Устройство для измерения нестабильности временных интервалов

А 1 СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 5 С 04 г 10 БРЕ ЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И Н АВТОРСКОМУ СВИДЕ(56) Авторское свидетельство СССР343248, кл. С 04 Р 1 О/04, 1972,Авторское свидетельство СССР И 1198448, кл. С 04 Р 10/04, 1985, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯНЕСТАБИЛЬНОСТИ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения статистических характеристик последовательности импульсов. Цель изобретения - расширение функциональных возИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения статис-. тических характеристик последовательности импульсов.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.На фиг,1 приведена структурная схема устройства на фиг,2-7 - временные диаграммы измерения нестабильности длительностей импульсов на фиг,8. - временные диаграммы измерения нестабильности периода повторения импульсов . на Фиг.9 - временные диаграммы измерения нестабильности интервала между фронтами импульсов двух разных последовательностей на Фиг, 10 - зависимость уровня сигнала на выходе сумматора ЯО 1698874 2 можностей - достигается введением в устройство интегратора 18, порогового элемента 21, интегратора 23, квадратора 24, интегратора 25 и сумма-. тора 26. Кроме того, устройство содержит ограничитель 1 сверху, ограничитель 2 снизу, дифференцирующий трансформатор 3, усилитель-ограни-, читель 4, регулируемый элемент 5 задержки, коммутатор б, переключатель 7, ограничитель 8 сверху ограничитель 9 снизу, дифференцирующий трансформатор 10, переключатель 11, усилитель-ограничитель 12, триггер ф 13, вычитатель 14, сумматор 15, ин тегратор 16 эталонный элемент 17 Уф задержки, интегратор 19, триггер 20, расширитель 22. 10 ил. от величины абсолют ной нест вбил ь ности длительности импульсов.Устройство для измерения нестабильности временных интервалов содержит ограничитель 1 сверху, ограничитель 2 снизу, дифференцирующий трансФорматор 3, усилитель-ограничитель 4, регулируемый элемент 5 задержки, коммутатор б, переключатель 7, ограничитель 8 сверху, ограничитель 9 снизу, дифференцирующий трансформатор 10, переключатель 11, усилитель-ограничитель, 12, триггер 13, вычитатель 14, сумматор 15, интегратор 16, эталонный элемент 17 задержки, интеграторы 18 и 19, триггер 0, пороговый элемент 21, рас" ширитель 22," интегратор 23, квадра-тор 24, интегратор 25, сумматор 26,1 о 98874 Составитель Ю,ШишкиРедактор Л,Веселовская Техред Л,Олийнык орректор С,Ше одственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул,Гагарина, 1 П ю Заказ 4396 ВНИИПИ Госуд Тираж венного комитет 113035, Москва, по изоб -35, Ра Подписноетениям и открытиям при ГКНТ СССР ская наб., д. 4/5входные шины 27 и 28 и выходные шины 29, 30, 31 и 32.Входная шина 27 устройства черезпоследовательно соединенные ограничитель 1 сверху и ограничитель 2 снизу подключена к входу дифференцирующего трансформатора 3, первый выходкоторого через усилитель-ограничитель М соединен с первым входом коммутатора 6, первым входом переключателя 7 и входом регулируемого элемента 5 задержки, выход которого подключен к второму входу переключателя 7, выход которого соединен с 15первыми входами триггеров 13 и 20.Вторая входная шина 28 устройствачерез последовательно соединенные ограницитель 8 сверху и ограничитель 9снизу подключена к входу дифференцирующего трансформатора 10, выходкоторого соединен с первым входомпереключателя 11, второй вход которого подключен к второму выходудифференцирующего трансформатора 3, 25а выход соединен через усилитель-ограничитель 12 с вторым входом коммутатора 6, выход которого подключенк второму входу триггера 13.Выход триггера 13 через интегра- ЗОтор 18 соединен с первым входом сумматора 15 и первым входом пороговогоэлемента 21, второй вход которогоподключен к первому выходу интегратора 23, а выход соединен с входомэталонного элемента 17 задержки, первый выход которого подключен ко второму входу триггера 20," выход которого через интегратор 19 соединен свторым входом выцитателя 1 ч, Второй 40выход эталонного элемента 17 задержки через интегратор 16 соединен свторым входом сумматора 15, выходкоторого подключен к первому входувычитателя 11, выход которого соединен с входом расширителя 22, первыйвыход которого подключен к входу интегратора 23 и первому входу сумматора 26, второй вход которого соединен с вторым выходом интегратора23 и выходной шиной 31 устройстваВыход расширителя 22 соединен свыходной шиной 29 устройства и черезквадратор 21 и интегратор 25 с выходной шиной 30. Выход сумматора 26 соединен с выходной шиной 32 устройства,Устройство для измерения нестабильности временных интервалов рабо-тает следующим образом,Устройство позволяет осуществить пять режимов измерениЙ:11 - измерение нестабильности дли. тельности импульсов, длительность которых превышает время задержки в эталонном элементе задержки,11 - измерение нестабильности интервала между фронтами импульсов различных последовательностей, когда величина интервала превышает время задержки в эталонном элементе задержки111 - измерение нестабильности длительности импульсов, равных времени задержки в эталонном элементе задержки;17 - измерение нестабильности интервала между фронтами импульсов разных последовательностей, когда величина интервала равна времени задержки в эталонном элементе задержки,Ч - измерение нестабильности длительности периода между импульсами,В режиме Т измерения нестабильности длительности импульсов, превышаюцих время задержки в эталонном элементе задержки 17, переключатель 11 устанавливается в положение, при котором второй выход дифференцирующего трансформатора 3 соединяется с входом усилителя-ограничителя 12.Переключатель 7 устанавливается в положение, при котором выход регулируемого элемента 5 задержки соединяется с входом установки в единицу триггера 13, а коммутатор б - в положение, при котором выход усилителя-ограничителя 12 соединяется с входом установки в ноль триггера 13.Временные диаграммы работы устройства в режиме измерения нестабильности импульсов, длительность которых равна номинальной длительности, приведена на фиг.2 и 3, меньше номинальной длительности - на фиг,1 и 5, больше номинальной длительности - на фиг.6 и 7.Исследуемые импульсы (фиг.2 а, 4 а, и ба), нестабильности Ь 2 длительности которых подлежат измерению на уровне Бм, поступают через входную шину 27 на вход ограничителя 1 сверху с регулируемым уровнем ограничения 11 огр,(Ограниченные сверху входные импульсы поступают на ограничитель 2 снизу с регулируемым уровнем ограничения Бр,1 б 98874 5Ограничители 1 сверху и 2 снизуобеспечивают измерение нестабильности длительности импульсов на заданном уровне, причем У РД( 11 л(11 огр,л5Кэ выходе ограничителя 2 снизуформируются импульсы длительностью,равной длительности входных импульсов на заданном уровне измерения самплитудой Бо,р,л - 11 ог(Фиг,26,46, бб),Ограниченные сверху и снизу импульсы поступают на дифференцирующий трансформатор 3, имеющий две вторичные обмотки, с которых снимаютсяразнополярные импульсы (фиг.2 в, г,4 в, г, б в, г). Импульсы с первойвыходной обмотки дифференцирующеготрансформатора 3 поступают на усилитель-ограничитель 4, на выходе которого формируются импульсы, соответствующие фронту входных импульсов назаданном уровне измерения (фиг.2 д,4 д, бд). Эти импульсы задерживаютсяв регулируемом элементе 5 задержкина время с 8 (фиг,2 з, 4 з и бз) и через переключатель 7 (Фиг.2 и, 4 и, би)поступают на первые входы триггеров13 и 20, устанавливая их в единичное.состояние.Импульсы напряжения с второй выходной обмотки дифференцирующеготрансформатора 3 поступают черезпереключатель 11 на вход усилителяограничителя 12, на выходе которогоформируются импульсы, соответствующие срезу входных импульсов на заданном уровне измерения (фиг. 2 е,4 е, бе), Эти импульсы через коммутатор б (Фиг,2 ж, 4 ж, бж) поступают40на второй вход триггера 13 и устанавливают его в нулевое состояние,На прямом выходе триггера 13 формируются. импульсы, длительность которых меньше длительности 2 входныхимпульсов с, = ь - с,. а величиналлнестабильности Ь равна абсолютнойвелицине нестабильности длительностивходных импульсов (фиг.2 к, 4 к.и бк),Для уменьшения влияния нестабильности срабатывания триггера 13 нарезультат измерения длительность фронта и спада фор,лируемых триггером им 55пульсов должна удовлетворять условиюл льз сс д . Цля этого импульсы с выходасриггера 13 подаются на вход интег,)атора 18,ьИмпульсы с выхода интегратора 18 (фиг,2 л, 4 л и бл) поступают на вход порогового элемента 21 с регулируемым уровнем порога. Уровень порога устанавливается путем использования обратной связи в зависимости от среднего значения велицины нестабильности длительности входных импульсов М(Ас) (фиг,2 л, 4 л и бл). Этим достигается корректировка суммарного вре-; мени задержки с и+с за счет изменения эквивалентного времени задержки с, , обусловленного интегратором 18 и, пороговым элементом 21, за счет чего осуществляется перемещение рабочей точки устройства на середину рабочего уцастка.Выходной сигнал порогового элемента 21 формируется в результате превышения входным напряжением пороговогоуровня на управляющем входе. Амплитуда выходного сигнала порогового элемента 21 превышает амплитуду выходного сигнала триггера 13 для компенсации ослабления сигнала в элементе 17 задержки с отводами и выбирается таким образом, чтобы сигналы на входах сумматора с выходов интеграторов 1 б и 18 были равны по амплитуде,Амплитуда выходного сигнала порогового элемента 21 не зависит от амплитуды, входного сигнала и от уровня порогового напряжения (2 м, 4 м и бм).В исходном состоянии уровень порога 11 пор,иач. на управляющем входе по/ рогового элемента устанавливается равным 0,5 Увх где Звал = с 1 вь, - амплитуда выходного сигнала интегратора 18.Импульсы с выхода порогового элемента 21 задерживаются в эталонномэлементе 17 задержки на время с (Фиг.2 н, 4 н и бн). Время задержки выбирается таким образом, чтобы суммарное время задержки регулируемого элемента задержки 5 с эталонного элемента 17 задержки с и время задержки сп эа счет задержки в пороговом элементе 21 при начальном уровне порога было равно ожидаемой длительности исследуемого сигнала на измеряемом уровне.Максимальное время задержки в эталонном элементе 17 задержки с отводами должно перекрывать весь диапазон возможных величин нестабильности временных интервалов и может изменятьсядискретно.целью увеличения предельной разрешающей способности введен пороговыйэлемент 21, который автоматическипо сигналу с интегратора 23 позволяетдополнительно плавно изменять времязадержки в пределах шага дискретизации ьс эталонного элемента 17 за"держки.Шаг дискретизации Ь выбираетсяравным значению максимальной постоянной 3 интеграторов 16, 18 и 19,Задержка в эталонном элементе 17задержки осуществляется относительнофронта выходного импульса пороговогоэлемента 21.С первого выхода эталонного элемента 17 задержки с отводами импульсы поступают на вход установки вноль триггера 20,С второго выхода эталонного эле мента 17 задержки импульсы через интегратор 16 подаются на второй вход 25сумматора 15, на первый вход которо"го поступают импульсы с выхода интегратора 18.Таким образом, на входы. сумматора15 поступают импульсы равной амплитуды, с одинаковой длительностьюфронтов и срезов сдвинутые относи 1тельно друг друга на величину .п ++ с(фиг. Зв, 5 в и 7 в),Зависимость, определяющая изменение уровня сигнала на выходе сумматора 15, как функция величиныабсолютной нестабильности длительности импульса (временного интервала)приведена на Фиг.10,40Чувствительность изменения максимал ьна тогда, когда с пад импульса навыходе интегратора 18 и фронт импульса на выходе интегратора 16 совпадают по времени (фиг.3 в, 5 в, 7 в); 45Сохранить чувствительность в болеешироком диапазоне измеряемых величинпозволяет обратная связь, включающаяпороговый элемент 21 и интегратор 23,которая при наличии постоянно; сос"тавляющей нестабильности И(Ь 6) осуществляет смещение рабочей точки насередину рабочего участка,Триггер 20 переключается в нулевоесостояние по срезу импульса на первом выходе элемента 17 задержки сотводами (фиг,3 в, 5 а и 7 а).От стабильности уровня переклюцения триггера 20 зависит точность измерения, поэтому необходимо выбирать триггер 20 с временем переключенияпер(си нормированным знецеЛ лнием 01 г = 0, и 0( = Па 1 ф, где сапдлительность спада импульса на выходе эталонного элемента 17 задержки,для того, цтобы время задержки вплече, содержащем первый сумматор 15и интегратор 16, было равно временизадержки в плече, содержащем триггер 20 и интегратор 19На выходе сумматора 15 формируется импульс, имеющий пьедестал. постоянной амплитуды Ул, на котором находится короткий импульс, образующийсяза счет нестабильности длительностивходных импульсов (Фиг.5 г; 7 г).Амплитуда короткого импульса относительно пьедестала. зависит от величины нестабильности длительностивходных импульсовВ случае, когда нестабильностьотсутствует, короткий импульс не об"разуется (фиг.3 г) .На вычитатель 14 поступают импульсы с выходов сумматора 15 и второго интегратора 19.Длительность и амплитуда импульсов с выхода второго интегратора 19равны длительности и амплитуде пьедестала и импульса сумматора 15 (фиг.3 б,5 б, 7 б).Интеграторы 16, 19 и 18 позволяютосуществить регулировку длительностейфронта и среза импульсов, формируемыхпороговым элементом 21 и триггерами13 и 20,На значение выход ных импульсовинтеграторов 16 и 18 состоит в том;чтобы при сложении в сумматоре 15 наего выходе сформировался импульс,.амплитуда которого соответствовалабы величине . нестабильности длительности входных импульсов (временныхинтервалов),Амплитуда выходйых импульсов интеграторов 16, 18 и 19 должна бытьравной амплитуде выходных импульсовпорогового элемента 21, триггеров13 и 20 соответственно, а крутизнафронта и среза выбирается исходя.изабсолютной величины нестабильностидлительности временных интервалов ас,Для повышения точности измереНиямалых величин нестабильности длительности крутизну фронта и. среза импульсов, формируемых интеграторами;необходимо увеличивать. Изменение постоянной времени о интегратора и,соответственно, крутизны фронта испада дает возможность расширить диа- .пазон измерения больших величин не 5стабил ь ности временнь 1 х интер валов.Интеграторы 16, 18 и 19 должныиметь одинаковые параметры и постоянные времени ьэ, соизмеримые слвеличиной нестабильности временныхинтервалов.Амплитуда импульсов на выходахинтеграторов 16, 18 и 19 определяетсяуровнями сигналов на входах. Постоянные времени Ь; интеграторов 16, 18и 19 выбираются равными между собой.Фронт и спад импульсов на выходахинтеграторов определяются постоянной времени интегрирования с= "сп = 20Ллпри ь.В вычитателе 14 происходит компенсация амплитуды. пьедестала импульса сумматора 15, и на выходе,должен выделяться короткий импульс, 25амплитуда и полярность которого определяются нестабильностью длительности входных импульсов (Фиг.5 д,7 д) еИмпульсы с выхода .выцитателя 14поступают на вход двухполярного расширителя 22.С помощью расширителя 22 длительность коротких импульсов увеличивается с сохранением их амплитудных соотношений и полярности до необходимой величины, но не более периода повторения исследуемых импульсов. Таким образом, на первом выходерасширителя 22 формируются импульсы(Фиг.5 е, 7 е) постоянной длительности, амплитуда которых равна амплитуде коротких импульсов относительно пьедестала на выходе сумматора 15.45С второго выхода расширителя 22импульсы поступают на интегратор 23,на выходе которого формируется напряжение (фиг.5 ж, 7 ж), пропорциональное математическому ожиданиюИ(Ьс) нестабильности длительностивходных импульсов.Это напряжение подается на .управляющий вход порогового элемента21, на вход сумматора 26 и на выходную шину 3 устройстваС выхода расширителя 22 импульсытакже поступают на второй вход сумматора 26 и вход квадратора 24,С выхода квадратора 24 через интегратор 25 напряжение поступает навыходную шину 30 устройства.Назначение квадратора 24 и интегратора 25 заклюцается в формировании сигнала величины дисперсии нестабильности временных интерваловв соответствии с правилами вычисления(дй) --ь,где И(АФ) - математическое ожиданиенестабильности длительс ности импульсов (временных интервалов);ААь - аосолютная величина нестабильности длительностиимпульсов (временных интервалов) в каждом периоде следования,Операция вычитания осуществляетсяцепью обратной связи с помощью интегратора и порогового элемента 21,Постоянные времени интеграторов23 и 25 выбираются равными 10-20 периодам следования входных сигналови устанавливаются равными между со-,бой. На выходе интегратора 23 уровень сигнала зависит от среднего значения амплитуды импульса, поступающего с выхода расширителя. и пропорционален математическому ожиданиюотклонения временного интервала отзаданного и определяемого, элементамизадержки 5 и 17,Знацение напряжения на выходе интегратора 25 пропорционально дисперсии нестабильности длительности импульсов.На выходе сумматора,26 формируются импульсы, амплитуда которых про"порциональна значению абсолютной не"стабильности длительности входных импульсов (временных интервалов) в каждом периоде следования.На шинах 30 и 31 формируется напряжение, уровень которого медленноменяется с течением времени, на шинах29 и 32 - импульсы, амплитуда которых при налиции нестабильностей будетизменяться в каждом периоде.Уровень сигналов на шине 29 пропорционаленИ( л),л рльь)х.флюктуациям нестабильности, длительнос"ти импульсов (временных интервалов)в каждом периоде следования.уровень сигнала на шине 30ц,ы, ь В(аФ);на шине 315лОьх, = ИЬ ),на шине 32 льых,Ф - "10В режиме измерения нестабильностиинтервала между Фронтами импульсовразличных последовательностей, когдавелицина интервала превышает времязадержки в,эталонном элементе 17 за";держки, переключатель 11 подключаетвыход дифференцирующего трансформа-тора 10 к входу усилителя-ограничителя 12,Импульсы одной последовательностиподаются на шину 27 устройства, а импульсы другой последовательностина шину 28 (фиг.9 а, б, в, г).функциивыполняемые ограничителями 8 и 9, те же, что и выполняемые ограничителями 1 и 2;На выходе триггера 13 формируют. ся импульсы, абсолютная величина нестабильности которых равна величиненестабильности временного интервала 30между фронтами двух соседних импуль"сов исследуемых последовательностейна заданных уровнях измерения .(фиг. 9 к) .,В остальном работа устройства аналогична работе в режиме измерениянестабильности длительности импульсов, превышающих время задержки вэталонном элементе. 17 задержки(фиг,2"7)40Режимы измерения нестабильностидлительности импульсов,. соизмеримойс временем задержки в эталонном элементе 17 задержки, и измерения нестабильности интервала между фронтами импульсов разных последовательностей, соизмеримого с временем задержки.в эталонном элементе 17 задержки, являются частными случаями рассмотренных режимов.50Отличие состоит в том, что переключатель 7 подключает выход усилителя-ограничителя 4 к входу триггера13 и исключает из работы регулируеМый элемент 5 задержки;В режиме измерения нестабильностипериода между импульсами коммутатор бсоединяет выход усилителя-ограничителя 4 с вторым входом триггера 13,а переключатель 7 подключает выход регулируемого элемента 5 задержки к входу триггера 15. Исследуемая последовательность импульсов подается на шину 27 устройства.Эпюры входной последоватеЛьности импульсов и импульс, сформированный на выходе триггера 13, приведены на Фиг.8 а, б, в, г, д, е., В осталь" ном работа устройства в рассматрива- емом режиме аналогична работе в режиме измерения нестабильности длительности импульсов, превышающих время задержки в эталонном элементе 17 задержки (фиг. 2-7).Изобретение позволяет измерять математическое ожидание; флюктуацию и дисперсию нестабильности длительности временных интервалов;Формула и з о о р е т е н и яу/Устройство для измерения неста бильности временных интервалов, содержащее два ограничителя сверху, два ограничителя снизу, два дифференцирующих трансформатора, два уси лителя-ограничителя, два переключателя, коммутатор, регулируемый элемент задержки, два триггера, вычитатель., сумматор, два интегратора, эталонный элемент задержки, расширитель, .две входные и одну выходную шину, причем первая входная шина через первые йоследовательно соединенные ограничители сверху и снизу подключена к входу первого дифференцирующего трансформатора; первый выход которого через первый усилитель-ограничитель соединен с первым входом коммутатора, первым входом переключате" ля и входом регулируемого элемента задержки, выход которого подключен. к второму входу первого переключателя, выход которого соединен с первыми входами первого и второго триггеров, вторая входная шина устройства через вторые последовательно соединенные ограничитель сверху и ограничитель снизу подключена к входу второго дифференцирующего трансформатора, вь 1 ход которого соединен с первым входом второго переключателя,. второй вход которого подключен к второму выходу первого дифференцирующего трансформатора, а выход соединен черезвторой усилитель-ограничитель с вторым входом коммутатора, выход которого поДключен к второму входу первого триггера, первый выход эталонного элемента задержки соединен с вторым входом второго триггера, выход которого через второй интегратор подключен к второму входу вычитателя, первый вход которого соединен с вы ходом первого сумматора, а выход под. ключен к входу расширителя, второй выход которого является первым выходом устройства,. о т л и ч а ю щ е т е с я тем, чтос целью расши рения функциональных. возможностей, в него дополнительно введены три интегратора, пороговый элемент, квадратор и сумматор, причем выход первого триггера через третий интегратор рО соединен с первым входом первого сум матора и первым входом. пороговогоэлемента, выход которогс подключенк входу эталонного элемента задержки, а второй вход соединен с первымвыходом четвертого интегратора, входкоторого подключен к первому выходурасширителя и первому входу второгосумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом четвертогоинтегратора и третьим выходом устройства, а выход является четвертымвыходом устройства, второй выход расширителя через пос 1 рдовательно соединеннЬе квадратор и пятый интеграторподключен к второму выходу устройства, а второй выход эталонного элемента задержки через первый интегратор соединен с вторым входом первогосумматора.