Стробоскопический преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 21522 А 1 ТЕН кий инсти комбинирострукция по ПРЕОБРАЗО" электроизмеыть использонапряжения ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Измеритель разности фаванный ФК 2-12,Техническое описание иэксплуатации, 1977, с. 175.(57) Изобретение относится крительной технике и может бвано для измерения уровне Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения уровней напряжения сигналов, фазовых соотношений и формы входных гармонических сигналов нано- и пикосекундного диапазонов, преобразо ванных в промежуточный сигнал, в осциллографии, метрологии, системах контроля, а также в качестве преобразователя временного масштаба.Известен стробоскопический преобразователь электрических сигналов, который стробирует входной сигнал, запоминает значение простробированного сигнала; второй раз стробирует и запоминает его и выдает значение сигнала посредством аналого-цифрового преобразования (АЦП). Сигнал приходит на первый вход первого ключа, выход которого соединен через первое запоминающее устройство (ЗУ) и первый усилитель памяти с первым входом)5 6 01 Я 13/22, 25/04 сигналов, фазовых соотношений и формы входных гармонических сигналов нано- и пикосекундных диапазонов, преобразован,ных в промежуточный сигнал, в осциллографии, метрологии, системах контроля. В стробопреобразователе повышена точность преобразования напряжения и угла фазового сдвига путем устранения влияния наводки от широкополосной помехи при формировании строб-импульсов путем вновь введенного канала стробирования с высокой частотой ноль-переходов исследуемого сигнала и с помощью выделенного сигнала ошибки смещения уровня стробирования исследуемого сигнала. 2 ил. второго ключа, выход второго ключа соеди- р нен через второе ЗУ и второй усилитель памяти с входным усилителем, выход которого через АЦП соединен с выходом устройства, а вход синхронизации устройства соединен с первым входом дискриминатора, выход которого соединен с формирователем, первый выход которого через формирователь интервала запрета соединен с вторым входом дискриминатора, а его второй выход подключен к генератору пилообразного напряжения, первый выход которого подключен к первому входу компаратора, а второй выход через счетчик импульсов подключен к первому входу ЦАП,5 второй вход которого соединен с входом программы задержки,:а выход ЦАП через буферный усилитель соединен с вторым входом компаратора, выход которого подключен к входам первого и второго генераторов строб-импульсов, причем выходц первогогенератора строб-испульсов соединены с вторым и третьим входами второго ключа.Это устройство имеет погрешность преобразования в динамическом диапазоне амплитуд и ограниченный снизу динамический диапазон входных сигналов вследствие воздействия на запоминаюшие устройства широкополосной помехи от строб-импульсов с большой амплитудой от обоих формирователей строб-импульсов; которая производит паразитный дозатор конденсаторов ЗУ.Известно также устройство для калибровки уровней высокочастотных и сверхвысокочастотных гармонических сигналов, где используется двухканальный строб-преобразователь, за счет чего увеличена точность установки уровня напряжения в частотном и. динамическом диапазонах, 8 устройстве входом преобразователя является вход первого развязывающего аттенюатора, подключенного выходом к одному из входов первого строб-преобразователя, другой вход которого соединен с выходом первого формирователя строб-импульсов, а выходпервого строб-преобразователя через первый элемент памяти подключен к первому буферному каскаду, причем сигнал синхронизации подается на первый вход блока автоматической подстройки фазы 90, выход которого соединен с входом первогоформирователя строб-импульсов, при этомвторой и третий входы блока автоматической подстройки фазы 90 подключены соответственно к выходу устройства и выходупервого формирователя строб-импульсов, а первый вход блока автоматической подстройки фазы 270 подключен к первому входу блока автоматической подстройки фазы 90 О, второй вход - к входу преобразователя, а выход - к входу второго формирователя строб-импульсов, выход которого соединен с третьим входом блока автоматической подстройки фазы 270 и первым входом второго строб-преобраэователя, другой вход которого через дополнительный развязывающий аттенюатор соединен с входом преобразователя и через последовательно соединенные элемент па 25 мяти и буферный каскад подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу первого буферного каскада, а выход блока вычитания через делитель постоянного напряжения на два соединен с выходом преобразователя.Данное устройство имеет большую погрешность в нижней части динамического диапазона входных сигналов из-за воздействия на запоминающие устройства широкополосной помехи от формирователей.строб-импульсов, Она производит паразитный дозаряд запоминающих устройств строб-преобразователей, что резко увеличивает погрешность переноса амплитудь 1 строб-преобразователем при малых величинах входного сигнала,Наиболее близким к предлагаемому является стробоскопический преобразователь, используемый в амплифазометре ФК 2 - 12, структурная схема которого представлена на фиг. 1. В устройстве вход исследуемого сигнала соединен с первым входом ключа 1, выход которого подключен к первому входу ЗУ 2, выход которого через усилитель 3 обратной связи соединен с выходом устройства, входом согласующего усилителя 5, входом аттенюатора 4 обратной связи, выход которого подключен к второму входу ЗУ 2, а выход согласующего усилителя 5 соединен с вторыми входами первого 7 и второго 6 сумматоров, выход первого сумматора 7 подключен к третьему входу ключа, а выход второго сумматора 6 - к второму входу ключа, первые входы первого и второ-, го сумматоров подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя 8 строб-импульсов, вход которого соединен с выходом схемы 9 стабилизации частоты стробирования, а на вход схемы 9 стабилизации частоты стробирования сигнал приходит с выхода устройства, кроме того, на третьи входы первого и второго сумматоров поступают запирающие напряжения +Ез и -Ез.Принцип работы данного устройства заключается в том, что из сигнала синхронизации, являющегося входным сигналом схемы стабилизации промежуточной частоты, формируется перепад напряжения с коротким фронтом и из него получаются два коротких разнополярных импульса Озф) и Оя 41), поступающих соответственно на первый и второй сумматоры, на третьи входы которых подаются запирающие напряжения - Ез и +Ез. Запирающие напряжения постоянно удерживают в закрытом состоянии ключ(мостовой), который открывается только на время действия строб-импульсов Оэф) и Оэ-(1).8 это время считывается мгновенное значе-, ние исследуемого сигнала и запоминается ЗУ, Так как заряд ЗУ происходит не более чем на 20; от значения сигнала в точке считывания, напряжение от ЗУ усиливается усилителем обратной связи и через регулируемый аттенюатор обратной связи и дозаряжает ЗУ таким образом, что значение напряжения на его выходе и выходе усилителя обратной связи становится равным значению исследуемого синала в точке считьвания и поддерживается таким до прихоча соответственно и соответственно с первым и вторым входами третьего смесителя, третий вход которого соединен с первым входом четвертого смесителя и также выходом подстраиваемого генератора, причем вход управления подстраиваемого генератора соединен с выходом второго фазового детектора через второй интегратор, выход четвертого смесителя подключен через усилитель-ограничитель, вторй фильтр промежуточной частоты к второму входу первого фазового детектора и первому входу второго фазового детектора, а выход третьего смесителя через первый фильтр промежуточной частоты, подстроечный фазовращатель соединен с первым входом первого фазового детектора, выход которого через первый интегратор подключен к входу управления электронно-управляемого фаэовращателя, кроме того на второй и третий вход второго ключа подаются соответственно отрицательное -Ез и положительное +Ез запирающие напряженияВ предлагаемом устройстве уменьшена амплитудная погрешность строб-и реобразователя в динамическом диапазоне иэ-за воздействия широкополосной помехи на ЗУ, что достигается путем введения второго канала, где стробируется исследуемый сигнал в точках перехода через ноль с частотой, много большей, чем частота стробирования в первом канале, и ошибка считывания сигнала за счет паразитного доэаряда ЗУ с обратным знаком вводится в сумматоры первого канала, что вносит дополнительную асимметрию напряжений, прикладываемых к первому ключу, за счет чего и происходит устранение ошибки,На фиг, 2 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя,Стробоскопический преобразователь гармонических сигналов содержит ключ 1, который первым входом соединен с входом исследуемого сигнала, с первым входом второго ключа 2 и вторым входом четвертого смесителя 3, а выход первого ключа 1 соединен с первым входом ЗУ 4, выход которого через усилитель 5 обратной связи соединен с выходом устройства, входом первого согласующего усилителя 6 и входом аттенюатора 7 обратной связи, выход которого соединен с вторым входом ЗУ 4, выход первого согласующего усилителя 6 соединен с вторыми входами первого 8 и второго 9 сумматоров-, выход устройства через схему 10 стабилизации частоты стробирования соединен с входом первого формирователя 11 строб-импульсов, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора 8, а второй выход - с первым входом 20 25 30 35 40 45 50 55 второго сумматора 9, и на третьи входы обоих сумматоров приходит запирающее напряжение, на первый сумматор В отрицательное -Ез, на второй сумматор 9 положительное+Ез, а выход второгоключа 2 через второе ЗУ 12 и согласующий усилитель-инвертор 13 соединен с четвертыми входами первого 8 и второго 9 сумматоров, первый выход второго формирователя 14 строб-импульсов соединен с вторым входом второго ключа 2 и первым входом третьего смесителя 15, а второй выход второго формирователя 14 строб-импульсов соединен с третьим входом второго ключа 2 и вторым входом третьего смесителя 15, вход второго формирователя 14 строб-импульсов соединен с выходом электронно-управляемого фазовращателя 16, управляющий вход которого соединен через первый интегратор 17 с выходом первого фазового детектора 18, первый вход которого через подстраиваемый фазовращатель 19 и первый фильтр 20 промежуточной частоты соединен с выходом третьего смесителя 15, а второй вход первого фазового детектора 18 соединен с первым входом второго фазового детектора 21, а также через второй фильтр 22 промежуточной частоты(ФПЧ)и усилитель-ограничитель 23 - с выходом четвертого смесителя 3, первый вход которого соединен с третьим входом четвертого смесителя 15 и выходом подстраиваемого генератора 24, вход управления которого соединен через второй интегратор 25 с выходом второго фазового детектора 21, второй вход которого соединен через третий фильтр 26 промежуточной частоты и делитель 27 частоты с выходом опорного генератора 28, выход подстраиваемого генератора 24 также соединен с входом электронно-управляемого фазовращателя 16, на второй вход второго ключа 2 приходит отрицательное запирающее напряжение - Ез, а на его третий вход приходит положительное запирающее напряжение +Ез.Устройство работает следующим образом,При отсутствии строб-импульсов на втором и третьем входах первого ключа 1 этот ключ заперт за счет напряжений запирания - Ез и+Ез. В момент прихода строб-импульсов на первый ключ 1 через сумматоры 8 и 9 он открывается и первое ЗУ 4 заряжается мгновенным значением исследуемого сигнала до величины 20-30 О от его значения. Запомненное напряжение усиливается усилителем 5 обратной связи и далее дозаряжает первое ЗУ 4 до значения исследуемого сигнала в точке считывания, что обеспечивается соответствующей установкой ослабле10 15 20 25 30 35 40 50 55 ния аттенюатора 1 обратной связи. Такая обратная связь также поддерживает неизменным напряжение на первом ЗУ 4 между моментами стробирования, Эта же напряжение через согласующий усилитель 6 подается на первый 8 и второй 9 сумматоры, где образует "подставку" напряжения для положительного и отрицательного строб-импульсов соответственно, что позволяет устранить асимметрию ключа 1 в следующий момент страбирования, Асимметрия возникает из-за хранящегося в ЗУ 4 напряжения. Сигнал промежуточной частоты Ьч с выхода устройства поступает на схему 10 стабилизации частоты стробирования, где он стабилизируется по боковой частоте и фазе, после чего поступает на вход формирователя 11 строб-импульсов, где формируются короткие разнополярные импульсы. Поступая на первые входы сумматоров 8 и 9, эти импульсы смещаются на соответствующий уровень напряжения и производят стробирование исследуемого сигнала, Кроме того, в устройстве существует второй канал, в котором происходит стробирование входного сигнала в момент перехода гдрманического входного сигнала через ноль от отрицательной полуволны к положительной. С приходом строб-импульсов на закрытый напряжениями запирания - Ез и+Ез второй ключ 2, он открывается и происходит стробирование входного сигнала в момент перехода его через ноль. Для этого к входу устройства подключена система автаподстрайки фазы (АПФ) на Оо, выходом подключенная к входу второго формирователя 14 строб-импульсов.Система АПФ работает следующим об.разом,Сигнал с первого падстраиваемого генератора 24 приходит на четвертый смеси- тель 3, на второй вход которого приходит входной сигнал, а с выхода сигнал прамежуточной частоты системы АПФ 1 п,дпф через усилитель-ограничитель 23 и фильтр ФПЧ 22 поступает на фазовый детектор 18, Здесь он сравнивается по фазе с сигналом промежуточной частоты второго канала системы АПФ. Ва втором канале сигнал промежуточной частоты получается на выходе смесителя 15 как разностный между сигналом подстраиваемаго генератора 24 и одной из гармоник строб-импульса системы АП Ф. Подстроечный фазавращатель 19 (на пассивных элементах) служит для начальной установки фазы (по необходимости) при введении системы АПФ в режим слежения, Сигнал ошибки с выхода фазового детектора 18 усиливается интегратором 17 и управляет электронно-управляемым фазовращателем 16 таким образом, что стробирование входного сигнала во втором канале происходит в точке перехода через ноль, При несовпадении строб-импульсов и ноль-переходов на выходе фазового детектора 18 появляется сигнал ошибки, воздействующий на электронно-управляемый фазовращатель 16 через интегратор 17 таким образом и знаком, что строб-импульс подтягивается в точку ноль-перехода сигнала, при этом сигнал ошибки становится равным нулю. Частота подстраиваемого генератора 24 больше частоты стробирования в основном канале: 1 пФз. За счет этого на выходе второго ЗУ 12 всегда установлено напряжение, которое состоит из мгновенно-, го значения сигнала (а оно равно нулю) и паразитного сигнала, возникающего за счет дазаряда конденсатора ЗУ 12 импульсной широкополосной помехой от второго формирователя 14 строб-импульсов. Это напряжение ошибки инвертируется согласующим усилителем 13, имеющим коэффциент передачи, равный единице, и вводится в сумматоры 8 и 9 основного канала, где смещает начальные уровни строб-импульсов так, что дозаряд конденсатора ЗУ 4 в момент считывания входного сигнала изменяется на величину ошибки с противоположным знакам, и компенсирует влияние импульсной широкополосной помехи ат первого формирователя 11 строб-импульсов на первое ЗУ 4, Сигнал с выхода опорного генератора 28 делится по частоте делителем 27 до необходимого значения 0,5-2 МГц и через фильтр 28 поступает на второй фазовый детектор 21, где сравнивается по частоте и фазе с промежуточной частотой 1 пчдпэ системы АПФ. С ега выхода сигнал ошибки усиливается вторым интегратором 25 и поступает на управляющий вход подстраиваемога генератора 24, управляя. его частотой и фазой так, что при любой частоте входного сигнала устройства величина частоты 1 пчдпв фиксирована и стабильна, Этим обеспечивается работы устройства (и системы АПФ) ва всем непрерывном диапазоне частот входного сигнала..Палажительныи эффект состоит в уменьшении погрешности при переносе на сигнал промежуточной частоты амплитудной информации в динамическом диапазоне входного сигнала. Погрешность предлагаемого устройства определяется амплитудной погрешностью первого строб- преобразователя в динамическом диапазоне входного сигнала из-за нелинейности амплитудной характеристики его смесителя: увеличение коэффициента формы строб 1721522 12импульса в устройстве от 1 до 3 делает эту погрешность менее 0,05 Д; погрешностью из-за нестабильности временного положе. - ния строб-импульса:, система АПФ отрабатывает установку угла фазового сдвига в 0 с погрешностью 0,1 - 0,2 и при частоте входного сигнала до 1 ГГц и нижней границе динамического диапазона 1 мВ погрешность не более 0,260; амплитудно-частотной погрешностью из-за конечной длительности строб-импульсов; при длительности строб-импульса юз = 70 пс в частотном диапазоне до 1 ГГц, погрешность не превышает 0,4; неидентичностью формирователей строб-импульсов в каналах: формирователи строб-импульсов; выполненные в интегральном исполнении, высокоидентичны, погрешность за счет неидентичности строб-импульсов в этом случае не превышает 0,2%.Таким образом, суммарная погрешность не превышает 0,7770 при доверительной вероятности 0,99 в частотном диапазоне о 1.ГГц (д -, /Р = 0,99 = = 1,4 уГ -). Суммарная погрешность у известного устройства достигает величины6,4 Д в нижней части динамического диапазона в области высоких частот входного сигнала. Формула изобретения Стробоскопический преобразователь, содержащий первый ключ, первый вход которого соединен с входом исследуемого сигнала, а выход подключен к первому входу первого запоминающего устройства, выход которого через усилитель обратной связи соединен с вь 1 ходом строб-преобразователя, входом схемы стабилизации частоты стробирования, входом согласующего усилителя, входом аттенюатора обратной связи, выход которого подключен к второму входу первого запоминающего устройства, а выход согласующего усилителя соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, причем выход первого сумматора подключен к второму входу первого ключа, а выход второго сумматора подключен к ,третьему входу первого ключа, выход схемы стабилизации частоты стробирования соединен с входом первого формирователя строб-импульсов, первый и второй выходы 5 10 15 20 ЗО 35 40 50 которого соединены с первыми входами первого и второго сумматоров соответственно, а на их третьи входы подаются запирающие положительное и отрицательное напряжения соответственно, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены вторые ключ, запоминающее устройство, формирователь строб-импульсов, а также согласующий усилитель-инвертор, электронно-управляемый фазовращатель, первый и второй интеграторы, три фильтра промежуточной частоты подстроечный фазовращатель, два фазовых детектора, усилитель-ограничитель, третий и четвертый смесители, подстраиваемый генератор, делитель частоты, опорный генератор, причем вход исследуемого сигнала подключен к второму входу четвертого смесителя и к перному входу второго ключа, выход которого через второе запоминающее устройство и :огласующий усилитель-инвертор соединен с четвертыми входами первого и второго сумматоров. а выход опорного генератора подключен через делитель частоты и третий фильтр промежуточной частоты к второму входу второго фазового детектора, а выход подстраиваемого генератора через электронно-управляемый фазовращатель к входу второго формирователя строб-импульсов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами второго ключа, выходы второго формирователя строб-импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами третьего смесителя, третий вхОд которого соединен с первым входом четвертого смесителя и выходом подстраиваемото генератора, причем вход управленим подстраиваемого генератора соединен с выходом второго фазового детектора через второй интегратор, выход четвертого смесителя подключен через усилитель-ограничитель, второй фильтр промежуточнои частоты к второму входу первого фазового дйтектора, а выход третьего смесителя через первый фильтр промежуточной частоты, подстроечный фазовращатель соединен с первым входом фазового детектора, выход которого через первый интегратор подключен к входу управления электронно-управляемого фазовращателя.1721522 СРедактор И,Шмакова Т Корректор И.Муска оставитель Г.Никоноваехред М,Моргентал роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 950 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5