Следящее цифровое измерительное стробоскопическое устройство

.,те и т н О т ф,. , ь,. , ,; Фм Союз Советскид Социалистических Республик(22) Заявлено 040978 (21) 2662196/18-21с присоединением заявки Йо(51) М. Кл.8 6 01 й 13/02 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(54) СЛЕДЯЩЕЕ ЦИФРОВОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ СТРОБОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для ускоренного измерения параметров повторяющихся процессов в широком диапазоне спектра их частот. 5Известно цифровое стробоскопическое измерительное устройство - стробоскопический осциллограф с цифровым отсчетом, содержащий строб-преобразователь, синхронизатор, генераторы 1 О импульсов эон, пилообразного и ступенчатого напряжений, компаратор, цифровой измеритель временных интервалов и блок электронно-лучевой трубки Ц . 15Недостатками устройства являются .низкое быстродействие, обусловленное ручным управлением процесса измерений, и относительно высокая погрешность. 26Известно цифровое стробоскопическое измерительное устройство, содержащее строб - преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, блок регистрации данных, синхронизатор, 25 генераторы пилообразного и ступенчатого напряжений и делитель числа импульсов 2 .Процесс измерений в данном устройстве автоматизирован, а точность иэ- ЗО 2мерений повышена благодаря возможности накопления данных в каждой отдельной точке непрерывно следующих измеряемых сигналов. Однако его недостатком остается снижение быстродействия при уменьшении верхней граничной частоты спектра и увеличении длительности сигналов. Это вызвано тем, что шаг считывания устройства выбирается исходя, в том числе, иэ максимально для него допустимой верхней граничной частоты спектра измеряемых сигналов. Поэтому при снижении верхней граничной частоты спектра сигналов появляются избыточные отсчеты, на что.затрачивается определенное время при регистрации данных и увеличивается время при машинном восстановлении сигналов. Иначе говоря, увеличивается суммарное время измерений.Целью изобретения является повышение скорости и точности измерения параметров повторяющихся процессов в широком диапазоне спектра частот.укаэанная цель достигается тем, что в цифровое измерительное стробоскопическое устройство, содержащее аналого-цифровой.преобразователь, блок регистрации и обработки, последовательно включенные синхронизатор,генератор пилообразного напряженияи первый компаратор, генератор ступенчатого напряжения, подключенныйк первому компаратору, строб-преобразователь, один вход которого ивход синхронизатора подсоединеныко входу устройства, другой входстроб-преобразователя подключен квыходу первого компаратора, а выход к измерительному входу аналогоцифрового компаратора, а выход - кизмерительному входу аналогоциФрового преобразователя, кодовыйвыход которого соединен с соответствующим входом блока регистрации и обработки, а также делитель числа сигналов, введены второй компаратор,последовательно соединенные источникопорного напряжения, дифференциальныйэлемент, третий компаратор, а такжесчетчик, три ключа, три элемента ИЛИ, 20элемент И-НЕ, два элемента И,элементНЕ, два триггера, Формирователь задержанного сигнала, реверсивный генератор ступенчатого напряжения, делитель числа импульсов на два, причемодин из входов первого ключа соединенс одним входом аналого-цифрового преразователя, другой вход - со входомделителя числа импульсов на два, второго триггера и строб-преобразователя, третий вход - с одним из входовсчетчика, другим входом делителя числа импульсов на два, второго и третьего ключей, второго элемента И, перного триггера и реверсивного генератора ступенчатого напряжения, выход делителя числа сигналов соединенс одним из входов первого элементаИЛИ, другой вход которого соединен свыходом третьего ключа, а выход -с входом генератора ступенчатого напряжения, третий вход третьего ключасоединен с выходом делителя числаимпульсов на два, один вход которогосоединен с выходом первого компаратора и с одним из входов четвертого 45ключа, другой вход которого соединенс выходом блока регистрации и обработки, а выход - с одним из входовтретьего элемента ИЛИ и входом делителя числа сигналов, выход генератора ступенчатого напряжения соединенчерез втброй элемент И с одним извходов блока регистрации и обработкии другим входом второго триггера, выход которого соединен с другим входомтретьего элемента ИЛИ и с одним входом элемента И-ИЕ, другой вход которого соединен с третьим входом третьего элемента ИЛИ, выходом второго компаратора и другим вхоцом реверсивного генератора ступенчатого напряже- Щния, третий вход которого соединен свыходом второго элемента ИЛИ, а выход.с одним входом второго компаратораи другим входом дифференцирующего элемента, выхОд элемента И-НЕ соединен .5 с одним входом второго элемента ИЛИ,другой вход которого соединен с выходом первого элемента И и с четвертым входом третьего элемента ИЛИ,один вход первого элемента И черезпервый элемент НЕ соединен с выходомтретьего компаратора и с другим входом первого триггера, выход которогосоединен с другим входом первогоэлемента И, выход строб-преобразователя соединен с одним входом второгои третьего компараторов и аналогоциФрового преобразователя, другой входкоторого соединен с выходом третьегоэлемента ИЛИ, а выходы - с входамиФормирователя задержанного сигнала,второго ключа и блока регистрации иобработки, выход формирователя задержанного сигнала через второй ключсоединен с третьим входом блока регистрации и обработки, четвертый входкоторого соединен с выходом счетчика.Схема устройства представлена начертеже,Устройство имеет вход 1 и содержитстроб-преобразователь 2, синхронизатор 3, генератор пилообразного напряжения 4, первый ключ 5, счетчик б,первый компаратор 7, генератор ступенчатого напряжения 8, первый элементИЛИ 9, делитель числа сигналов 10,первый элемент И 11, первый элементНЕ 12, первый триггер 13, второй элемент ИЛИ 14, второй компаратор 15,третий компаратор 1 б, дифференцирующий элемент 17, источник опорного напряжения 18, элемент И-НЕ 19, аналогоцифровой преобразователь (АЦН) 20 содним входом 21, другим входом 22 ивыходами 23 и 24, третий элемент ИЛИ25, второй триггер 26, Формирователь27 задержанного сигнала, второй ключ28, делитель 29 числа импульсов надва, третий ключ 30, реверсивныйгенератор ступенчатого напряжения31 с входами 32 и 33, и 34, второйэлемент И 35, блок регистрации иобработки 2 б, четвертый ключ 37.Устройство работает следующимобразом.В исходном .состоянии счетчик бсброшен в нулевое положение, выходной сигнал триггера 13 равен нулю,выходные напряжения генератора ступенчатого напряжения (ГСН) 8 и реверсивного (ГСН) 31 равны нулю, всеключи 5, 28 и ЗО открыты. С появле-)нием измеряемого сигнала на входе 1в компараторе 7 известным образомформируется строб-импульс, в соответствии с которым на выходе стробпреобразователя 2 выделяется текущее дискретно-преобразованное значений измеряемого сигнала. Выходноенапряжение строб-преобразователя 2сравнивается в компараторе 15 с напряжением реверсивного ГСН 31, а вкомпараторе 16 с напряжением тогоже ГСН 31, :о уменьшенным дифференциальным элементом 17 на величину,соответствующую одной ступени реверсивного ГСН 31 и заданную источником опорного напряжения 18.Шаг стробирования, т.е. сдвигстроб-импульсов по шкале времени,который определяет шаг временнойдискретизации измеряемого сигнала(повторяющегося), делают минимальным (выбором соответствующих параметров генератора пилообразногонапряжения 4 и ГСН 8), например,исходя из заданной допустимой верхней граничной частоты спектра измеряемых сигналов, поэтому с ееуменьшением количество отсчетов 15становится избыточным. Для уменьшения указанной временной избыточности дискретный преобразованныйизмеряемый сигнал на входе стробпреобразователя 2 дополнительно 20квантуют по уровню. Маг квантования по уровню выбирается, в общемслучае, постоянным, исходя из заданных критериев. Таким образом,отсчеты дискретных значений измеряемого сигнала производят только наопределенных уровнях (промежуточныедискретные значения не регистрируются)и с увеличением длительности этихсигналов тем самым устраняется избыточность отсчетов, получаемых междуэтими уровнями квантования. Уровниквантования (отсчетов) формируютсяреверсивным ГСН 31. Моменты достижения преобразованным измеряемым сигналом (на выходе строб-преобразователя 2)заданных уровней отсчетов указывают компаратор 15 при увеличенииизмеряемого сигнала и компаратор 16с подключенными к нему элементами11, 12, 13, 17 и 18 при его уменьшении. В зти моменты времени производят цифровые отсчеты текущего дискретного значения сигнала, ближайшего к данному уровню. Количество дискретных значений сигнала между уровнями отсчета, т,е. число шаговдискретизации, соответствующее времени изменения сигнала между уровнями двух соседних отсчетов, Фиксируется счетчиком б.50Допустим, что входной измеряемыйсигнал периодически возрастает иубывает. При появлении первого стробимпульса переключается триггер 26,выходным сигналом которого через элемент ИЛИ 25 запускается АЦП 20. Темсамым измеряется исходный нулевойуровень строб-преобразователя 2. Одновременно сигналом запуска АЦП 20закрываются ключи 5 и 30, Ключ 5установлен на входе счетчика б, Фик- Щсирующего количество строб-импульсов,т.е. время изменения (длительность)сигнала между уровнями отсчета, задаваемыми реверсивним ГСН 31. Ключевой элемент 30 установлен в цепи эа пуска ГСН 8, Через него сигналом запуска АЦП 20 ,выход элемента ИЛИ 25)блокируют запуск ГСН 8 строб-импульсами после достижения выходным напряжением строб-преобразователя 2 очередного уровня отсчета. Делитель 29числа строб-импульсов на два задерживает очередной запуск ГСН 8 на одинтакт. Тем самым исключается немедленное переключение ГСН 8 на уровеньследующей ступени при достижении выходным напряжением строб-преобразователя 2 текущего уровня отсчета,заданного реверсивным ГСН 31, и обеспечивается режим накопления полученного дискретного значения сигналана данном уровне. После запуска АЦП 20 сигналом триггера 26 (начало отсчета) сигналом конца преобразования (выходом 23 АЦП) включается в работу регистрации и обработки 36, и выполняется считывание кодов из АЦП 20 и счетчика б. Код АЦП 20 в первом такте измерений характеризует нулевой уровень отсчета, а код счетчика 6 соответствует нулевой метке отсчета измеряемого сигнала по шкале времени. Сигналом конца цикла регистрации блока 36 открывается ключ 37. Первым же появившимся строб-импульсом, переданным через ключ 37, который вновь запирается, и одновременно через элемент ИЛИ 25 запускается АЦП 20, и вновь повторяется цикл измерения и регистрации дискретного значения сигнала (в данном случае нулевого отсчета) на уровне отсчета, заданном реверсивным ГСН 31, в соответствии со строб-импульсом временной шкалы. Число таких циклов (режим накопления данных на одном и том же уровне отсчета) задают коэффициентом пересчета делителя 10С появлением сигнала на выходе делителя 10 завершается цикл накопления данного дискретного значения измеряемого сигнала, и ГСН 8 переключается на следующую ступень. Одновременно этим сигналом открываются ключи 5 и 30, закрывается ключ 28 для того, чтобы блокировать передачу сигнала конца преобразования АЦП 20 и тем самым исключить регистрацию результата измерения, который может быть искажен во время переходного процесса при переключении устройства с поступлением очередного сигнала на его вход 1; сбрасываются в исходное состояние счетчик 6, триггер 13 и делитель 29; переключается реверсивный ГСН 31, и на компараторы 15 и 16 подается очередная (в данном случае первая) ступень напряжения (первый уровень отсчета). Далее сигналом конца преобразования АЦП 20 с задержкой в Формирователе 27 вновь открывается ключевой элемент 29, и темсамым блок 36 подготавливается к приему очередного дискретного значения измеряемого сигнала.Процесс стробирования измеряемого сигнала и изменение (в рассматриваемом случае нарастание) преобразованного сигнала на выходе строб- преобразователя 2 длятся до тех пор, пока текущее дискретное значение преобразованного сигнала не достигнет уровня очередной ступени реверсивного ГСН 31, При этом компаратор 15 выдаст импульс сравнения, который переключит (или подтвердит) соответствующее направление изменения выходного напряжения реверсивного ГСН 31, т.е. его возрастание (вход 32), и одновременно через элемент ИЛИ 25 запустит АЦП 20. Далее процесс измерения и регистрации полученного дискретного значения сигнала на данном уровне отсчета, а также всех текущих на очередных последующих уровнях отсчета повторяется аналогично описанному.Компаратор 16 выдает импульсы сравнения одновременно с компаратором 15, так как его опорное напряжение всегда оказывается меньше на величину одной ступени. Однако в цепь запуска АЦП 20 импульс компаратора 16 поступит только в том случае, когда дискретно-преобразованный измеряемый сигнал на измерительном входе этого компаратора сначала возрастет, и сработает триггер, а затем, не достигнув очередного уровня отсчета (компаратор 15 при этом не сработает), начнет уменьшаться. Сигнал на выходе элемента НЕ 12 изменится при этом, например на единичный, и при наличии единичного сигнала триггера 13 выходным сигналом элемента И 11 запустится АЦП 20. Одновременно единичным сигналом элемента И 11, пе. рецанным через элемент ИЛИ 14 на вход 33 реверсивного ГСН 31, ГСН переключится на формирование уменьшающегося по уровню ступенчатого напряжения. Далее процесс измерения текущих дискретных значений преобразованного измеряемого сигнала, но уже уменьшающегося по величине, повторяется аналогично вышеописанному. Когда на элемент И 35 поступит сигнал с выхода ГСН 8, соответствующий его амплитудному значению, т.е. последнему дискретному значению измеряемого сигнала, на другой вход элемента И 35 поступит сигнал с выхода делителя 10, что будет соответствовать окончанию цикла накопления последнего дискретного значения измеряемого сигнала, то выходным сигналом, элемента 35 блокируется действие блока 36 по приему информации, и начинается цикл раббты по восстановлению измеряемого сигнала. Если измеряемый сигнал с началомизмерений убывает, то для формирования сигнала реверса ГСН 31 используется элемент И-НЕ 19. Его применение обусловлено тем, что. исходныйуровень выходного напряжения строб-преобразователя 2 может оказатьсяниже исходного опорного уровня компаратора 16, заданного источникомопорного напряжения 18, и поэтомусигнал на выходе элемента И 11 будет 10 нулевым. При переключении триггера26, т.е. с началом нулевого отсчета,элемент И-НЕ 19 анализирует состояние компаратора 15 и при нулевом сигнале на его выходе выдает единичный 15 сигнал через элемент ИЛИ 14 на вход33 реверса ГСН 31.В отсутствие такого анализа и соответствующей цепи реверса (вход 33ГСН 31) сигнал на выходе компаратора 2 О 16 и, следовательно, сигнал на выходеэлемента И 11 по мере дальнейшегоуменьшения измеряемого сигнала моглибы оставаться нулевыми. Это приводилобы к ошибкам в результатах измеренийиз-за того, что начальная часть(фаза) измеряемого сигнала оказывалась бы пропущенной и неучтенной,Если измеряемый сигнал известензаранее, то уровни отсчета, формируемые ГСН 31, можно задавать програм- З мным путем по командам блока 36.Таким образом, предлагаемое устройство автоматически следит за сигналоми исключает избыточные отсчеты в соответствии с крутизной (скоростью) изЗ 5 меряемого сигнала на отдельных егоучастках. Это повышает эффективнуюскорость измерений.Формула изобретенияСледящее цифровое измерительноестробоскопическое устройство, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок регистрации и обработки,последовательно включенные синхронизатор,генератор пилообразного напряженияи первый компаратор, генератор ступенчатого напряжения, также подключенный к первому компаратору, стробпреобразователь, один вход которогои вход синхронизатора подсоединеныко входу устройства, другой входстроб-преобразователя подключен квыходу первого компаратора, а выход - 55 к измерительному входу аналого-цййро-,вого преобразователя, кодовый выходкоторого соединен с соответствующимвходом блока регистрации и обработки,а также делитель числа сигналов, щ о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения скорости и точности измерения параметров процессовв широком диапазоне спектра частот,в устройство введены второй компарау тор, последовательно соединенныеисточник опорного напряжения, диФФеренциальный элемент, третий компаратор, а также счетчик, три ключа,три элемента ИЛИ, элемент И-НЕ, дваэлемента И, элемент НЕ, два триггера, Формирователь задержанного сигнала, реверсивный генератор ступенчатого напряжения, делитель числаимпульсов на два, причем один иэ входов ключа соединен с одним входоманалого-цифрового преобразователя,другой вход - со входом делителя числа импульсов на два, второго триггера и строб-преобразователя третийвход - с.одним из входов счетчика,другим входом делителя числа импульсов ва два, второго и третьегоключей, второго элемента И, первоготриггера и реверсивного генератораступенчатого напряжения, выход делителя числа сигналов соединен с однимиз входов первого элемента ИЛИ,другойвход которого соединен с выходомтретьего ключа, а выход - с входомгенератора ступенчатого напряжения,третий вход третьего ключа соединенс выходом делителя числа импульсовна два, один вход которого соединенс выходом первого компаратора и содним из одо етеро ключа,другой вход которого соединен с выходом блока регистрации и обработки,а выход - с одним из входов третьего элемента ИЛИ и входом делителячисла сигналов, выход генератора ступенчатого напряжения соединен черезвторой элемент И с одним из входовблока регистрации и обработки и сдругим входом второго триггера, выход которого соединен с другим входом третьего элемента ИЛИ и с одним входом элемента И"НЕ, другой входкоторого соединен с третьим входомтретьего элемента ИЛИ, выходом второго компаратора и другим входом ре.версивного генератора ступенчатогонапряжения, третий вход которогосоединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход - с одним входомвторого компаратора и другим входом двфФеревцирующего элемента, вы ход элемента И-НЕ соединен с однимвходом второго элемента ИЛИ, другойвход которого соединен с выходом первого элемента И и с четвертым входомтретьего элемента ИЛИ, один входпервого элемента И через первый эле 5 мент НВ соединен с выходом третьегокомпаратора и с другим входом первого триггера, выход которого соединенс другим входом первого элемента И,выход строб-преобразователя соединен2 О с одним входом второго и третьегокомпараторов и аналого-цифрового преобразователя, другой вход которогосоединен с выходом третьего. элементаИЛИ, а выходы с входами Формирователязадержанного сигнала, второго ключаи блока регистрации и обработки, вы"ход Формирователя задержанного сигнала через второй ключ соединен стретьим входом блока регистрации иобработки четвертый вход которогосоединен с выходом счетчика.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Рябинин Ю.А. СтробоскопическоеосциллограФирование. М Сов.радио,с. 226-230.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2363597/21,кл.О 01 й 13/02,15.08,77.оотавитель Х 1СорокинаехредЬ, Щепанская Корректор О. Ковинскааоваираж 3.019 Подписнорственного комитета СССРзобретений и открытий3-35, Рауюскаи наб., д. 4/5нлиал ППП "Патент"., г, Ужгород, ул. Проектная, 4