Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскинСоциалистическиеРеспублик в 917118(22) Заявлено 2301,79 (21) 2716515/18-21 а 01 а 23/16 с присоединением заявкиРВудерстеенный комитет СССР(23) Приоритет ао делам нзобретеннй н отнрытнй(53) УДК 621.317, ,757(088.8) Опубликовано 300382 Бюллетень12 Дата опубликования описания 360382 П.ф, Поляков "1) у Ъ Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта им. С.М, Кирова(5 Й) АНАЛИЗАТОР ОРТОГОНАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЕКТРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВИзобретение относися к радиоиз" мерительной технике и может быть ис. пользовано пои определении спектральных характеристик элект рических сигналов.Известны анализаторы ортогональных составляюших спектра электрических сигналов, содержащие устройство выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, генератор периодической последоват ельсности управляющих импульсов, набор суммирующих устройствв, многоканальный коммутатор последовательного действия и параллельные группы взвешивающих резисторов, причем устройство выборки мгно" венных значений соединено с входом многоканального коммутатора, выходы которого соединены с параллельными группами взвешивающих резисторов, объединенных в пределах каждой группы на входе суммирующих устройствв, выполненных в виде балансных интегрирующих усилителей, а к одному иэ входов устроцства выборки мгновенных значений и управляющему входу многоканального коммутатора под",ключен выход генератора периодической последовательности управляющихимпульсов . 1.Недостатками этого анализатораявляются сложность технической реа -лизации при заданных достаточножестких требованиях к точности ана 1 Олиза при больших базах анализируе"мого сигнала и невысокая стабиль"ность, что определяется большим числом аналоговых элементов и узлов,применяемых в анализаторе, причемочность установки и стабильностьпараметров каждого элемента (узла)непосредственно опоеделяют точностьи стабильность анализа (работы анализатора), а также невозможность20обеспечения существенной микроминиатюризации,Наиболее близкий по техническойсущности к предлагаемому аналиэа10 15 Кроме того, структура на основе прибора с эаоядовой связью выполнена на подложке с проводимостью и -типа и состоит из оасположенных на подложке частичных структур на основео приборов с зарядовой связью, не находящихся между собой в зарядовой связи, каждая из которых выполнена в виде последовательно расположенных выходного электрода, первого передающего электрода, распределительного электрода, группы вторых передающих электродов, группы электродов хранения, группы записывающих электродов и группы р-п-переходов, выходных 50 шин и шины входного сигнала, причем р-и-переходы подключены к шине входного сигнала, выходные электроды под" ключены к выходным шинам, группы записывающих электродов, вторых передающих электродов и элект родов хранения, а также распределительный и первый передающий электроды подклютор, содержащий последовательно соединенные генератор периодическойпоследовательности управляющих импульсов, блок управления и блокформирования потенциалов, согласующий каскад, вход которого соединенс входом анализатора 1 2 1,Недостатками известного анализатора также являются сложность и недостаточная стабильность;Цель изобретения - повышениестабильности и обеспечение микроминиатюризации устройст ва,Поставленная .цель достигаетсятем, что анализатор ортоганальных составляющих спектра элект рических сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор пеоиоди"ческой последовательности управляющих импульсов, блок управления и20блок формирования потенциалов, атакже согласующий каскад, вход которого соединен с входом анализатора,снабжен последовательно соединеннымиструкт урой на основе приборов с зарядовой связью и дифференциальным усилителем, причем потенциальные входыупомянутой структуры и дифференцйального усилителя подключены к первымвыходам блока формирования потенциалов, сигнальный вход структуры наоснове приборов с зарядовой связьюподключен к выходу согласующего каскада, а выход дифференциального усилителяя соединен с выходом анализатора35 чены к сост вет ст вующим пот енциаль ным входам структуры.На Фиг. 1 изображена ст рук т урная схема предлагаемого анализатора; на фиг.2 - то же, прибора с зарядовой связью (ПЭС-структура); на фиг3 схема разреза выходных электродов.Анализатор ортогональных составляющих спектра электрических сигналов содержит генератор 1 периодической последовательности управляющих импульсов, согласующий каскад 2, блок 3 Формирования потенциалов, блок 4 управления, дифференциальный усилитель 5, структуру 6 на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС- структуру), причем потенциальные входы ПЗС-структуры Ь и дифференциального усилителя 5 подключены к соответствующим выходам блока 3 Формирования потенциалов, управляющий и синхронизирующий входы которого подсоединены соответственно к выходам блока 4 управления и генератора 1 управляющих импульсов, вход генератора 1 управляющих импульсов подключен также к входу блока 4 управления, выход ПЗС-структуры 6 подключен к сигнальным входам дифференциального усилителя 5, выход которого являешься выходом анализатора, сигнальный вход ПЗС-структуры 6 подключен к выходу согласующего каскада 2, вход которого являешься входом анализатора.ПЗС ст рукт ура 6 выполнена на единой подложке 7 с пооводимостью и-типа и содержи расположенные на подложке частичные ПЗС-структуры 8-1,,8-Ч, не находящиеся между собойв зарядовой связи, в каждую из которых входят последовательно расположенные и изолированные от подложки " 7 выходной электрод 9 иэ группы электродов 9- 1, ,9-М, первый передающий электрод 10 из гоуппы электродов 10-1. 10-й распределительный электрод 11, группа вторых передающих электродов 12(1)-12(й), группа элект родов 13 ,1) -13(М)хранения, группа записывающих электродов 14 ,1)- 14(М) и группа р-и-переходов 15(1)- 15(й), выходные шины 16 и шину 17 входного сигнала, причем р-.п-переходы 15(1)-15(й) подключены к шине 17 вход. ного сигнала. Выходные электроды 9, разрезанные по синусоидальному закону (Фиг 3), подключены к выходным шинам 16, группы записывающих элек5 9171тродов 14-114-М, вторых передающих электродов 12-112-М и электродов 13-113-М хранения, а также распределительный 11 и первыйпередающий 10 электроды подключены.к соответствующим потенциальным входам ПЗС-структуры 6, шина 17 входного сигнала является сигнальным входом ПЗС-структуры 6, а выходные шины 16 - ее выходом. 10Анализатор ортогональных состав-.ляющих спектра электрических сигналов рабоае следующим образом,Исследуемый сигнал с выхода сог,ласующего каскада 2 поступает нар-и-переходы 15(1)-115(М)-Модновременно через шину 17 входногосигнала. К входам блока 4 управленияи блока 3 формирования потенциаловпоступает периодическая последовательщность импульсов от генератор 1. Споиходом первого управляющего импульса блок 3 устанавливает на своихвыходах, подключенных к записывающим электродам 14(1)-114(1)-М 25высокий отрицательный потенциал накороткое время, равное длительностиуправляющего импульса генератора 1.Длительность управляющего импульсавыбираешься таким образом, что иссле- зодуемый сигнал за время длительности импульсов не изменялся. За времядействия первого управляющего им. пульса зарядовые пакеты, коорыеобразуются в р-и-переходах 151)-1,35,1(1)-М й каждый из которыхпропорционален значению исследуемого сигнала в момент действия первого импульса, причем зарядовыепакеты одинаковы, переекаю под дей-ствием более высокого отрицательного потенциала на электродах 13(1)-1,,13(1) -М хранения зарядовых пакетов под соответствующие электроды 13 (1) -113 (1) -М хранения,приходом второго, третьего и т.д.,импульсов от генеоатора 1 устанавливаются высокие отрицательные потенциалы, соответственно на записываю"щих электродах 14(2)-1, ,14,2)-М;14(3)-114(3)-М и т,д. Описанные процессы повторяются. По окончании длительности исследуемого сигнала под электродами хранения находятся зарядовые, пакеты, величина55заряда которых пропорциональна соответствующим значениям выборок исследуемого сигнала, взятых периодически с интервалом, равным пеоиоду сле" 18 6дования управляющих импульсов (периодследования управляющих импульсов свя"эан с шириной спектра исследуемого сигнала обобщенной теоремой Коте"льникова). Число выборок сигналаравно М,.где МаТ/Ту, Т - длительность исследуемого сигнала, Т- пери"од следования управляющих, импульсовнегератора 1, Причем под электродами13(1)- 1 13(1) -М хранения хранятся одинаковые зарядовые пакеты, вели"чина заряда каждого из которых пропорциональна значению первой выборкиисследуемого аигнала, под электродами 13(2)- 1,13(2)-М хранениявторой выборки и т,д. Процесс записи выборок сигнала в виде зарядовыхпакетов заканчиваешься к моменту времени Т+Т, где Т- длительность переходного процесса прибора с заря"довой связью, т.е, к моменту поступления М+1-го управляющего импульса.К этому моменту времени после поступления и окончания М-го.управляющего импульса потенциал на записывающих электродах повышается и устанавливается близким к нулю,При поступлении М+1-го управляющего импульса с выхода генератора 1на вход блока 3 формирования потенциалов на выходах последнего, подключенных к вторым передаоцим электродам, потенциал которых в исходномсостоянии близок к нулю, устанавли"вает ся высокий отрицательный потенциал, но не выше, чем отрицательный потенциал распоеделительного электро"да. Причем высокий отрицательный потенциал устанавливается не на всехвторых передающих электродах 12(1)12(М), а только на их части, котораязадается блоком 4 управления и определяется частотой Щ, на которойопределяется ортогональная составляющая спектра, пропорциональнаясумме Е 5 (п -1) Т 151 па (и) Ту(здесь 1,с) - исследуемый сигнал,5 п -1 ) Т - выборки исследуемого сиг.нала),.если определяется синуснаясоставляющая спектра, либо суммеБ 1 п) ТУ 1 соэИ,(п "1) Ту,если определяет ся косинусная сост авляющаяспект ра, причем ВК= 2 К%(М) Ту. При установлении высокого отрицательного потенциала на части вторых передающих электродов с указанными номерами зарядовые пакеты, находя" щиеся под эдектродами хоанения с(1) 7 91711соо 1 ветствующими номерами, пеоеходятпод распределительный электрод 11соответствующей ПЗС-с 1 руктуры 8.Причем под распределительный электрод каждой ПЗС-с 1 руктуры переходиттолько один зарядовый пакет,Через время Ти 1 на вторых переда"ющих электродах 12(1)-112(2)-3устанавливается прежний потенциал,а на первых передающих элек 1 родах10-110-М устанавливается высокий отрицательный потенциал (но невыше, чем на выходных электродах9- 1, ,9-М) и зарядовые пакеты переходят под соответс 1 вующие выходныеэлектроды 9;19-М. По выходным шинам 16-1 и 16-2 протекают 1 оки, причем 1 ок, про 1 екающий по шине16- 1, пропорционален, величинеЙ(1- )Ц.20ю иа 1 ок, протекающий по шине 16-2величине(здесь (1 - величина заряда в и"омзарядовом паке 1 е), При этом на выходедифференциального усилит еля 5 Фоб,мируе 1 ся напряжение, пропооциональное величинеН и 1 ии=Так как выходные электроды разрезаны по синусоидальному закону, т,е.площадь электрода изменяе 1 ся по сиЭ 5нусоидальному закону (фиг,3), токоэффициент 5 изменяется с изменением номера по синусоидальному закону, Таким образом, величина (1) пропорциональна значению синусной сос 1 ав-,ляющей спектра исследуемого сигналана частоте И,После окончания процесса Формирования выходного напряжения (черезвремя Т ) дифференциального усили 1 еля потенциал выходных электродов9-1, ,9-М ус 1 анавливается большимпотенциалов первых передающих электродов 10- 1, , 10-М,потенциал которыхв свою очередь, больше потенциала распре 50делительных электродов 11-111-М, изарядовые пакеты переходят под соответствующие распределительные электроды, По истечении. времени Т ( после окончания переходного процесса)по 1 енциал группы вторых. передающихэлектродов, номера которых соответствуют номерам электродов хранения,под которыми не 1 зарядовых пакетов,ус 1 анавливае 1 ся высоким отрицатель" ным, но не выше, чем на электродах хранения, а на распределительных электродах по 1 енциал устанавливается близким к нулю. При этом зарядовые паке 1 ы возвращаются под прежние электроды хранения. Через интервал времени Т потенциалы указанной группы вторых передающих электродов устанавливаются близкими к нулю, схема возвращается в исходное состояние.Для измерения ортогональной составляющей спектра на другой частотейблок 4 управления разрешае 1 ус 1 ановление высоких о 1 рицательных по 1 енциалов блоку 3 формирования потенциалов другой соо 1 ветствующей И группе. вторых передающих электродов 12, Описанные процессы формирования ор 1 огональных составляющих спектра исследуемого сигнала повторяются, Время измерения ортогональной составляющей спек 1 ра равно суммарному времени передачи зарядовых паке 1 ов от электродов хранения к выходным электродам и обра 1 но, т.е. Т = 4 ТТаким образом, на выходе дифференциального усили 1 еля 5, являющемся выходом анализатора, формируется последоват ельнос 1 ь равноотстоящих на время Т импульсов, длительность каждого из которых равна Т , а ампли 1 уда пропорциональна значению соо 1 ве 1 с 1 вующей ор 1 огональной составляющей спектра исследуемого сигнала. Длительнос 1 ь этой последовательности импульсов при полном анализе спек 1 ра равна 4(М)Ти, Величина Т для ПЗС может достигать величины долей микросекунд и менее, поэтому время воспроизведения спектра может быть значительно меньше длительностя сигнала Т, и в большинстве случаев может быть одного порядка с Т, т,е, анализа 1 ор работает в реальном времени. После окончания процесса воспроизведения ор 1 огональных составляющих спектра,т.е. в момент времени (М) хТ+Т +4 (М) Тпотенциалы всех записывающих элек 1 родов 14 устанавливаются значительно ниже потенциалов всех вторых передающих электродов 12, и зарядовые пакеты перетекают в р-области соо 1 ветствующих р-и-переходов 15, после чего схема готова к следующему циклу работы (анализа),9 91711 который начинаез ся в момент времени (й" 1) Т+2 Т+1 (й) Т .Таким образом, анализатор может воспроизводизь бртогональные сосзавляющие спектра сигнала длизельносзью Т с временем воспроизведения (М+2)Т, з.е. практически в реальном времени.Анализатор орзогональных состав" ляющих спекзра электрических сигна" лов озлицаезся упрощением схемы уст- . 1 О ройсзва и ее технической реализацией при заданной точности анализа и больших базах анализируемого сигна" ла за счет исключения 2 В+1 (где В база сигнала, равная произведению по ь лосы анализа на длительность анали" зируемого сигнала) аналоговых балансных суммазоров-интеграторов с 2 В+1 входами каждый и других аналоговых элементов и узлов выполнения анализа- О зара на дискрез ных элемензах и ПЗС, а закже повышением стабильности за счет устранения большого колицесз" ва аналоговых элемензов и узлов в анализаторе, усзранением влияния не- р 5 точности их усзановки и стабильности параметров на зоцность анализа ( например стабильность позенциалов на электродах ПЗС предлагаемого анализатора, нестабильность длизельносзи импульсов блока формирования потенциалов и моментов переключения их также не сказываются на сзабильности парамезров предлагаемого анализатора), и обеспечением существенной микроминиатюризации устройства за счез выполнения анализатора на основе ПЗС с монолизной сзрукзурой.40формула изобрезения1. Анализатор орзогональных сос" завляющих спекзра электрических сигналов, содержащий последовазельно со-.единенные генеразор периодической последовазельносзи управляющих им" пульсов, блок управления и блок Формирования потенциалов, а закже согласующий каскад, вход которого соеди 8 10нен с входом анализатора, о т л ич а ю щ и й с я зем, цзо, с цельюповышения стабильности и обеспечения микроминиатюризации устройства,он снабжен последоваз ельно соединен"ными сзрукзурой на основе приборовс зарядовой связью и дифференциальным усилителем, причем позенциальныевходы упомянутой сзрукзуры и дифференциального усилителя подключены кпервым выходам блока Формированияпозенциалов, сигнальный вход структуры на основе приборов с зарядовойсвязью подключен к выходу согласующего каскада, а выход дифференциаль"ного усилителя соединен с выходоманализазора.2. Анализазор по п.1, о з л ич а ю щ и й с я зем, чзо структурана основе приборов с зарядовой связью выполнена на подложке с проводимосзью и-зипа и сосзоиз из расположенных на подложке частичных сзрукзурна основе приборов с зарядовой связью, не находящихся между собой в зарядовой связи, каждая из козорых выполнена в виде последоваз ельно рас"положенных выходного электрода, первого передающего элекзрода, распределительного электрода, группы вторых передающих электродов группыэлектродов хранения группы запи"сывающих элекзродов и группы р-и -переходов, выходных шин и шины вход"ного сигнала, причем р-и -переходыподключены к шине входного сигнала,выходные электроды подключены к выходным шинам, группы записывающихэлекзродов, взорых передающих элек- .тродов и электродов хранения, а также распределительный и первый передающий электроды подключены к соотвез сз вующим позенциальным входамструктуры.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРИ й 56226, кл, С 01 й 23/00 1973.2. Е 1 есйгоп ЬейС, 1977, 13 М 15917118Составитель Л. Устинова Редактор А. Лежнина Техред Д, Бабинец Корректор НШвыдкая мЗаказ 1881/65 . . Тираж 719 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Я, Раувская наб., д.4/5Филиал ППП "Пазенч ", г.Ужгород, ул.Проектная, 4