлено отсутствием в составе измерителя многоразрядных делителей с соответствующими схемами управления.

Предлагаемый измеритель частотных переходных характеристик может быть использован в автоматизированных системах и комплексах для испытаний управляемых кварцевых автосенерэторов и радиотехнических систем на их основе, а также автономно и в виде измерительного прибора.

Формула изобретения

Измеритель переходных характеристик, содержащий первый, второй и третий формирователи импульсов, первый и второй элементы И, триггер, синхронизатор, индикатор, коммутатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения устройства, в него введены первый и второй элементы задержки, блок памяти, выход первого формирователя соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выход второго формирователя соединен с вторым входом первого элемента

И, а через первый элемент задержки — с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом сброса триггера, вход установки которого соединен с выходом первого элемента И и счетным входом коммутатора, инверсный выход триггера соединен через третий формирователь импульсов с управляющим входом блока памяти, а через второй элемент эадержки— с входом установки коммутатора, выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход синхронизатора соединен с входом индикатора.

17235бЗ

Фиг.1

Фиг.З

1723563

Составитель А.Вервейко

Редактор Т.Лошкарева Техред M.Mîðlåíòàë Корректор "M.Êó÷åðÿâàÿ

Заказ 1064 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород. ул, Гагарина, 101