Устройство измерения длительности импульсов по двум уровням

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в цифровых осциллографах, панорамных радиоприемниках и в аппаратуре контроля параметров источников радиоизлучений. Устройство содержит n компараторов; источник опорных напряжений; n формирователей; n схем совпадения; генератор счетных импульсов; первую и вторую схемы ИЛИ; первый и второй счетчики импульсов; сумматор; регистр; первую, вторую и третью логические схемы И-НЕ; первый и второй ждущий мультивибраторы. Технический результат от использования предлагаемого устройства заключается в получении (измерении) параметров длительности импульсов аппаратурой с малым количеством элементов с высокой степенью интеграции и, как следствие, имеющей малые габариты и обладающей более высокой надежностью. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в цифровых осциллографах, панорамных радиоприемниках, в аппаратуре контроля параметров источников радиоизлучений.

Известно устройство для цифрового отображения формы электрического импульса [1. Патент ФРГ № 2017513, кл. 21е, G01R 29/02, 1974], содержащее ряд компараторов, первые входы которых соединены с шиной исследуемого сигнала, вторые входы - с выходами источника опорных напряжений, а выходы - с входами счетчиков импульсов.

Недостатком устройства [1] является чрезвычайная сложность при малом шаге квантования амплитуды и большом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов - за счет большого количества счетчиков импульсов.

Известно устройство для цифрового отображения формы электрического импульса [2. Авторское свидетельство № 789908, МКИ3 G01R 29/02, бюл. № 47 1980], содержащее компараторы, первые входы которых соединены с входом устройства, а вторые входы - с источниками опорных напряжений, и счетчики импульсов, счетные входы которых подключены к источнику квантующих импульсов, при этом оно снабжено двумя группами блоков ИЛИ и триггерами, выходы которых связаны с управляющими входами счетчиков импульсов, единичные входы - с входами установки в 0 счетчиков импульсов и выходами блоков ИЛИ первой группы, входы установки в 0 - с выходами блоков ИЛИ второй группы, входы которых соединены с вторыми входами компараторов, первые выходы которых подключены к входам блоков ИЛИ первой группы, причем входы i-x блоков ИЛИ первой и второй групп подключены к выходам (i+jk)-x компараторов, где j=0, 1, 2… и ограничено целой частью числа, равного (n-1)/k, где n - количество компараторов, k - количество блоков ИЛИ в каждой группе.

Известно устройство для цифрового отображения формы электрического импульса по а.с. № 789908 [3. А.с. № 890273, МКИ3 G01R 29/02, бюл. № 46, 1981], в которое, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно введены многоканальный коммутатор с двумя группами входов и последовательно соединенные регистр и дешифратор, при этом входы регистра подключены к выходам компараторов, первая группа входов многоканального коммутатора соединена с выходами счетчиков, а вторая соединена с выходами дешифратора.

Известно устройство для цифрового отображения формы электрического импульса по а.с. № 789908 [4. А.с. № 1140060, МКИ4 G01R 29/02, бюл. № 6, 1985], в которое, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно введены элемент ИЛИ, элемент совпадения и регистры памяти, соединенные по информационным входам с выходами соответствующих счетчиков импульсов, по объединенным входам синхронизации - с выходом дополнительного элемента совпадения, первый вход которого подключен к выходу источника квантующих импульсов, а второй - к выходу дополнительного элемента ИЛИ, входы которого соединены с первыми выходами компараторов, начиная с k-го.

Основным недостатком устройств - аналогов [2, 3 и 4] является их повышенная сложность.

Наиболее близким к предлагаемому устройству, принятому за прототип, по технической сущности, наличию элементов и связей между ними является устройство для цифрового отображения формы электрического импульса [5. А.с. № 993159, МКИ G01R 29/02, бюл. № 4, 1980 (прототип)], содержащее n компараторов, первые входы которых соединены с входом устройства, вторые входы - с выходами источника опорных напряжений, два блока ИЛИ, счетчики импульсов, счетные входы которых подключены к источнику квантующих импульсов, а управляющие входы - к выходам k триггеров, распределитель импульсов, выходы которого связаны с нулевыми входами триггеров, а вход - с выходом второго блока ИЛИ, входы которого соединены с вторыми выходами компараторов, первыми выходами подключенных к входам первого блока ИЛИ, выход которого связан с синхронизирующими входами счетчиков импульсов, причем единичные входы триггеров соединены с первыми выходами первых k компараторов, информационные входы первого счетчика импульсов подключены к шине уровня логического нуля, а информационные входы каждого последующего счетчика - к выходам предыдущего.

Недостатком прототипа также является его повышенная сложность, обусловленная большим количеством счетчиков, необходимых для отображения длительностей импульса на разных уровнях во всем диапазоне изменения амплитуд входного импульса.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства измерения длительности импульсов по двум уровням с малыми габаритами.

Технический результат от использования предлагаемого устройства измерения длительности импульсов по двум уровням заключается в получении (измерении) параметров длительности импульсов аппаратурой с малым количеством элементов с высокой степенью интеграции и, как следствие, имеющей малые габариты и обладающей более высокой надежностью.

Поставленная цель и технический результат достигаются тем, что в известное устройство для цифрового отображения формы электрических импульсов, содержащее n компараторов, первые входы которых соединены с входом устройства, а вторые входы - с выходами источника опорных напряжений, генератор счетных импульсов, две схемы ИЛИ, счетчики импульсов, в него введены n схем совпадения, сумматор, регистр, два ждущих мультивибратора, n формирователей, Р выходы которых соединены с входами, соответствующими номерам формирователей, первой схемы ИЛИ, подключенной выходом к R входу второго счетчика импульсов, Q выход первого формирователя соединен с первым входом первой схемы совпадения, входом первого ждущего мультивибратора, а также с S входами от второго по n-й формирователь, выходы от третьего по n-й формирователь соединены с первыми входами соответственно от второй по (n-1) схему совпадения, выход первого компаратора соединен с R и S входами первого формирователя, выход каждого компаратора от второго по n-й компаратор соединен с R входом соответственно от второго по n-й формирователь, а также с третьим входом от второй по n-ю схему совпадения, генератор счетных импульсов 5 подключен на вторые входы от n-й схемы совпадения по первую схему совпадения, подключенной выходом на счетный вход С первого счетчика импульсов, выходы от второй по n-ю схему совпадения соединены соответственно со входами второй схемы ИЛИ, выход которой подключен на счетный вход С второго счетчика импульсов, соединенного выходом с первым входом А сумматора, второй вход В которого подключен к выходу первого счетчика импульсов, а выход - через вход D регистра со сдвигом на один разряд в сторону младшего разряда - на выход устройства, выход первого ждущего мультивибратора соединен с управляющим входом С записи кода в регистр, а также с входом второго ждущего мультивибратора, выход которого подключен на входы & сброса первого и второго счетчиков импульсов, а также на вход R сброса регистра, на третий вход первой схемы совпадения и первый вход n-ой схемы совпадения подаются напряжения, обеспечивающие выполнение этими схемами функции И для сигналов по двум оставшимся входам, при этом каждый из n формирователей состоит из трех схем И-НЕ, R входом формирователя является первый вход первого логического элемента И - НЕ, выход которого является Р выходом формирователя, соединенного с первым входом второго логического элемента И-НЕ, второй вход которого подключен ко второму входу первого логического элемента И-НЕ, объединенного с выходом третьего логического элемента И-НЕ, являющегося выходом формирователя, S входом которого является второй вход третьего логического элемента И-НЕ, подключенного первым входом к выходу второго логического элемента И - НЕ, являющегося Q выходом формирователя.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства измерения длительности импульсов по двум уровням, на фиг.2 - временная диаграмма работы предлагаемого устройства.

Устройство измерения длительности импульсов по двум уровням (фиг.1) содержит:

1-1 - первый компаратор;	1 -2 - второй компаратор;
1-3 - третий компаратор;	1-n - n-й компаратор;
2 - источник опорных напряжений;	3-1 - первый формирователь;
3-2 - второй формирователь;	3-3 - третий формирователь;
3-n - n-й формирователь;	4-1 - первая схема совпадения;
4-2 - вторая схема совпадения;	4-3 - третья схема совпадения;
4-n - n-я схема совпадения;	5 - генератор счетных импульсов;
6-1 - первая схема ИЛИ;	6-2 - вторая схема ИЛИ;
7-1 первый счетчик импульсов;	7-2 - второй счетчик импульсов;
8 - сумматор;	9 - регистр;
10 - первая логическая схема И-НЕ;	11 - вторая логическая схема И-НЕ;
12 - третья логическая схема И-НЕ;	13 - первый ждущий мультивибратор;
14 - второй ждущий мультивибратор.

Первые входы n компараторов 1-1, 1-n соединены с входом устройства, вторые входы - с выходами источника опорных напряжений 2, выход первого компаратора 1-1 соединен с R и S входами первого формирователя 3-1, выход каждого компаратора от второго 1-2 по n-й компаратор 1-n соединен с R входом соответственно от второго формирователя 3-2 по n-й формирователь 3-n, а также с третьим входом от второй схемы совпадения 4-2 по n-ю схему совпадения 4-n,

Р выходы n формирователей 3-1, 3-n соединены с входами, соответствующими номерам формирователей, первой схемы ИЛИ 6-1, подключенной выходом к R входу сброса второго счетчика импульсов 7-2.

Q выход первого формирователя 3-1 соединен с первым входом первой схемы совпадения 4-1, входом первого ждущего мультивибратора 13, а также с S входами от второго формирователя 3-2 по n-й формирователь 3-n.

выходы от третьего формирователя 3-3 по n-й формирователь 3-n соединены с первыми входами соответственно от второй схемы совпадения 4-2 по (n-1) схему совпадения 4-(n-1).

Генератор счетных импульсов 5 подключен на вторые входы от n-й схемы совпадения 4-n по первую схему совпадения 4-1, подключенной выходом на счетный вход первого счетчика импульсов 7-1, выходы от второй схемы совпадения 4-2 по n-ю схему совпадения 4-n соединены соответственно со входами второй схемы ИЛИ 6-2, выход которой подключен на счетный вход С второго счетчика импульсов 7-2, соединенного выходом с первым входом А сумматора 8, второй вход В которого подключен к выходу первого счетчика импульсов 7-1, а выход - через вход D регистра 9 со сдвигом на один разряд в сторону младшего разряда - на выход устройства.

На третий вход первой схемы совпадения 4-1 и первый вход n-й схемы совпадения 4-n подаются напряжения (разрешающие потенциалы), обеспечивающие выполнение этими схемами функции И для сигналов по двум оставшимся входам.

Выход первого ждущего мультивибратора 13 соединен с управляющим входом С записи кода в регистр 9, а также с входом второго ждущего мультивибратора 14, выход которого подключен на входы & сброса первого 7-1 и второго 7-2 счетчиков импульсов, а также на вход R сброса регистра 9.

Каждый из n формирователей 3-1, … 3-n состоит из трех схем И-НЕ 10, 11, 12, R входом формирователя является первый вход первого логического элемента И - НЕ 10, выход которого является Р выходом формирователя, соединенного с первым входом второго логического элемента И-НЕ 11, второй вход которого подключен ко второму входу первого логического элемента И-НЕ 10, объединенного с выходом третьего логического элемента И-НЕ 12, являющегося выходом формирователя, S входом которого является второй вход третьего логического элемента И-НЕ 12, подключенного первым входом к выходу второго логического элемента И-НЕ 11, являющегося Q выходом формирователя.

Предлагаемое устройство измерения длительности импульсов по двум уровням измеряет длительность на двух уровнях квантования - верхнем и нижнем (τ_в и τ_н). Результирующая длительность импульсов вычисляется как среднее значение по формуле:

Такой метод измерения наиболее точно соответствует трапецеидальной форме импульса, которая часто встречается на практике в радиолокации и радионавигации.

Можно показать, что систематическая погрешность оценки длительности трапецеидальных импульсов равна:

где Δτ_и - систематическая погрешность;

τ_и - истинная длительность на уровне половинной амплитуды;

; - относительная длительность фронта и среза;

N - шаг квантования;

n - номер верхнего сработавшего порога.

Номер верхнего сработавшего порога n можно вычислить по формуле:

Величина отношения δ последовательных порогов срабатывания (большего к меньшему) компараторов 1 определяется требуемой точностью измерения длительности, а количество Р компараторов зависит от этой величины и возможного диапазона D изменения амплитуд входного сигнала:

Очень часто используется формула 201g(δ)=6 дБ.

Устройство измерения длительности импульсов по двум уровням работает следующим образом (фиг.1 и фиг.2). Исследуемый сигнал, форма которого аппроксимируется предлагаемым устройством как трапецеидальная (фиг.2а), поступает одновременно на первые входы n компараторов 1-1, 1-n, представляющих собой пороговые устройства, вторые входы которых подключены к источнику 2 опорных (эталонных) напряжений, связанных между собой логарифмической зависимостью.

При трапецеидальной аппроксимации формы измеряемого сигнала необходимо определить длительность последнего по основанию и по вершине, тогда полусумма этих двух длительностей составляет искомую длительность по половине амплитуды.

При поступлении импульсного сигнала на вход устройства на выходах компараторов 1-1, …, 1-n, порог срабатывания которых превышен входным сигналом, устанавливаются уровни логической единицы. Первым срабатывает первый компаратор 1-1 с наименьшим порогом срабатывания.

Длительность сигналов на выходах компараторов равна длительности входного сигнала на соответствующем уровне его срабатывания (фиг.2б…2д), подаваемого от источника 2 опорных напряжений.

Сигналы с выходов компараторов 1-1, …, 1-n поступают на входы специальных формирователей 3-1, …, 3-n, которые по переднему фронту импульса с выхода компаратора формируют на выходах Р короткие (15-20 нс) импульсы сброса (фиг.2е…2и), а на выходах Q и - противофазные прямоугольные импульсы, длительность которых равна длительности входного импульса на уровне срабатывания соответствующего компаратора (фиг.2л…2н).

Короткие отрицательные импульсы с выходов Р формирователей (фиг.2е…2и) суммируются на выходе первой схемы ИЛИ 6-1 (фиг.2к). Эти отрицательные импульсы сбрасывают по входу R второй счетчик 7-2 (фиг.2ф) до тех пор, пока не сработает самый верхний порог в компараторе 1-n (фиг.2д). После этого сброс второго счетчика 7-2 прекращается, и в него заносится то количество импульсов, которое соответствует верхнему сработавшему порогу (фиг.2ф, 2у).

Одновременно с моментом срабатывания первого компаратора 1-1 (фиг.2б) происходит подсчет импульсов, соответствующих длительности импульса на самом низком пороге в компараторе 1-1. Для этого на первый и второй входы первой схемы совпадения 4-1 соответственно поступают: импульс длительностью, соответствующей низкому порогу срабатывания, с Q-выхода первого формирователя 3-1 (фиг.2л) и счетные импульсы от генератора счетных импульсов 5 (фиг.2т), которые с выхода первой схемы совпадения 4-1 (фиг.2х) поступают на первый счетчик 7-1, где и подсчитываются (фиг.2ц). По окончании счета на выходах первого счетчика 7-1 образуется цифровой эквивалент длительности импульса по его основанию.

Значения кодов длительности по основанию и вершине измеряемого импульса, сформированные на выходах первого 7-1 и второго 7-2 счетчиков соответственно, складываются с помощью сумматора 8. Операция деления полученной суммы на 2 осуществляется путем записи кода длительности с выхода сумматора 8 в регистр 9 со сдвигом на один разряд в сторону младших разрядов.

Поскольку амплитуда поступающих импульсов изменяется в широких пределах диапазона D измерение длительности вершины входного импульса осуществляется скользящим методом с помощью схем совпадений 4-2, …, 4-n, причем по мере нарастания сигнала схемы совпадений 4-2, …, 4-(n-1), соответствующие более низким уровням входного сигнала, последовательно отключаются путем подачи на их первый вход запрещающего потенциала с выходов , связанных с этими схемами совпадений, формирователей более высокого порога срабатывания 3-3, …, 3-n. На третий и второй оставшиеся входы схем совпадений 4-2, …, 4-n поступают импульсы с выходов соответствующих компараторов 1-2, …, 1-n и эталонные счетные импульсы от стабилизированного кварцем генератора счетных импульсов 5 (фиг.2в, …, д, т). Схема совпадений 4-n срабатывает только если вершина измеряемого импульса равна верхнему пределу диапазона изменений амплитуд входного сигнала D (фиг.2д, т, с).

Выходы схем совпадений 4-2, …, 4-n объединяются с помощью второй схемы ИЛИ 6-2, с выхода которой счетные импульсы поступают на второй счетчик импульсов 7-2 (фиг.2у).

Для предотвращения накопления ложной информации во втором счетчике 7-2 в течение времени нарастания переднего фронта измеряемого импульса указанный счетчик сбрасывается в ноль короткими импульсами с выходов Р (фиг.2е, …, и) формирователей 3-1, …, 3-n при срабатывании каждого из компараторов 1-1, …, 1-n. Сброс второго счетчика 7-2 осуществляется импульсами с выхода первой схемы ИЛИ 6-1 (фиг.2к), объединяющей выходы Р формирователей 3-1, …, 3-n.

Первый ждущий мультивибратор 13 запускается по заднему фронту импульса с выхода Q формирователя 3-1, соответствующего окончанию измеряемого импульса.

После отпускания первого порогового устройства в сумматоре 8 сформировано число, равное (пропорциональное) 2τ_и=τ_в+τ_н. Это число по импульсу записи от первого ждущего мультивибратора 13 заноситься в выходной регистр 9 (фиг.2ч, щ), выходы которого подключены к выходному разъему.

Задним фронтом импульса записи запускается второй ждущий мультивибратор 14, формирующий импульс общего сброса измерителя (фиг.2ч, ш).

Цикл измерения завершается сбросом двух счетчиков 7-1, 7-2 и регистра 9 соответственно по входам & и R (фиг.2ш, ф, ц). По окончании общего сброса устройство готово к измерению следующего импульса.

Предлагаемое устройство измерения длительности импульсов легко реализуется на базе серийно выпускаемых отечественной промышленностью элементов микроэлектроники, на отечественных ИМС малого и среднего уровня интеграции, с использованием широко известных технических решений, описанных в литературе, так:

- источник опорного напряжения, формирующий совместно с резистивным делителем уровни опорных (эталонных) напряжений 2 на соответствующих входах компараторов, может быть реализован по схеме, приведенной в [5. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецезионных аналоговых микросхем. М., Радио и связь, 1985., с.213, рис.6.3],

- компараторы 1-1, …, 1-n могут быть реализованы по схеме, приведенной в [5 Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М., Радио и связь, 1985, с.77, рис.1.42],

- логические схемы, счетчики, регистр, сумматор, ждущие мультивибраторы, генератор счетных импульсов предлагаемого устройства могут быть выполнены на микросхемах жесткой логики различной степени интеграции, например, серий К555, 133, К561, 1533 и др. приведенным в [6. Шило В.Л. Популярные микросхемы ТТЛ. Справочник. М., «АРГУС», 1993].

При использовании более современной элементной базы, например программируемых логических ИС (ПЛИС) фирмы ALTERA типа МАХ7000, данное устройство измерения длительности импульсов по двум уровням может быть реализовано в одном корпусе ИМС [7. Номенклатура высокотехнологичных ИЭТ, рекомендуемых к разработке в Российской Федерации и применению в РЭА двойного назначения. М., Ассоциация «Фонд УНИЭТ», 2001].

Представленные чертежи и описание устройства измерения длительности импульсов по двум уровням позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить его промышленным способом и использовать по своему прямому назначению, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости предлагаемого изобретения.

Устройство измерения длительности импульсов по двум уровням, содержащее n компараторов, первые входы которых соединены с входом устройства, а вторые входы - с выходами источника опорных напряжений, генератор счетных импульсов, две схемы ИЛИ, счетчики импульсов, отличающееся тем, что в него введены n схем совпадения, сумматор, регистр, два ждущих мультивибратора, n формирователей, Р-выходы которых соединены с входами, соответствующими номерам формирователей, первой схемы ИЛИ, подключенной выходом к R-входу второго счетчика импульсов, Q-выход первого формирователя соединен с первым входом первой схемы совпадения, входом первого ждущего мультивибратора, а также с S-входами от второго по n-й формирователей, -выходы от третьего по n-й формирователей соединены с первыми входами соответственно от второй по (n-1)-ю схемы совпадения, выход первого компаратора соединен с R- и S-входами первого формирователя, выход каждого от второго по n-й компараторов соединен с R-входом соответственно от второго по n-й формирователей, а также с третьим входом от второй по n-ю схемы совпадения, генератор счетных импульсов подключен на вторые входы от n-й схемы совпадения по первую схему совпадения, подключенной выходом на счетный вход С первого счетчика импульсов, выходы от второй по n-ю схемы совпадения соединены соответственно со входами второй схемы ИЛИ, выход которой подключен на счетный вход С второго счетчика импульсов, соединенного выходом с первым входом А сумматора, второй вход В которого подключен к выходу первого счетчика импульсов, а выход через вход D регистра со сдвигом на один разряд в сторону младшего разряда - на выход устройства, выход первого ждущего мультивибратора соединен с управляющим входом С записи кода в регистр, а также с входом второго ждущего мультивибратора, выход которого подключен на входы & сброса первого и второго счетчиков импульсов, а также на вход R сброса регистра, на третий вход первой схемы совпадения и первый вход n-й схемы совпадения подаются напряжения, обеспечивающие выполнение этими схемами функции И для сигналов по двум оставшимся входам, при этом каждый из n формирователей состоит из трех схем И-НЕ, R-входом формирователя является первый вход первого логического элемента И-НЕ, выход которого является Р-выходом формирователя, соединенного с первым входом второго логического элемента И-НЕ, второй вход которого подключен ко второму входу первого логического элемента И-НЕ, объединенного с выходом третьего логического элемента И-НЕ, являющимся -выходом формирователя, S-входом которого является второй вход третьего логического элемента И-НЕ, подключенного первым входом к выходу второго логического элемента И-НЕ, являющегося Q-выходом формирователя.