Устройство масштабно-временного преобразования одиночных импульсов на запоминающей электронно-лучевой трубке

 

Использование: изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при исследовании быстропротекающих процессов. Целью изобретения является уменьшение погрешности временного преобразования одиночных импульсов на запоминающей электронно-лучевой трубке (ЗЭЛТ). В устройство, содержащее ЗЭЛТ, генераторы разверток записи, импульсной, строчной и кадровой, два коммутатора, линию задержки, блок синхронизации, усилитель считывания, аналого-цифровой преобразователь и блок памяти с соответствующими связями, введены умножитель, делитель, сумматор, счетчик, два накапливающих сумматора и регистр таким образом, что их связи обеспечивают повышение точности определения центра импульсов, считываемых с мишени ЗЭЛТ растровым лучом, за счет увеличения количества дискретных выборок импульса считывания и соответствующей цифровой обработки, тем самым достигается уменьшение погрешности масштабно-временного преобразования одиночных импульсов ЗЭЛТ. 7 ил.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам регистрации одиночных импульсных сигналов нанопикосекундного диапазона длительностей, построенных по принципу масштабно-временного преобразования (МВП) на базе запоминающей электронно-лучевой трубки (ЗЭЛТ). Известно устройство масштабно-временного преобразования одиночных импульсов на ЗЭЛТ [1] Работа устройства заключается в том, что однократной временной разверткой электронного луча производится запись одиночного импульса на мишени ЗЭЛТ в виде его потенциального (зарядового) изображения в прямоугольных координатах X-Y- мишени, однозначно связанных с координатами амплитуда время одиночного импульса. После этого производится электрическое считывание зарядового изображения электронным лучом, развернутым в поперечно-строчный растр. В моменты пересечения лучом считывания линии зарядового изображения сигнала в цепи сигнальной пластины ЗЭЛТ выделяются считанные импульсы, временное положение t_i которых от начала движения луча считывания несет информацию об амплитудах A_i дискретных выборок одиночного импульса (см. фиг. 1). Далее считанные импульсы через усилитель и устройство пороговой фиксации по переднему фронту в виде фазомодулированной последовательности импульсов вместе с синхроимпульсами, привязанными по времени к моментам начала движения луча считывания, поступают в блок магнитной памяти, откуда информация может быть передана в блок цифровой обработки, преобразующий записанные временные интервалы t_i в цифровой код для ввода информации в ЭВМ. Недостатком этого устройства масштабно-временного преобразования является относительно большая погрешность преобразования, связанная с погрешностью измерения временных интервалов t_i, несущих информацию о значениях A_i (i=1.n; n число строк считывания). Как показано на фиг. 2, значения t_i измеряются от момента начала движения луча считывания до момента достижения считанным импульсом некоторого порогового уровня U_o, т. е. фиксация временного интервала t_i производится по переднему фронту этого импульса. Среднеквадратическая погрешность измерения временных интервалов t_i в этом случае составляет (1) где t_фр длительность переднего фронта считанного импульса; j отношение сигнал/шум считанного импульса. Параметр j характеризует наличие шума в реальной цепи формирования и усиления считанных импульсов (мишень ЗЭЛТ+усилитель) и определяется следующим отношением: (2) где усредненная амплитуда считанных импульсов; U_m максимальная амплитуда считанных импульсов; σ_щ среднеквадратическое значение шумов. Известен масштабно-временной преобразователь [2] содержащий ЗЭЛТ, генератор импульсов подсвета, пусковое устройство, генератор растра считывания, блок памяти, блок цифрового преобразования. Работа этого устройства заключается в последовательных операциях записи одиночного импульса на мишени ЗЭЛТ, его считывания поперечно-строчным растром и измерения временных интервалов t_i в моменты пересечения лучом считывания линии зарядового изображения сигнала на мишени ЗЭЛТ. Устройство характеризуется тем, что для повышения точности измерения временные интервалы t_i определяются в виде суммы двух составляющих: значения t_i1, измеренного от начала движения луча считывания до момента пересечения переднего фронта считанного импульса некоторого порогового уровня U_o (аналогично описанному выше) и 1/2 значения Δt_i,, измеряемого от момента t_i1 до момента пересечения заднего фронта считанного импульса (см. фиг. 3): (3) Для определения среднеквадратической погрешности измерения значения t_i преобразуем (3) в следующий вид (см. фиг. 3):
(4)
где t_i2 значение временного интервала от начала движения луча считывания до момента пересечения заднего фронта считанного импульса некоторого порогового уровня U_o. В этом случае квадрат среднеквадратической погрешности измерения временных интервалов t_i будет равен

Полагая σt_i1=σt_i2= σt₁,, получим
(5)
где σt₁ определяется по формуле (1);
ρ коэффициент корреляции случайных величин t_i1 и t_i2. Считая, что шум в канале считывания статически независим (т.е. r=0 ), уравнение (5) с учетом (1) преобразуется к виду
(6)
Из сопоставления (6) и (1) видно, что в устройстве погрешность преобразования ≈ в 1,4 раза меньше по сравнению с устройством. Недостатком устройства является неудовлетворительная точность масштабно-временного преобразования. Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому является устройство масштабно-временного преобразования (МВП) одиночных импульсов на запоминающей электронно-лучевой трубке (ЗЭЛТ), содержащее ЗЭЛТ, генератор импульсов подсвета, генератор развертки записи, линию (элемент) задержки, входы которых объединены и являются входом устройства, выход генератора импульсов подсвета подключен к катодно-модуляторному узлу ЗЭЛТ, выход генератора развертки записи через коммутатор X подключен к горизонтально-отклоняющей системе X ЗЭЛТ, выход линии задержки подсоединен через коммутатор Y к вертикально-отклоняющей системе Y ЗЭЛТ, блок синхронизации, первый выход которого подсоединен к катодно-модуляторному узлу ЗЭЛТ, второй и третий выходы соответственно к входам генератора кадровой развертки и генератора строчной развертки, выходы которых соответственно через коммутаторы подключены к вертикально-отклоняющей системе Y и горизонтально-отклоняющей системе X ЗЭЛТ, усилитель считывания, вход которого подключен к сигнальной пластине мишени ЗЭЛТ, АЦП, блок выборки и хранения, блок памяти. Алгоритм работы этого устройства также заключается в том, что однократной временной разверткой электронного луча производится запись одиночного импульса на мишени ЗЭЛТ в виде его зарядового изображения, а затем производится считывание этого изображения поперечно-строчным растром. Определение амплитуд дискретных выборок A: одиночного импульса производится путем оцифровки мгновенных значений амплитуд развертывающего напряжения строчной развертки в моменты пересечения лучом считывания линии зарядового изображения. Недостатком устройства [3] является неудовлетворительная точность преобразования одиночных импульсов, присущая ранее описанному устройству [1]
Кроме того, устройство [3] предназначено для работы с такими ЗЭЛТ, у которых считанный импульс имеет строго симметричную форму (формирование управляющих сигналов "привязывается" к середине импульса отметки), что ограничивает область его применения. Целью изобретения является уменьшение погрешности преобразования. Цель изобретения в устройстве масштабно-временного преобразования одиночных импульсов на ЗЭЛТ, содержащем генератор импульса подсвета, генератор развертки записи, линию задержки, входы которых объединены и являются входом устройства, выход генератора импульсов подсвета подключен к катодно-модуляторному узлу ЗЭЛТ, выход генератора развертки записи через коммутатор X подключен к горизонтально-отклоняющей системе X ЗЭЛТ, выход линии задержки подсоединен через коммутатор Y к вертикально-отклоняющей системе Y ЗЭЛТ, блок синхронизации, первый выход которого подсоединен к катодно-модуляторному узлу ЗЭЛТ, второй и третий выходы соответственно к входам генератора кадровой развертки и генератора строчной разверток, выходы которых через соответствующие коммутаторы подключены к вертикально-отклоняющей системе Y и горизонтально-отклоняющей системе X ЗЭЛТ, усилитель считывания, вход которого подключен к сигнальной пластине мишени ЗЭЛТ, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, достигается тем, что в устройство дополнительно введены блок умножения чисел, блок деления чисел, сумматор, счетчик, два накапливающих сумматора, регистр, первый вход которого соединен с первым выходом усилителя считывания, второй с четвертым выходом блока синхронизации, третий с вторым выходом генератора строчной разверток, выход регистра к первому входу сумматора, первые входы АЦП и счетчика подключены к первому выходу усилителя считывания, вторые входы к четвертому выходу блока синхронизации, а третий вход АЦП подсоединен к второму выходу усилителя считывания, два входа блока умножения чисел подсоединены соответственно к выходу АЦП и счетчика, входы двух накапливающих сумматоров подсоединены соответственно к выходу блока умножения чисел и выходу АЦП, входы деления чисел подсоединены соответственно к выходу накапливающих сумматоров, а выход подсоединен к второму входу сумматора, выход которого подключен к входу блока памяти, выход которого является выходом устройства. Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от устройства, в котором фиксация временных интервалов t_i, однозначно связанных с амплитудами дискретных выборок исследуемого сигнала U_i(I=1.n), осуществлялась по положению переднего и заднего фронтов, т.е. использовалось 2 параметра считанных импульсов, то в предлагаемом устройстве для повышения точности фиксации используется m дискретных выборок амплитуд самих считанных импульсов, по которым определяется центр распределения амплитуд считанных импульсов по времени. На фиг. 1 3 приведены диаграммы, поясняющие работу устройства; блок-схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 4; на фиг. 5 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу предлагаемого устройства; на фиг. 6 временные диаграммы, поясняющие определение временного положения центра распределения амплитуд считанных импульсов; на фиг. 7 диаграммы, поясняющие то, что первая составляющая погрешности определения временного положения считанного импульса равна нулю (σ_tio=0).. Предлагаемое устройство (фиг. 4) содержит запоминающую электронно-лучевую трубку 1, генератор импульсов подсвета 2, генератор развертки записи 3, линию задержки 4, коммутатор X 5, коммутатор Y 6, генератор кадровой развертки 7, генератор строчной развертки 8, блок синхронизации 9, усилитель считывания 10, аналого-цифровой преобразователь 11, счетчик 12, блок умножения чисел 13, регистр 14, накапливающий первый сумматор 15, накапливающий второй сумматор 16, блок деления чисел 17, сумматор 18, запоминающее устройство 19. Устройство МВП ЗЭЛТ содержит катодно-модуляторный узел 20, горизонтально-отклоняющую систему 21, вертикально-отклоняющую систему 22, мишень 23 и сигнальный электрод 24. В качестве блоков 1 10 могут быть использованы блоки, описанные в известных устройствах. Блок 11 может быть реализован на базе серийно выпускаемых микросхем, блоки 12, 14 реализуются на базе интегральных микросхем. Блоки 15, 16, 18 могут быть заимствованы из известных устройств. Блоки 13 и 17 могут быть построены на базе БИС умножителя и цифровых логических микросхем. Первый вход блока 11 (АЦП) является управляющим. Наличие на этом уходе уровня логической единицы (лог. "1") обуславливает то, что блок 11 производит оцифровку аналоговых сигналов, поступающих на его вход 3, причем оцифровка производится в моменты прихода на его вход 2 импульсов синхронизации. В состав регистра 14 входят D-триггер и регистр с параллельным занесением информации. D-триггер предназначен для синхронизации момента занесения информации в регистр 14, что исключает одну из составляющих погрешностей измерения временного положения считанных импульсов σ_tio=0 (cм. ниже по тексту). Работа устройства МВП происходит следующим образом. Регистрируемый импульсный сигнал поступает на вход устройства МВЦ, запускает генератор развертки записи 3, генератор импульсов подсвета 2, проходит через линию задержки 4, необходимую для компенсации времени срабатывания генераторов 2 и 3 и, проходя через коммутатор 6, поступает на вертикально-отклоняющую систему Y 22 ЗЭЛТ 1, отклоняя при этом электронный луч вдоль оси амплитуд (ось Y). Генератор импульсов подсвета 2 формирует импульс подсвета, который, поступая в катодно-модуляторный узел 20 ЗЭЛТ 1, осуществляет отрицание электронного луча. Генератор развертки записи формирует при этом линейно изменяющееся напряжение горизонтальной развертки, которое через коммутатор 5 поступает на горизонтально-отклоняющую систему Х 21 ЗЭЛТ 1 и осуществляет временную развертку регистрируемого импульса. В результате на мишени 23 ЗЭЛТ 1 создается зарядовое изображение одиночного импульса. На этом кончается цикл записи МВП. По окончании цикла записи блок синхронизации 9 вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для запуска генератора строчной 8 разверток, а также для подготовки других блоков устройства МВП к режиму считывания. В режиме считывания генератор кадровой развертки 7 формирует ступенчатое напряжение кадровой развертки, которое через коммутатор 5 поступает на горизонтально-отклоняющую систему 21 ЗЭЛТ 1, осуществляя перемещение луча по оси X на n дискретных позиций, соответствующих n дискретным выборкам исследуемого сигнала. Генератор строчной развертки 8 формирует серию из n импульсов линейно нарастающего напряжения, поступающего через коммутатор 6 на вертикально-отклоняющую систему 22 ЗЭЛТ 1, в результате чего происходит отклонение электронного луча ЗЭЛТ 1 вдоль оси Y. Кроме того, генератор 8 формирует нарастающий двоичный К-разрядный цифровой код, соответствующий положению электронного луча на оси Y. Блок синхронизации 9 вырабатывает n импульсов подсвета соответствующих прямому ходу луча, которые поступают в катодно-модуляторный узел 20 ЗЭЛТ 1. При этом на мишени 23 ЗЭЛТ 1 формируется поперечно-строчный считывающий растр. В момент достижения считывающим лучом линии зарядного изображения одиночного импульса в цепи сигнального электрода 24 ЗЭЛТ 1 появляется тоновый сигнал-отметка, который поступает на вход усилителя считывания 17. Усилитель считывания 10 отделяет импульс отметку от пьедестала, усиливает его и формирует на выходе 1 управляющий сигнал, передний фронт которого привязан к переднему фронту сигнала-отметки (см. фиг. 5). Из усилителя считывания 10 управляющий сигнал поступает на 1 вход регистра 14, в котором по переднему фронту этого сигнала, синхронизированному импульсами СИНХР, из блока синхронизации 9 происходит запись мгновенного значения двоичного кода интервала t_io, поступающего на информационный вход 3 регистра 14 из генератора строчной развертки 8 и соответствующего положению считывающего луча на оси Y мишени 24. Усилитель считывания формирует также по выходу 2 аналоговый импульс-отметку, который поступает на сигнальный вход 3 аналого-цифрового преобразователя 11. На тактовый вход 2 АЦП 11 из блока синхронизации 9 поступают импульсы синхронизации СИНХР, по которым в течение действия управляющего сигнала, поступающего на АЦП 11 с выхода 1 усилителя считывания 10, происходит оцифровка мгновенных амплитуд аналогового импульса-отметки. На выходе АЦП 11 формируются значения кода, соответствующего дискретным выборкам U_j оцифрованного импульса-отметки. На счетчик 12 из блока синхронизации 9 поступают импульсы синхронизации СИНХР, а с выхода ВЫХ 1 усилителя считывания 10 управляющий сигнал. В результате на выходе счетчика 12 в течение действия управляющего сигнала формируются значения двоичного кода, соответствующего номерам J дискретных выборок U_j. В блоке умножения чисел 13 происходит перемножение кодов значений дискретных выборок U_j и j, поступающих соответственно из АЦП 11 и счетчика 12. Результаты перемножения суммируются на первом накапливающем сумматоре 15 и поступают на первый вход блока деления чисел 17. На втором накапливающем сумматоре 16 происходит суммирование кодов значений дискретных выборок U_j, результат которого поступает на второй вход блока деления чисел 17. На первый вход сумматора 18 поступает значение кода интервала t_io, зафиксированного в регистре 14, на второй вход сумматора 18 поступает код дополнительного интервала t_ic, формируемого на выходе делителя 17. На выходе сумматора 18 образуется результирующее значение кода временного интервала t_i, равное сумме t_io и t_ic, которое поступает на вход запоминающего устройства 19. Выход запоминающего устройства 19 является выходом всего устройства МВП, с которого информация о форме зарегистрированного сигнала может быть передана в другие устройства обработки, например ЭВМ. Таким образом, значение временного интервала t_i может быть представлено в следующем виде:
(7)
Как видно из фиг. 6, значения τ_j(i=1...m) можно записать в виде τ_j= τ_o·j, где τ_o период измерения дискретных выборок считанного импульса, равный периоду импульсов СИНХР блока синхронизации 9, а j номер дискретной выборки считанного импульса U_j. В этом случае (7) можно записать следующим образом:
(8)
где
(9)
Полагая, что t_io и t_ic статистически независимы, определим среднеквадратическую погрешность измерения временных интервалов
σ²_i= σ²_tio+σ²_tic= σ²_tic. (10)
В формуле (10) значение σ_tio=0,, поскольку в предлагаемом устройстве (см. фиг. 5) момент измерения первой дискретной выборки U₁ считанного импульса, соответствующий времени t_io, привязан к тактовой частоте задающего кварцевого генератора,
а сам интервал t_io равен целому числу периодов
t_io=l·τ_o, I=1.L. При этом измерение временных интервалов может осуществляться с высокой точностью, которая обуславливается нестабильностью частоты кварцевых генераторов и составляет 10^-6.10^-8, что не является предельными значениями. Условием фиксации момента t_io, а следовательно, и начала оцифровки считанного импульса, является факт пересечения передним фронтом этого импульса некоторого порогового уровня U_o, что продиктовано возможностью технической реализации предлагаемого устройства. В качестве примера на фиг. 7 показана ситуация, когда фиксация временного интервала t_io производится в произвольной момент времени до появления считанного импульса. Очевидно, что в этом случае значения t_i, вычисленные по формуле (8), окажутся теми же, что и в случае, показанном на фиг. 6, так как амплитуды дискретных выборок (см. фиг. 7) U_j=0 для j=1,k и для j=s.m. Однако случай, показанный на фиг. 7, технически реализовать невозможно ввиду того, что момент возникновения считанного импульса относительно начала движения считывающего луча зависит от формы преобразуемого одиночного импульса и заранее неизвестен. Таким образом, пренебрегая погрешностью измерения временного интервала t_io, на основании выражений (9) и (10) запишем значение среднеквадратической погрешности σ_ti, предварительно приведя выражение (9) к следующему виду:
(11)
где среднее значение амплитуд считанных импульсов. Полагая, как и прежде, шум в канале съема и усиления считанного импульса статистически независимым и с учетом закона сложения дисперсий статистически-независимых случайных величин, получим

(12)
где отношение сигнал/шум. Выражение (12) в случае m>1 можно упростить

Окончательно среднеквадратическую погрешность измерения временного интервала t_i запишем в следующем виде:
(13)
Ввиду того, что длительность считанного импульса на уровне установленного порога U_o (см. фиг. 6) можно записать в виде t_и≈2t_фр≈mτ_o,, приведем выражение (6) к следующему виду:
(14)
Определим количественно уменьшение среднеквадратической погрешности преобразования предлагаемого устройства по сравнению с прототипом
(15)
В таблице приведены значения К для различных значений m, равных по количеству дискретных выборок m считанного импульса. Из таблицы видно, что при увеличении количества дискретных выборок считанного импульса с 32 до 256 погрешность предлагаемого устройства уменьшается в 2,5 7 раз по сравнению с прототипом. Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется меньшей погрешностью чем прототип.

Формула изобретения

Устройство масштабно-временного преобразования одиночных импульсов на запоминающей электронно-лучевой трубке, содержащее генератор импульсов подсвета, генератор развертки записи, линию задержки, входы которых объединены и являются входом устройства, запоминающую электронно-лучевую трубку, катодно-модуляторный узел, который первым входом подключен к выходу генератора импульсов подсвета, а вторым входом к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого подключен к генератору кадровой развертки, выход которого подсоединен ко второму входу первого коммутатора, первый вход которого подключен к выходу генератора развертки записи, а выход к горизонтально отклоняющей системе запоминающей электронно-лучевой трубки, вертикально отклоняющая система которой соединена с выходом второго коммутатора, первый вход которого подключен к выходу линии задержки, а второй вход к первому выходу генератора строчной развертки, вход которого связан с третьим выходом блока синхронизации, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и усилитель считывания, вход которого подключен к сигнальной пластине мишени запоминающей электронно-лучевой трубки, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности преобразования, в него введены блок умножения, блок деления, сумматор, счетчик, два накапливающих сумматора и регистр, первый и второй входы которого соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя и счетчика, причем первые входы соединены с первым выходом усилителя считывания, а вторые входы с четвертым выходом блока синхронизации, второй выход усилителя считывания связан с третьим входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен ко входу второго накапливающего сумматора и первому входу блока умножения, второй вход которого подключен к выходу счетчика, а выход к входу первого накапливающего сумматора, выход которого подключен к первому входу блока делителя, второй вход которого подсоединен к выходу второго накапливающего сумматора, а выход - к второму входу сумматора, выход которого подключен к блоку памяти, а первый вход к выходу регистра, третий вход которого подключен к второму выходу генератора строчной развертки, причем выход блока памяти является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---