Содержание к диссертации
Введение
1. Классификация, обзор и сравнительная оценка существующих методов и средств цифрового измерения амплитудно-временных параметров одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 14
1.1. Специфика измерения амплитудно-временных параметров одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 14
1.2. Методы цифрового измерения амплитуды одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов . 17
1.2.1. Прямые методы 17
1.2.2. Косвенные методы 26
1.2.3. Комбинированные методы 35
1.3. Методы цифрового измерения временных интерва лов одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 39
1.3.1. Прямые методы 39
1.3.2. Косвенные методы 41
1.3.3. Комбинированные методы 47
1.4. Основные результаты и выводы 57
2. Разработка и исследование рециркуляционного метода цифрового измерения амплитуд одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 59
2.1. Рециркуляционные измерители, выполненные по методу суммирования 59
2.2. Схемы замещения рециркуляторов рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования 65
2.3. Погрешность, вносимая рециркулятором в процесс; измерения рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования 66
2.4. Погрешность рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования 82
2.5. Рециркуляционные измерители, выполненные по методу вычитания 100
2.6. Схемы замещения рециркуляторов рециркуляционных измерителей, выполненных по методу вычитания 105
2.7. Погрешность, вносимая рециркулятором в процесс измерения рециркуляционных измерителей, выполненных по методу вычитания 108
2.8. Погрешность рециркуляционных измерителей, выполненных по методу вычитания 114
2.9. Основные результаты и выводы 136
3. Разработка и исследование новых методов и средств цифрового измерения временных интервалов одиночных и редк0п0вт0ряющихся импульсных сигналов .- 139
3.1. Рециркуляционные измерители временных интервалов одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 139
3.2. Многокаскадные рециркуляционные измерители временных интервалов одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 145
3.3. Распределение общего числа разрядов выходного кода между каскадами многокаскадных рециркуляционных измерителей и выбор числа каскадов при критерии минимума времени измерения 151
3.4. Способы повышения быстродействия измерения рециркуляционных измерителей временных интервалов. 155
3.5. Последовательно-параллельные измерители временных интервалов (ППВК) одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 167
3.6. Погрешность измерения последовательно-параллельных измерителей временных интервалов 174
3.7. Распределение общего числа разрядов выходного кода между каскадами последовательно-параллельных измерителей временных интервалов при критерии минимума объема аппаратурных затрат 175
3.8. Основные результаты и выводы 178
4. Результаты разработки и экспериментального исследования цифровых измерителей амплитудно-временных параметров одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 180
4.1. Результаты разработки и экспериментального исследования цифровых измерителей амплитуд одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 180
4.2. Результаты разработки и экспериментального исследования цифровых измерителей временных интервалов одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов 193
4.3. Основные результаты и выводы 211
Заключение 213
Литература 217
Приложение 228
- Методы цифрового измерения амплитуды одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов
- Погрешность, вносимая рециркулятором в процесс; измерения рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования
- Распределение общего числа разрядов выходного кода между каскадами многокаскадных рециркуляционных измерителей и выбор числа каскадов при критерии минимума времени измерения
- Результаты разработки и экспериментального исследования цифровых измерителей временных интервалов одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов
Введение к работе
Одной из центральных экономических и важных политических задач в настоящее время, и это еще раз отмечено в Проекте Основных направлений экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года, является повышение эффективности и качества общественного производства [i] . Важнейшим резервом выполнения этой задачи является повышение уровня техники измерения. Этим подчеркивается исключительная роль измерительной техники в одиннадцатой пятилетке.
Среди большого многообразия различных видов измеряемых сигналов особое место занимают сигналы, носящие однократный или редкоповторяющийся характер.
Все возрастающий интерес к измерению одиночных и редко-повторяющихся сигналов объясняется не только их широким использованием в различных областях науки и техники, но также и значительными возможностями, которые открывают методы одноразовых измерений для повышения быстродействия обработки больших и разнообразных массивов информации, например, в системах обегающего контроля, при испытании интегральных логических микросхем и ферромагнитных изделий в массовом производстве [2] .
Исследования в области физики твердого тела, в частности оптических квантовых генераторов, отработка различных устройств однократного действия, ядерные исследования, например изучение частиц высоких энергий, баллистические и ряд биологических исследований весьма часто сопровождаются одиночными или редкоповторяющимися импульсными процессами [2] .
С аналогичным положением сталкиваются при изучении явлений вторичной эмиссии фотопроводимости и других свойств диэлектриков и полупроводников, а также при исследовании в об-
- б -
ласти физики плазмы, при сейсмических исследованиях и изучении ферромагнитных материлов. Широкое распространение получили методы исследования прочности и надежности материалов и конструкций с помощью одиночных механических, тепловых, ионизирующих и других воздействий.
Приведенный далеко не полный перечень областей применения однократных и редкоповторяющихся импульсных процессов указывает на широкий круг отраслей науки и техники, где необходимо их измерение. Наибольший интерес при этом представляет измерение амплитудных и временных характеристик одиночных или редкоповторяющихся сигналов, дающих наибольший объем полезной информации о параметрах однократного процесса. Для этих целей используются различные датчики и преобразователи, выходная функция которых представляет одиночный или редкоповторяющийся импульсный электрический сигнал,параметры (амплитуда, временной интервал и т.д.) которого несут информацию о характеристиках исследуемого процесса.
В этой связи понятно то огромное внимание, которое уделяется вопросам построения цифровых измерителей амплитудно-временных параметров одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов, в дальнейшем моноимпульсных электрических сигналов (МИЭС) [3] .
Решению данных вопросов посвящено большое количество научных исследований, проводимых как в нашей стране, так и за рубежом. Большой вклад в развитие теории и практики цифрового измерения амплитудно-временных параметров МИЭС внесли такие советские ученые и руководимые ими коллективы, как Э.И.Гитис, М.М.Гельман, М.И.Грязнов, М.Л.Гуревич, С.В.Денбновецкий, Н.Р.Карпов, Л.Н.Касперович, З.В.Маграчев, А.А.Моругин, К.А.Не-
требенко, Э.К.Шахов, В.М.Шляндин.
Для измерения амплитудно-временных параметров МИЭС отечественной промышленностью выпускаются цифровые вольтметры и цифровые измерители временных интервалов (соответственно группы В4 и И2 по ГОСТ 15094-69), а также стрелочный измеритель параметров импульсов И4-3. Общий их недостаток заключается в высокой погрешности измерения±(5 -г 10)%, низком быстродействии и значительном объеме аппаратурных затрат. Указанные недостатки являются сдерживающим фактором при изучении различных процессов носящих одиночный или редкоповторяющийся импульсный характер.
Из изложенного следует необходимость и актуальность усовершенствования существующих или разработка и исследование новых более совершенных методов и средств цифрового измерения амплитудно-временных параметров МИЭС,
Тематика диссертационной работы соответствует перечню ГКНТ СМ СССР важнейших научно-технических проблем, раздел "Целевые комплексные научно-технические программы по отраслям народного хозяйства", пункт 40 - создание и производство приборов, измерительно-вычислительных комплексов и систем для научных исследований - научное приборостроение.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию некоторых вопросов теории и разработке новых способов и средств цифрового измерения амплитудно-временных параметров МИЭС, обладающих высокими техническими характеристиками.
В данной работе поставлены и решаются следующие основные задачи:
I. Проводится систематизированный обзор методов построения цифровых измерителей амплитудно-временных параметров МИЭС.
Обосновываются целесообразность и перспективность использования рециркуляционного метода для измерения амплитудных значений, рециркуляционного и последовательно-параллельного методов для измерения временных интервалов МИЭС.
Z. На основе предложенной математической модели амплитудных рециркуляторов проводится аналитическое исследование их динамических свойств.
Анализируются статические погрешности рециркуляционных методов цифрового измерения амплитудно-временных параметров МИЭС и последовательно-параллельного метода цифрового измерения временных интервалов. Выявляются на этой основе наиболее перспективные измерительные структуры.
Разрабатывается и исследуется ряд новых способов повышения быстродействия рециркуляционных цифровых измерителей временных интервалов.
На основе проведенных теоретических исследований разработан ряд цифровых измерителей амплитудно-временных параметров.
Методы исследования базируются на использовании классической теории электрических цепей, линейных интегральных уравнений, теории погрешностей, математического анализа. Расчет параметров математической модели амплитудных рециркуляторов рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования, проведен с использованием ЭЦВМ.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
I. Разработаны и аналитически исследованы математические модели рециркуляторов рециркуляционных измерителей, выполненных по методам суммирования и вычитания. Выведены импульсные
и переходные характеристики реальных рециркуляторов.
Выведены аналитические выражения, описывающие выходные сигналы рециркуляторов. По выведенным выражениям составлены схемы замещения рециркуляторов, выполненных с цепями обратной связи, рециркуляторами, выполненными без цепей обратной связи.
Установлена связь между математическими моделями рециркуляторов рециркуляционных измерителей, выполненных по методам суммирования и вычитания.
Показано, что относительная погрешность, вносимая в процесс измерения рециркуляторами, зависит от произведения двух составляющих, первая из которых обусловлена коэффициентом передачи, а вторая - ограниченностью полосы пропускания линии задержки амплитудного рециркулятора.
Для рециркуляционных измерителей, выполненных по методам суммирования и вычитания с учетом относительной мультипликативной погрешности, обусловленной отличием текущего значения коэффициента передачи рециркулятора от своего номинального значения, выведены выражения, описывающие значения относительных погрешностей измерения.
Аналитически рассмотрен рециркуляционный метод измерения временных интервалов. Определены его погрешности и быстродействие измерения.
Впервые показано, что в основу построения рециркуляционных измерителей амплитуд, выполненных по методу вычитания и рециркуляционных измерителей временных интервалов положен один и тот же принцип - принцип регрессии.
На защиту выносятся следующие основные положения:
I. Результаты классификации, обзора и сравнительной оцен-
ки существующих методов и средств цифрового измерения амплитудно-временных параметров МИЭС.
2. Принцип регрессии, устанавливающий свойство дуально
сти (двойственности) между рециркуляционными измерителями
амплитуд, выполненных по методу вычитания и рециркуляционными
измерителями временных интервалов.
Результаты разработки и исследования рециркуляционного метода цифрового измерения амплитуд одиночных и редкопо-вторяющихся импульсных сигналов.
Математические модели амплитудных рециркуляторов рециркуляционных измерителей МИЭС.
Результаты разработки и исследования рециркуляционного и последовательно-параллельного методов цифрового измерения временных интервалов МИЭС.
Синтезированные новые схемы рециркуляционного цифрового измерения амплитудно-временных параметров одиночных и ред-коповторяющихся импульсных сигналов.
Практическая ценность работы состоит:
В выявлении предельных возможностей по точности, быстродействию и объему аппаратурных затрат основных методов цифрового измерения амплитудно-временных параметров МИЭС.
В установлении, что задача достижения минимального значения относительной погрешности измерения рециркуляционных измерителей амплитудных значений может решаться в двух направлениях. Первое состоит в приближении значения коэффициента передачи рециркуляторов возможно более ближе к единице, второе - в получении необходимого цифрового результата измерения при ограниченном числе циркуляции.
В разработке ряда структурных схем рециркуляционных
- II-
измерителей, выполненных по методам суммирования и вычитания, позволяющих при ограниченном числе циркуляции достигать необходимого цифрового результата измерения.
В предложении методик выбора необходимой структуры амплитудно-цифрового измерения, исходя из необходимой точности измерения.
В разработке и аналитическом исследовании по точности, быстродействию и объему аппаратурных затрат ряда способов повышения быстродействия измерения рециркуляционных измерителей временных интервалов.
В разработке и аналитическом исследовании последовательно-параллельного метода построения цифровых измерителей временных интервалов.
В разработке на базе предложенных структур электрических схем цифровых измерителей амплитудно-временных параметров МИЭС, имеющих высокие технические характеристики.
Реализация результатов работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором, разработан ряд цифровых измерителей, из которых внедрен на одном из предприятий г.Горького многоканальный цифровой синхронный коррелометр. Годовой экономический эффект от внедрения указанного прибора составил 189,6 тыс.руб.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепей" (г.Ульяновск, 1978г.), на научно-технической конференции "Методы и устройства повышения качества приборов, систем и аппаратов"(г.Ульяновск, 1979 г.), на 3-ей Всесоюзной конференции "Ультразвук в физиологии и медицине"
- 12 -(г.Ташкент, 1980 г.), на Республиканской конференции "Вопросы теории и проектирования преобразователей информации" (г.Киев, 1981 г.), на второй Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей" (г.Пенза, 1981 г.), на 5-ом Всесоюзном симпозиуме "Нано- и пикосекундная импульсная техника и ее применение в радиоизмерениях" (г.Горький, 1983 г.), на Республиканской конференции "Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи" (г.Таллин, 1983 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновского политехнического института в I98I-I984 годах.
Работа также получила апробацию на предприятии при выполнении хоздоговорной НИР.
Основные положения диссертационной работы изложены в 31 публикации. Оригинальность разработок подтверждена 15 авторскими свидетельствами на изобретения.
Первая глава посвящена классификации, обзору и сравнительной оценке существующих методов и средств цифрового измерения амплитудно-временных параметров МИЭС. Впервые показывается, что в основу построения рециркуляционных измерителей амплитуд, выполненных по методу вычитания и рециркуляционных измерителей временных интервалов, положен один и тот же принцип - принцип регрессии.
Во второй главе рассматриваются вопросы разработки и исследования рециркуляционного метода цифрового измерения амплитуд одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов. Разработаны и исследованы математические модели основных разновидностей амплитудных рециркуляторов.
В третьей главе рассматриваются и исследуются рециркуляционный и последовательно-параллельный методы цифрового изме-
рения временных интервалов МИЭС. Предложены способы повышения быстродействия рециркуляционного метода измерения.
В четвертой главе приводятся результаты разработки и экспериментального исследования цифровых измерителей амплитудно-временных параметров МИЭС.
В приложении приведены программы и результаты расчета переходных характеристик и уравнения огибающей амплитуд импульсов на выходе реального рециркулятора рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования, выполненные на ЭЦВМ EC-I030, а также сведения о внедрении разработанных измерителей.
Методы цифрового измерения амплитуды одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов
На рис.1.1 приводится классификация методов цифрового измерения амплитудных значений (амплитудно-цифрового измерения) МИЭС. Рассмотрим каждый из методов амплитудно-цифрового измерения более подробно.
Метод прямого отсчета. Этот метод основан на создании сетки образцовых напряжений с определенным шагом, которая сравнивается с амплитудным значением МИЭС. По результатам сравнения с помощью схем сравнения формируются цифровые результаты измерения. Для повьшения быстродействия измерения в [5] схемы сравнения (компараторы) выполнены на туннельных диодах.
К недостаткам метода следует отнести большой объем аппаратурных затрат. Одновременно большое число параллельно включенных компараторов создает значительную нагрузку резистивно-го и емкостного характера на источник входного сигнала [4] . Второй существенной трудностью является неопределенность, возникающая в процессе получения результата измерения. Затруднения первого вида легко разрешить путем включения широкополосных разделительных каскадов между источником сигналов и измерителем [4] , либо разбиением общего числа компараторов на к каскадов, соединенных между собой через вычитающее устройство [б] . Затруднения второго вида разрешаются в основном путем дальнейшего усложнения схемы измерителя [4] .
Измерители прямого отсчета, в дальнейшем ПНК, различаются в части кодирующей логики на измерители с комбинированной сверткой [7,8] , с прямой логической сверткой [7] , с постоянной логикой [9].
Спорадический метод измерения [10] .В данном методе для уравновешивания амплитудного значения импульсного сигнала используются две шкалы: грубая и точная. Суть метода заключается в том, что одновременно с запоминанием результата грубого измерения перемещают и шкалу грубо, суммируя каждое ее деление со вспомогательным сигналом, изменяющимся от нуля до значения цены деления шкалы грубо. В момент равенства амплитуды измеряемого сигнала и одного из модулированных уровней производится квантование модулирующего сигнала с помощью шкалы точно.
Преимуществом метода является небольшой объем аппаратурных затрат. По описанному методу проектируются семи-восьми-разрядные амплитудно-цифровые измерители.
Метод амплитудной свертки. В работах [11-15] описаны измерители, в которых используется преобразование входных сигналов по принципу амплитудной свертки (в некоторых работах, например [її] , они называются измерителями с использованием непрерывно-логических функций).
Амплитудная характеристика УАС в случае представления результата измерения в коде Грея имеет V - образную форму (рис.1.2), в позиционном двоичном коде имеет вид рис.1.3. По характеру свертки УАС различают на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.
Быстродействие амплитудно-цифровых измерителей с амплитудной сверткой увеличивают за счет применения параллельных УАС, в дальнейшем УПС (устройство параллельной свертки), подробно рассмотренных в [ІЗ] . На входе каждого УПС включаются малоразрядные ПНК, определяющие сразу несколько разрядов выходного кода.
Амплитудно-цифровой измеритель (рис.1.4), содержащий одно УПС, обладает наивысшим быстродействием. Первый ПНК (ПНК-С) определяет к какому участку амплитудной характеристики принадлежит амплитудное значение входного сигнала и формирует старшие разряды выходного кода. Второй ПНК (ПНК-М) служит для измерения сигнала на выходе УПС и формирует младшие разряды выходного кода.
Зарубежные измерители типов/?Я/Є-брґ-/О и #D/0-8pf -Ю с использованием УПС измеряют сигнал с частотой дискретизации до 100 МГц и погрешностью не более 1% [і5] . Имеются сообщения [іб] о построении измерителей на УПС с частотой дискретизации 400 МГц при 8 двоичных разрядах выходного кода.
Параллельно-последовательный метод с задержкой. В амплитудно-цифровых измерителях, построенных по данному методу осу
Погрешность, вносимая рециркулятором в процесс; измерения рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования
Из теории радиотехнических цепей известно, что для устройств с запаздывающей обратной связью, а именно такое устройство и представляет собой рециркулятор, режим устойчивости для -+ обеспечивается при условии К 1 . Одновременно, как будет показано выше, для обеспечения минимальной погрешности, вносимой рециркулятором в процесс измерения, необходимо, чтобы коэффициент передачи рециркулятора #-/ . Обеспечить эти условия можно двояко; первое-при /K V осуществлять коррекцию амплитуд выходного сигнала рециркулятора по закону, обратному огибающей .Z л7 , второе-выполнять ре п о циркулятор по разомкнутой структуре.
Выражение (2.10), полученное для рециркуляторов рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования, позволяет рассмотреть задачу о схеме замещения рециркуляторов, выполненных с цепью обратной связи, рециркуляторами, выполненными без обратной связи.
Цепи с обратной связью часто называют замкнутыми, а цепи без обратной связи - разомкнутыми. В замкнутых цепях сигнал передается в двух направлениях: прямом и обратном, в разомкнутых цепях - только в прямом направлении.
Представим функциональную схему рециркулятора рециркуляционных измерителей, выполненных по методу суммирования в виде блока задержки БЗ, замкнутого в петлю обратной связи через суммирующий элемент, как показано на рис.2.2.
При подаче на вход такого устройства кратковременного импульса, длительность которого u«ti% он будет циркулировать по замкнутой петле обратной связи и, соответственно,на выходе суммирующего элемента возникает последовательность импульсов, следующих один за другим через время з . Первый из них образован непосредственно входным импульсом, второй -входным импульсом,прошедшим один раз через четырехполюсник БЗ, третий - входным импульсом,прошедшим два раза через четырехполюсник Б3,и так далее.
Исходя из сказанного можно составить параллельную рис. 2.3,а схему замещения рециркуляторов.
Сигнал на выходе суммирующего элемента (СЭ), приведенной схемы замещения,описывается тем же выражением, что и напряжения на выходе суммирующего элемента рециркулятора, выполненного с цепью обратной связи.
Параллельной схеме замещения можно придать и другой вид, более удобный для практического выполнения. Это схема замещения, назовем ее последовательной, приведена на рис.2.3,6 и содержит меньшее число элементов, однако ее характеристики совпадают с характеристиками параллельной схемы замещения.
Потери, присущие реальным рециркуляторам, вызывают искажения сигнала, поступающего на его вход и ведут в конечном итоге к погрешности измерения рециркуляционных измерителей.
Уровень потерь при этом определяется как параметрами линии задержки, так и спектральным составом входного импульсного сигнала. В общем случае искажения проявляются в уменьшении амплитуды напряжения, изменении формы и увеличении длительности входного импульса. Для оценки искажений импульсных сигналов в рециркуляторе необходимо иметь импульсные или переходные характеристики рециркулятора. Определим переходную характеристику. Для этого с помощью интеграла Дюамеля необходимо образовать свертку импульсной характеристики и единичного перепада напряжения (единичной функции)
Согласно выражению (2.II), переходная характеристика рециркулятора представляет собой сумму из т составляющих, первая из которых есть единичная функция; вторая - переходная характеристика фильтра; третья - переходная характеристика двух последовательно соединенных фильтров и т.д. Причем каждая из составляющих взята с весовой функцией #п и сдвинутой по времени на значение (п з ) ( п - номер составляющей) .
Анализ переходных характеристик рециркулятора начнем с идеализированного случая, когда в схеме отсутствует фильтр, т.е. устройство обладает неограниченной полосой пропускания. Рассмотрение такого случая позволяет оценить потенциальные возможности реальных схем рециркуляторов. Переходную характеристику идеализированного рециркуля тора найдем из выражения (2.II) при условии, что #nfe) = fft), т.е. нт
Анализ полученного выражения показывает, что переходная характеристика имеет ступенчатый вид, где число ступенек равно числу циркуляции. Длительность каждой ступеньки равна времени задержки із , а высота равна единице при
А - / и уменьшается при л f . Уравнение огибающей переходной характеристики имеет вид При tf-f из выражения (2.12) следует Ми fn) -п , то есть огибающая переходной характеристики имеет вид прямой линии. При Nrr 00 Н / огибающая асимптотически устремляется к стационарному значению Ма =f/{f-#) . На рис. 2.4 приведены примеры переходных характеристик идеализированного рециркулятора при /if = 1,0; 0,95; 0,9. Перейдем к рассмотрению реального рециркулятора. Будем
Распределение общего числа разрядов выходного кода между каскадами многокаскадных рециркуляционных измерителей и выбор числа каскадов при критерии минимума времени измерения
Так как 7} 0, то выражение (3.7) будет минимальным при условии минимальности обоих слагаемых. Полагая, что первое слагаемое минимально при выполнении условия (3.6), докажем, что второе слагаемое будет также минимально при выполнении этого условия. выражение (3.7) записывается в виде В виду того, что то необходимо минимизировать следующее выражение Это выражение минимально при следовател Так как fo было выбрано произвольно, то выражение (3.5) будет минимальным при выполнении условия (3.6) для любого числа каскадов. Таким образом минимальное время измерения достигается при равномерном распределении общего числа разрядов выходного кода многокаскадного рециркуляционного измерителя между его каскадами, Учитывая связь Выражение (3.8) можно переписать как Для определения числа каскадов многокаскадных рециркуляционных измерителей, необходимого для достижения минимального времени измерения,сравним выражения (3.2) и (3.4). Из сравнения этих выражений определим выигрыш во времени измерения многокаскадных рециркуляционных измерителей На рис.3.6 в соответствии с этим выражением построены кривые, позволяющие определять число каскадов, необходимое для обеспечения заданного выигрыша во времени измерения при различных значениях /1 Из графиков следует, что при нарастании k в области малых значений ( k = 2, 3, 4) значения #т сначала возрастают, достигая максимума, а затем уменьшаются. Кроме того анализ полученных кривых показывает: 1. область изменения значения А є [2,т]; 2. число каскадов многокаскадных рециркуляционных измерителей не должно превьшать общего числа разрядов выходного кода, то есть k т , так как в каждом из каскадов должно производится определение как минимум двух разрядов выходного кода. Попутно заметим, что при k m многокаскадные рециркуляционные измерители адекватны по времени измерения измерителям временных интервалов, основанным на методе поразрядного взвешивания. 3. при А = т/2 достигается наилучшее сочетание значения tfj и соответствующего объема аппаратурных затрат, необходи мого для достижения этого значения #т . С учетом третьего вывода выражение (3.9) можно представить в виде fo+f В данном разделе будут рассмотрены способы повышения быстродействия измерения, приемлимые как для простых, так и многокаскадных рециркуляционных измерителей временных интервалов. Прежде чем рассмотреть способы повышения быстродействия измерения следует указать на то, что такие параметры,как время измерения и быстродействие измерения, характеризующие скоростные качества измерения,связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью, то есть 7 - f/F или F = f/г . Рассмотрим первый способ. Его сущность состоит в параллельной обработке временного интервала каждой из циркуляции J70] . То есть, вместо одного образцового интервала вводится набор образцовых временных интервалов, длительности которых определяются как лТп= п-т , где п = I, 2, 3, ... порядковый номер и одновременно вес образцового временного интервала; т - дискретность измерения. В первом цикле обращения происходит сравнение значения измеряемого временного интервала с набором л Тп образцовых временных интервалов. Цифровой результат сравнения (измерения) /- 7 фиксируется, а значение временного интервала длительностью JCJ Ix-fT , используется в следующем (втором) цикле обращения. Во втором цикле обращения срвнивается уже значение xf с набором образцовых временных интервалов Д r? . Результат сравнения -7 фиксируется и суммируется с результатом измерения первого цикла обращения, а значение временного интервала длительностью 4JC2 tjTf T используется в третьем цикле обращения. Описанный процесс продолжается пока выполняется неравенст во .- — ЛУ При этом общий результат измерения измерителя определяется из выражения где о(j , « , ... , о 5 - цифровые результаты измерения в со ответствующих циклах обращения; а время измерения и л/ +f Сравнение полученного выражения с выражением (3.2) показы вает, что рассмотренный способ позволяет повысить быстродейст вие измерения в Aff T/Tf = /f раз. На рис.3.7 приводится один из вариантов рециркуляционных измерителей, в котором реализован рассмотренный выше способ повышения быстродействия измерения. Здесь многоотводная линия задержки Л31 является источником набора из % образцовых временных интервалов, длительности Л /? которых определяются соответственно первого - V , второго - 2Т , третьего - 3 и т.д. до q - го, где лТп Т ; уу - устройство управления; СД - шифратор, преобразующий параллельный единичный код на выходах схем И -f И« в позиционный двоичный код; УРО - регистр памяти, в котором с помощью сигналов управления с УУ осуществляется логическая операция поразрядного сложения цифровых результатов измерения соответствующих циклов обращения, то есть операция получения значения общего цифрового результата измерения измерителя
В f7l] предлагается другой вариант измерителя, в котором также реализован рассмотренный способ. На рис.3.8 приводится структурная схема этого измерителя. Его отличие от рассмотренного выше измерителя состоит в том, что цифровой результат измерения измерителя определяется как гдео г, оґС2) - числа, зафиксированные соответственно на выходах счетчика импульсов СТ и шифраторов СД, причем оґСг /в . Регистр памяти #& в этом случае представляет собой параллельный набор из f фиксирующих триггеров. Счетчик импульсов СТ осуществляет с дискретностью уТ подсчет числа циклов обращения, а ригистр памяти при ху Т фиксирует с помощью
Результаты разработки и экспериментального исследования цифровых измерителей временных интервалов одиночных и редкоповторяющихся импульсных сигналов
На рис.4.7 приводится схема рециркуляционного измерителя временных интервалов, выполненного по схеме рис.3.3 [б8, 69] и содержащего линию задержки ЛЗІ (ЛЗТ-0,2-1200), линию задержки Л32 (ЛЗТ-0,5-1200), три элемента И-НЕ (3/4 часть микросхемы І30ЛАЗ). Измеритель имеет следующие технические характеристики: - диапазон измеряемых временных интервалов - (0,04 4 0,5) мксек; - дискретность змерения - 25 нсек; - абсолютная погрешность измерения - 0,001 .
Систематическая погрешность, обусловленная наличием разрешающей способности у используемых элементов ДІ-2 4 ДІ-3, равна 20 нсек.
В тех случаях, когда быстродействие счетчика позволяет фиксировать последовательный единичный код с выхода элемента ДІ-3, возможно применение рециркуляционно-счетного измерителя временных интервалов. На рис.4.8 представлена его схема. Здесь ЛЗІ, Л32 - линии задержки соответственно ВЛМ-2-І80-85-20, ЛЗТ-І,0-600; ДІ- микросхема І55ЛАЗ. Элементы ДІ-3, Л32, ДІ-4 образуют контур циркуляции с периодом циркуляции 2 =0,3 мксек; элементы ДІ-І, ЛЗІ, ДІ-2 - формирователь импульса длительностью "if =0,1 мксек. Работа измерителя основана на циркуляции с периодом и подсчете числа циркуляции импульса длительностью / , который формируется из переднего фронта измеряемого временного интервала.
Технические характеристики макета: - минимальная длительность измеряемых временных интервалов -0,2 мксек; - дискретность измерения - 0,3 мксек; - абсолютная погрешность измерения - 0,001 .
На рис.4.9 показан внешний вид макета рециркуляционно-счетного измерителя. Измеритель выполнен на печатной плате раз-метом 60 х 90 мм , а на элементах Д2 + Дб (I55TM2) выполнен б-ти разрядный счетчик импульсов. Указанный измеритель временных интервалов использван в [Ї04] в блоке преобразования координат для считывания с электромеханического устройства (сканера) пространственных координат и в [і05] в блоке измерения значений диэлектрической проницаемости материалов.
На рис.4.10 приведена схема цифрового измерителя временных интервалов, реализующая структурную схему по рис.3.8 [71 ] . Измеритель содержит набор образцовых временных интервалов на многоотводной линии задержки ЛЗІ (ЛЗТ-0,5-1200); эмиттерные повторители ТІ -г Т9 (КТЗІ6); схемы совпадения ДІ 4 Д2 (І30ЛАЗ); фиксирующие триггера ДЗ Д6 (І30ЛАЗ); регистр памяти ДІО-гДІЗ (І55ТМ2); счетчик импульсов (СТ); кодирующий каскад (КК); контур циркуляции из Л32-ЛЗЗ (ЛЗТ-1,0-600), Д8 (ІЗОЛАЗ), ДІ - I (І30ЛАЗ); устройство управления из Л34 (ВЛМ-2-І80-85-20), Д7 (ІЗОЛАЗ); устройство задержки на 12 мксек.
Работает измеритель следующим образом. Временной интервал, длительность Z JC которого подлежит измерению, поступает через элемент Д9 - 3 в контур циркуляции. Одновременно с выхода элемента Д8 - 3 импульс JC подается на вход многоотводной линии задержки ЛЗІ. С восьми отводов ЛЗІ снимаются импульсы длительностью JC , задержанные относительно друг друга на время Т.
Эмиттерные повторители VTI 4- VT9 служат для согласования выходов ЛЗІ со входами схем совпадения ДІ Д2. На выходах схем совпадения ДІ-І ч- Д2-4 выделяются импульсы длительностью соответственно tjc 8T; t Tj ...; tx , которые фиксируются по задним фронтам в фиксирующих триггерах ДЗ Дб. Импульс длительностью ( -JC STJ задерживается в ЛЗЗ, Л32 на время з = 2 мксек и поступает через элемент Д8-3 в контур циркуляции. Одновременно с этим процессом в устройстве управления Д7, Л34 из заднего фронта импульса длительностью (i 8 ) формируется импульс длительностью 0,1 мксек и задержанный на время 0,1 мксек. Этим импульсом фиксирующие триггера ДЗ -f Дб устанавливаются в ноль.
С момента поступления импульса длительностью С х - дт) в контур циркуляции, начинается второй цикл измерения, который протекает аналогично первому. Указанный процесс протекает до тех пор, пока 6= I, 2, 3,.,.,/3 , /5 - число циклов обращения (циркуляции). При этом счетчик импульсов СТ (трехразрядный, выполненный на двух микросхемах І55ТМ2) осуществляет подсчет числа циклов обращения. Как только
устройство управления не вырабатывает сигнал управления и фиксирующие триггера ДЗ Дб не установятся в ноль. В результате в них остается зафиксированным некоторое число, которое будучи сложенным с числом, зафиксированным в счетчике импульсов, дает цифровой результат измерения.
Регистр памяти ДІ0 -г ДІЗ, выполненный на Д-триггерах, осуществляет операцию хранения с защелкой [17] . Запись числа в - 200 регистр памяти осуществляется при поступлении импульса на С -входы триггеров ДІ0 4 ДІЗ от устройства задержки, осуществляющего формирование импульса длительностью 0,1 мксек и задержанного относительно переднего фронта импульса сс на время 12 мксек. Кодирующий каскад, выполненный на микросхемах 155 серии, осуществляет операцию преобразования параллельного единичного кода на выходе регистра памяти в параллельный позиционный двоичный код. Сигналом "Уст.О 1 осуществляется установка в ноль измерителя перед началом измерения.
Цифровой результат измерения в виде позиционного двоичного кода снимается с выходов счетчика импульсов (старшие разряды) и с выходов кодирующего каскада (младшие разряды).
Изготовленный измеритель имеет следующие характеристики: - длительность измеряемых временных интервалов - (0,08 2,3) мксек; - число разрядов выходного кода - б; - дискретность измерения - 55 нсек; - время измерения - 12 мксек; - абсолютная погрешность измерения - 0,01 -6Х
Систематическая погрешность измерения, обусловленная наличием разрешающих способностей у используемых элементов Д9 -3; ДІ, Д2; VTI \ VT9; ДЗ Д6, составляет 20 нсек. Измеритель выполнен на четырех платах печатного монтажа. о На первой плате размером 70 х 100 мм размещены линия задержки ЛЗІ и эмиттерные повторители УТІ -т VT9; на второй плате раз мером 80 х 100 mrr - линии задержки Л32, ЛЗЗ; на третьей р плате размером ПО х 130 мм и четвертой плате размером р 80 х ПО мм - цифровая часть измерителя.
Внешний вид макета измерителя показан на рис.4.II. Применение в качестве ЛЗІ и Л32 ЛЗЗ линий задержки соответственно соответственно с Г; -6 -РТ # tx
