Методи та засоби перетворення однократних часових інтервалів в системах вимірювання та керування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРЬКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ОДНОКРАТНИХ ЧАСОВИХ ІНТЕРВАЛІВ В СИСТЕМАХ ВИМІРЮВАННЯ ТА КЕРУВАННЯ

Кадацька Ольга Йосипівна

Харків 1999

Анотації

дальнометрія часовий інтервал імпульс

Кадацька О.Й. Методи та засоби перетворення однократних часових інтервалів в системах вимірювання та керування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Харківський державний політехничний університет, Харків, 1999.

Робота є розвитком теоретичних і практичних досліджень по створенню аналого-цифрових перетворювачів частотно-часової групи, принцип роботи яких заснований на методі збігу імпульсів. Встановлено, що масштабно-часове перетворення однократного часового інтервалу призводить до появи пакету збігів двох регулярних імпульсних послідовностей близьких частот проходження, визначення тривалості якого на низькій частоті здійснюється з високим ступенем точності. Запропоновано методи перетворення однократного часового інтервалу, які мають малу методичну похибку, алгоритми і структури для їхньої реалізації. Визначені основні дестабілізуючі чинники і досліджені основні похибки перетворення, кількісні оцінки яких свідчать про високу точність перетворення запропонованих методів, та можливість використання таких перетворювачів в системах автоматичного керування просторовим місцеположенням об'єктів.

Ключові слова: імпульс, перетворення, часовий інтервал, похибка, пакет збігу, послідовність, різницево-періодна міра.

Kadatskaya О.I. Methods and means of unitary time intervals transformation in measurement and control systems. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.05 - elements both devices of computer facilities and control systems. - Kharkov State Polytechnic University, Kharkov, Ukraine, 1999.

The work is development of theoretical and practical researches on creation analog-digital converters frequency - temporary groups, the principle of which work is based on a method of concurrence of pulses. Is established, that the scale-temporary transformation of a unitary time interval results in occurrence of a package of concurrences of two regular pulse sequences of close frequencies of following, the definition of which duration on low frequency is carried out with a high degree of accuracy. The ways of transformation of a unitary time interval having a small methodical error, algorithms and structures for their realization are offered. The certain(determined) basic unstabilizing factors and the basic errors are investigated, which quantitative estimations testify to high accuracy of transformation of offered ways, and possible used this transformer in automatical system driver space situated of objects.

Key words: a pulse, transformation, temporary interval, error, package, concurrences, sequence, difference-perioding a measure.

Кадацкая О.И. Методы и средства преобразования однократных временных интервалов в системах измерения и управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Работа является развитием теоретических и практических исследований по созданию аналого-цифровых преобразователей частотно-временной группы, принцип работы которых основан на методе совпадения импульсов для их использования в качестве элемента систем управления. В результате проведенных исследований определены требования, предъявляемые к преобразователям коротких одиночных временных интервалов системами управления пространственным положением объектов, системами ближней дальнометрии.

Установлено, что при совмещении во времени двух регулярных импульсных последовательностей близких частот следования образуются пакеты совпадений. При этом происходит масштабно-временное преобразование однократного временного интервала. В результате такого преобразования длительность измеряемого интервала трансформируется в длительность импульса, являющегося огибающей пакета совпадений. Кроме того, осуществляется перенесение высокой частоты следования регулярных импульсных последовательностей на низкую частоту следования пакетов. Определение длительности пакетов совпадений дает величину искомого однократного интервала времени. Разработан метод параллельного осреднения с использованием разностно-периодной меры, определяемой в результате совпадения импульсных последовательностей пакетами, предложено уравнение преобразования. Для осуществления статистического осреднения с целью повышения точности измерения однократного временного интервала вводятся дополнительные каналы преобразования. Измеряемый интервал времени подвергается преобразованию в таких каналах. При этом время преобразования увеличивается на наибольшее время задержки соответствующего канала.

Усовершенствован нониусный метод измерения, снято ограничение по точности, вызываемое конечной длительностью импульсов основной и нониусной частот следования. Получены аналитические выражения, описывающие нониусный метод преобразования с использованием совпадений импульсов пакетами, являющиеся инвариантными относительно значений частот основной и нониусной последовательностей, а следовательно и их нестабильностей.

Разработан способ преобразования длительности одиночных импульсов в цифровой эквивалент. Получено уравнение преобразования, позволяющее осуществлять такое преобразование с высокой степенью точности. Масштабно-временное преобразование исследуемого импульса в пакет импульсов позволяет измерить временной интервал, задаваемый пересечением переднего фронта импульса и его среза с осью времени, то есть получать цифровой код, эквивалентный длительности импульса.

Определены основные дестабилизирующие факторы и исследованы основные погрешности преобразования. Получены аналитические выражения для оценки методических и инструментальных погрешностей. Количественные характеристики этих погрешностей свидетельствуют о высокой точности преобразования предлагаемых способов.

На основе использования методов логического синтеза цифровых автоматов и метода совпадения импульсов разработаны структуры ПВК однократных временных интервалов, реализующие предложенные способы преобразования. Техническая реализация с использованием современной элементной базы широкого применения гарантирует возможность промышленного выпуска разработанных устройств.

Проведены экспериментальные исследования нониусного метода совпадений импульсов пакетами. Осуществлено моделирование методов параллельного осреднения с использованием разностно-периодной меры при помощи микропроцессорного устройства. Разработаны встроенные средства обработки результатов преобразования длительности одиночного импульса в цифровой эквивалент.

В результате проведенных исследований разработаны методы преобразования однократных временных интервалов и осуществлена их техническая реализация. Полученные устройства имеют широкий диапазон и высокую точность преобразования. Это дает возможность использования их в системах управления пространственным положением объектов при сближении объектов на малые расстояния, расширяет круг задач, решаемых системой управления.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Досягнення сучасної обчислювальної техніки відкривають нові можливості контролю і керування в багатьох галузях людської діяльності. Впровадження ЕОМ в системи керування неможливо без використання перетворювачів безперервних величин самого широкого класу. Висока точність функціонування об'єктів керування і їхня надійність забезпечуються за умови отримання вірогідних і точних знань їхніх найважливіших характеристик, у тому числі і часових.

При рішенні науково-технічних проблем, що виникають у багатьох природничих і технічних науках, з'являються задачі високоточного вимірювання інтервалів часу з урахуванням реальних характеристик досліджуваних явищ, процесів, об'єктів. Такий процес може характеризуватися виникненням однократного часового інтервалу у зв'язку з неможливістю або високою вартістю його повторення.

Прецизійне перетворення безперервної часової інформації в цифровий еквівалент визначає потребу в розробці аналого-цифрових перетворювачів, заснованих на високоточних методах виміру. Висока точність перетворення отримана для перетворювачів періодичних часових інтервалів у код, побудованих за методом збігу. Розвитком зазначеного методу є метод збігу імпульсів пакетами. При вимірюванні достатньо протяжного інтервалу зберігається значимість методу прямого підрахунку і в нинішній час, це обумовлене розвитком нових технологій і появою високочастотних серій елементів. Для коротких однократних часових інтервалів застосовуються різноманітні методи масштабно-часового перетворення, у тому числі ноніусний, методи час-амплітудного перетворення, які мають обмеження по точності, динамічному діапазону. У зв'язку з цим, актуальною задачею є розробка і дослідження нових методів перетворення однократних часових інтервалів у цифровий еквівалент, які мають малу похибку перетворення і поєднують переваги цифрової обробки інформації та простоту технічної реалізації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження і розробки проводились відповідно тематичному плану науково-дослідних робіт ХТУРЕ на 1992-1998р., затвердженому Міністерством освіти України, у рамках держбюджетних тем "Дослідження і розробка перспективних засобів проектування електронних систем і їх застосування в навчальному процесі в комп'ютерній інженерії" (№453-2), "Розробка системи моделювання засобів обчислювальної техніки" (№279-1), "Нові архитектурні принципи побудови систем обробки відеозображень в реальному масштабі часу" (№462-1) та при розробці теми "Створення наземної космічної мережі радіотелескопів для дослідження об'єктів дальнього космосу" по держконтракту № 2.2.1-98 "Інтерферометр" між Космічним агентством України та Радіоастрономічним інститутом НАН України.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є створення методів та структур аналого-цифрового перетворення однократних часових інтервалів і тривалості одиночних імпульсів із використанням методу збігу імпульсів пакетами і призначених для використання в системах ближньої дальнометрії та інших системах.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- підвищення розділювальної спроможності і точності перетворювачів однократних часових інтервалів у широкому динамічному діапазоні для систем керування і вимірювання;

- розробка і дослідження методу паралельного осереднення з використанням різницево-періодного кванту;

- дослідження можливостей удосконалення ноніусних перетворювачів;

- розробка і дослідження ноніусного методу з використанням пакетного збігу імпульсів;

- розробка і дослідження методу і технічних засобів перетворення тривалості одиночного імпульсу в код;

- визначення основних дестабілізуючих чинників запропонованих методів і дослідження похибок перетворення, обумовлених цими чинниками;

- розробка технічних засобів, які реалізують запропоновані методи перетворення.

Методи дослідження засновані на засобах теорії ймовірностей і математичної статистики, інформаційної теорії вимірів, спектрального аналізу, теоретичних основ інформаційно-вимірювальної техніки. Для дослідження процесу утворення різницево-періодної міри застосовувалися методи теорії збігів імпульсних потоків.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:

- проведено аналіз придатності методу збігу регулярних імпульсних потоків і обгрунтована доцільність застосування методу збігу імпульсів пакетами для вимірювання однократних часових інтервалів в прецизійних вимірниках, які можуть бути використані в системах ближньої дальнометрії для керування просторовим положенням об`єктів;

- розроблено метод паралельного осереднення для виміру часового інтервалу з використанням різницево-періодного кванту, отримана математична модель методу і алгоритм його реалізації;

- розроблено ноніусний метод перетворення часових інтервалів на основі пакетного збігу імпульсів, отримане відповідне рівняння перетворення;

- запропоновано спосіб вимірювання тривалості одиночного імпульсу, отримано аналітичний вираз, що описує процес перетворення, показано використання таких перетворювачів в системах вимірювання координат обєктів. Новизна способу підтверджена патентом Російської Федерації;

- розроблено технічні засоби, які реалізують запропоновані методи перетворення часових інтервалів, новизна технічних рішень підтверджена авторськими свідоцтвами на винахід.

Практична цінність роботи полягає в тому, що запропоновані методи дозволяють здійснювати перетворення однократних часових інтервалів з високою точністю, що досягає величин порядку одиниць пікосекунд. Розроблено схеми пристроїв, які реалізують дані методи, для застосування в прецизійних вимірниках часових интервалів та їх використання при створенні систем автоматичного керування просторовим місцезнаходженням обєктів. Спосіб і технічні рішення, реалізовані у перетворювачі тривалості одиночних імпульсів, були використані при створенні наземної космічної мережі для вимірювання координат космічних штучних тіл у Радіоастрономічному інституті НАН України. Наукові положення, висновки і рекомендації, викладені в дисертації, були використані при підготовці курсів “Периферійні пристрої ЕОМ, мереж і систем”, ”Системи цифрової обробки інформації” на кафедрі ЕОМ Харківського державного технічного університету радіоелектроніки.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] автором запропоновано удосконалення ноніусного методу перетворювання часових інтервалів. Роботи [2-4] написані особисто автором. В роботі [5] автором запропоновано спосіб перетворення тривалості одиночного імпульсу в цифровий еквівалент, рівняння перетворення, розробка процесу перетворення. В роботах [6, 7] автором розроблено схемні реалізації паралельного осереднення. В роботі [8] автором отримано рівняння перетворення ноніусного методу, та його схемна реалізація. У роботах [9, 10] автором розроблено метод паралельного осереднення з використанням різницево-періодної міри, запропоновано рівняння перетворення, схемна реалізація методу. Робота [11] написана особисто автором. У роботі [12] автор оцінив можливості точного вимірювання часових інтервалів запропонованим методом.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і пройшли обговорення на Республіканській науково-технічній конференції “Структурні методи підвищення точності, чутливості і швидкодії вимірювальних приладів і систем” (Житомир, 1985р.), на III Всесоюзній науково-технічній конференції “Метрологія в дальнометрії” (Харків, 1988р.), 2-ій та 3-ій Міжнародних конференціях “Теорія та техніка передачі, прийому та обробки інформації” (Туапсе, 1996р., 1997р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 12 друкованих роботах, із них у 4 статтях, 1 патенті, 4 авторських свідоцтвах, 2 депонованих наукових працях, 1 у працях Всесоюзної науково-технічної конференції.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, пяти розділів і висновку, включає бібліографію з 104 найменувань, 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 184 сторінки, в тому числі 119 сторінок тексту, 25 малюнків.

2. Змiст роботи

У вступi обгрунтовується актуальнiсть теми, формулюється мета роботи, наводиться її наукова новизна та практична цінність.

У першому роздiлi розглянуто галузі використання перетворювачiв однократних часових iнтервалiв, їх особливостi, та проведено аналіз існуючих методiв перетворення. До галузей використання перетворювачів однократних часових інтервалів можуть бути віднесені системи керування просторовим місцезнаходженням об'єктів, вимірювання лінійних переміщень в системах керування, геодезія, радіо- і оптична локація, вимірювання електричних і перетворених в електричні величин, електронні методи виміру в ядерній фізиці.

Дана робота є розвитком теоретичних та практичних результатiв дослiджень по створенню АЦП величин частотно-часовоi групи, принцип роботи яких заснований на методi збiгу iмпульсiв. Розглянуто клас методiв аналого-цифрового перетворення однократних iнтервалiв часу, їх переваги i недолiки. Показано, що найбiльш високу точнiсть має метод пакетного збiгу iмпульсiв. Здiйснено постановку задачі дослiдження, обгрунтовано мету дослiдження.

Другий розділ присвячений розробці методу паралельного осереднення з використанням різницево-періодної міри.

Використовуючи співвідношення теорії імовірності показано, що протяжний однократний часовий інтервал може підлягати статистичному осередненню при паралельному його перетворенні в n каналах. В кожному з каналів отримано значення невідомої величини t_x часового інтервалу, що дорівнюють t_x1,..., t_xn. Осереднене значення часового інтервалу t_x, що вимірюється, матиме вигляд:

, (1)

де N_xi - цифровий еквівалент i-тих інтервалів часу;

n₁ - число додаткових каналів перетворення;

n - загальне число додаткових каналів перетворення, n=n₁+n₂;

T₀ - період повторення квантуючих імпульсів.

Випадковий розкид параметрів ліній затримки, на яких отримані t_x1,..., t_xn інтервалів, забезпечує випадковий характер появи стартових і стопових імпульсів в інтервалі T₀, що є періодом повторення імпульсної послідовності. При цьому час перетворення збільшиться на найбільший час затримки відповідної лінії затримки _{лз max}. Показано, що кінцева тривалість імпульсів послідовностей, розглянутих в такому перетворенні, призводить до появи часової невизначеності, викликаної збігами стартових і стопових імпульсів з квантуючими.

На основі дослідження математичної моделі процесу збігу регулярних імпульсних послідовностей виділені режими збігу, що відрізняються різною величиною модуля різниці t=|T₁-T₀| періодів повторення T₁ і T₀ збіжних потоків:

- тривалості імпульсів обох послідовностей ф рівні величині t, тобто = t;

- тривалості імпульсів обох послідовностей більше величини модуля різниці періодів, тобто ф>t або ф>>t.

У першому випадку результуючий потік імпульсів являє собою одиночні регулярні збіги імпульсів, у другому - збіг імпульсів пакетами. Частота проходження результуючого потоку в обох випадках дорівнює різницевій частоті f_p=f₀ - f₁, число імпульсів у пакеті збігу визначається як . Тут f₀ і f₁ - близькі частоти проходження збіжних потоків із періодами повторення Т₀ і Т₁. Відомо, що підвищення розділювальної здатності і точності перетворення може бути досягнуте при використанні збігу імпульсів пакетами.

У роботі для усунення часової невизначеності, викликаної збігами стартових і стопових імпульсів із квантуючими при перетворенні з паралельним осередненням, будемо використовувати різницево-періодну міру (РПМ):

. (2)

Слід зазначити, що в цьому режимі збігів відбувається масштабно-часове перетворення часових інтервалів, обумовлених параметрами вхідних регулярних імпульсних потоків. Одна із збіжних імпульсних послідовностей має період повторення 2Т₀, інша - послідовність затриманих на лініях затримки стартового і стопового імпульсів у відповідних каналах перетворення. Найбільш прийнятною оцінкою тривалості досліджуваних інтервалів є фіксація на часовій вісі центрів пакетів збігу. Рівняння перетворення, обумовлене методом паралельного осереднення, має вигляд:

t_x = (n_ц2 + N n/2 - n_ц2^')t, (3)

де n_ц2, n'_ц2 - номер центрального імпульсу пакета збігів в стартових і стопових каналах відповідно;

N - цифровий еквівалент інтервалу часу, відповідний повному числу періодів квантуючої частоти між стартовим і стоповим імпульсами.

Номери центральних імпульсів пакетів збігу в стартових і стопових каналах, що входять в (3), визначаються як:

n_ц2=N₀+N₁/2, (4)

n'_ц2=N'₀+ N'₁ /2, (5)

де N₀, N'₀ - число позицій, що відповідають стартовому або стоповому потокам, що не співпали з другим імпульсом потоку з періодом повторення Т₀ і (або) імпульсам зазначених потоків, що співпали, з амплітудою, недостатньою для преключення елементів схеми;

N₁, N'₁ - число одиниць, відповідних імпульсам стартового або стопового потоків, що співпали з потоком, який має період повторення 2Т₀.

Квантом в даному методі є величина різницево-періодної міри t.

У роботі показано, що для утворення в стартовому і стоповом каналах по одному пакету збігів означених збіжних потоків, необхідно виконання умови t=2T₀/n.

При визначенні точності перетворення методу паралельного осереднення з застосуванням різницево-періодної міри встановлені основні дестабілізуючі чинники, що є причинами виникнення інструментальної і методичної похибок. Показано, що методичною похибкою перетворення є величина різницево-періодної міри t. Результати аналізу процесу перетворення свідчать про те, що для режиму збігу імпульсів пакетами характерна наявність похибок через короткочасну нестабільність частот застосовуваних генераторів імпульсів, а також випадкових електричних флуктуацій, що діють у вузлах перетворювача. Зміна числа імпульсів пакету збігу, що викликається короткочасною нестабільністю частоти, дорівнює

. (6)

Невизначеність числа імпульсів пакета збігу, що визначається діючим значенням теплового шуму U_ш, має вигляд:

, (7)

де К_u - коефіцієнт крутизни фронту імпульсів збігу. Значення величини U_ш визначається рівнянням Найквіста.

Використання принципу вирівнювання частинних похибок інструментального характеру для методу паралельного осереднення з використанням різницево-періодної міри дозволило знайти оптимальне значення різницевої частоти f_p, при якому рівні похибки через теплові шуми (7) і нестабільність частот (6). Зниження похибки перетворення може бути досягнуто шляхом зменшення величини різницевої частоти, але при цьому величина інструментальної похибки зростає. Це призводить до необхідності застосування кварцевих генераторів з малою нестабільністю частоти 10^-10 с та менше. Похибка перетворення для інтервалів тривалості 500 пс складає величину 0,4 пс.

У третьому розділі на основі дослідження основних складових похибки ноніусного методу перетворення показано, що існує похибка, що викликається кінцевою тривалістю імпульсів потоків генератора основної і ноніусної частоти. Це призводить до збігу імпульсів розглядуваних потоків пакетами і є перешкодою в подальшому вдосконаленні ноніусних вимірників часових інтервалів.

При розробці ноніусного методу перетворення з використанням РПМ, пропонується застосування означеного недоліку для підвищення точності перетворення. Відзначається, що в режимі збігів пакетами відбувається масштабно-часове перетворення основної і ноніусної послідовностей. Для уточнення похибок квантування початку і кінця інтервалу часу, що вимірюється, застосовано принцип двохканальності. Часові інтервали t₁ і t₂, що є похибками квантування початку і кінця в реальному масштабі часу, трансформуються в тривалості пакетів збігів у стартовому і стоповому каналах відповідно. Різницева частота f_p проходження пакетів є при цьому низькою частотою. Період проходження Т₀ основної частоти, на якій утворені часові зсуви t₁ і t₂, перетворюється в періоди проходження пакетів Т_р1 і Т_р2 у стартовому і стоповому каналах відповідно.

Часові інтервали t₁ і t₂, що підлягають перетворенню в стартовому і стоповому каналах, визначаються таким чином:

t₁=n₁₀ (T₁ - T₀), (8)

t₂=n₀₂ (T₀ - T₂), (9)

де Т₁ і Т₂ - періоди повторення ноніусних потоків в стартовому і стоповому каналах відповідно;

n₁₀ - число імпульсів періоду повторення Т₁ від стартового імпульсу до середини пакету збігу в стартовому каналі;

n₀₂ - число імпульсів періоду повторення Т₂ від стартового імпульсу до середини пакету збігу в стоповому каналі.

Різниця періодів повторення Т₁ і Т₀ імпульсів основної і ноніусної частоти в стартовому каналі і періодів повторення Т₀ і Т₂ імпульсів основної і ноніусної частоти в стоповому каналі, що визначаються як РПМ (2) t₁₀ і t₀₂ стартового і стопового каналів, знаходяться слідуючим чином:

, (11)

де f_p1, f_p2 - різницева частота в стартовому і стоповому каналах відповідно.

Величини n₁₀ і n₀₂, що входять у вирази (8) і (9), визначені як

n₁₀=N₁₁ -+N'₁, (12)

n₀₂=N₂₁ -+N'₂, (13)

де N₁₁, N₁₂, N₂₁, N₂₂ - число імпульсів в першому і другому пакетах збігів в стартовому і стоповом каналах відповідно;

N'₁ - число імпульсів частоти f₁, підраховане за часовий інтервал від стартового імпульсу до імпульсу початку пакету збігу;

N'₂ - число імпульсів періодів повторення Т₂, які пройшли від стопового імпульсу до імпульсу початку пакету збігу.

Аналіз виразів (8), (9) показав, що домінуючими похибками і в цьому випадку є похибки від нестабільності частоти f₁ і f₂, якщо зйом вимірювальної інформації здійснювати традиційно. Подальшого підвищення розділювальної спроможності і точності можна домогтися, здійснюючи процес перетворення у вигляді

n₁₀=N₁ -, (14)

n₀₂=N₂ -, (15)

де N₁ і N₂ - число імпульсів потоків з періодами повторення Т₁ і Т₂ від моменту пуску відповідних генераторів до кінця першого пакету збігів в стартовому і стоповому каналах.

Відзначається, що коефіцієнт масштабно-часового перетворення визначається як К_i=Т_рі/Т₀, при і=1,2. При постійному коефіцієнті трансформації протягом циклу перетворення аналітичні вирази для інтервалів t₁ і t₂ визначені як

t₁=, (16)

t₂=, (17)

де N_p1, N_p2 - число імпульсів, відповідне періодам різницевих частот в стартовому і стоповому каналах відповідно. Значення t₁ і t₂, знайдені таким чином, інваріантні щодо значень частот f₁ і f₂, а отже і їх нестабільностей.

Розглянуто механізми виникнення загальної похибки збігу ноніусного методу перетворення з використанням РПМ, що складається з методичної і інструментальних похибок.

Максимальне значення методичної похибки в реальному масштабі часу при f₀f₁f₂=f складає величину

.

Таке ж значення методичної похибки на різницевій частоті, виражене через число періодів повторення Т₀, має вигляд:

, (18)

де Т_р - еквівалент різницево-періодної міри t;

Т_р =f_p^-1 - період різницевої частоти.

Значення N_M дорівнює одному періоду повторення імпульсної послідовності, на якій досліджується інтервал часу, що перетворюється.

Зміна кількості імпульсів пакетів в стартовому і стоповому каналах за рахунок теплових шумів визначається виразом

N_ш=. (19)

Похибка перетворення, обумовлена нестабільністю частоти, яка виражена в зміні кількості імпульсів пакетів, дорівнює

. (20)

Геометричне складання означених похибок (18,19,20) дає оцінку максимального значення похибки кодів від зміни кількості імпульсів пакету

. (21)

Максимальне значення похибки перетворення ноніусного методу з використанням РПМ та врахуванням (21) визначається виразом:

, (22)

де i=1, 2.

Значення СКО складає величину 5,6 пс за результатами 30 вімірювань інтервалу часу тривалістю 400 пс.

Четвертий розділ присвячений розробці способу перетворення тривалості одиночного імпульсу в цифровий еквівалент.

Масштабно-часове перетворення вхідного сигналу здійснено за допомогою пакетного збігу імпульсів двох регулярних імпульсних послідовностей. Імпульс тривалості t_x, що перетворюється, багаторазово повторюється на двох (n-1)-розрядних лініях затримки, у результаті чого утворюються дві послідовності імпульсів із періодами повторення Т₁ і Т₂ і різницево-періодною мірою t=Т₂-Т₁. Далі формується пакет збігу шляхом логічного перемноження розглянутих послідовностей, а потім фіксується число імпульсів пакету, що співпали повністю. Розгляд пакету збігу в вигляді інтегрального сигналу дозволяє відзначити, що в даному випадку відбувається трансформація спектру і часових параметрів вихідних імпульсних потоків. Дослідження процесу перетворення вхідного імпульсу в більш протяжний, що є огибаючою пакету збігів, показали, що коефіцієнт масштабно-часового перетворення визначиться слідуючим чином:

,

де Т_р - період повторення пакетів імпульсів;

Т₁ - період повторення вхідного імпульсу;

t_x - тривалість досліджуваного імпульсу;

_n - тривалість пакету збігів.

Показано, що число позицій імпульсів пакету збігів, відповідних імпульсам, що співпали, з амплітудою, недостатньою для переключення вузлів перетворювача, визначається шляхом інверсного квантування і утворення додаткових пакетів. Їхнє розташування в результуючему пакеті визначається наступним чином:

де k - номер місцеположення імпульсу в додатковому пакеті.

Рівняння перетворення даного способу має вигляд:

t_x=[(N₁+1) +2 (N'₀-1)]t\={(N₁+1) +2[(n-1)- N'₁]} t, (24)

де N₁ - цифровий еквівалент тривалості імпульсу, який обмежений порогом переключення схем збігу (пряме квантування);

N'₁ - цифровий еквівалент половини тривалості імпульсу з амплітудою, розташованою нижче порогу переключення схем збігу (інверсне квантування);

N'₀ - число імпульсів додаткового пакету збігу (нульовий пакет);

n - число додаткових каналів виміру.

Діапазон виміру тривалості імпульсів, що вимірюються (24), визначений як

t=t_{x min}<t_x t_{x max}=t_n.

Проведено аналіз похибок перетворення запропонованого способу, методична похибка якого дорівнює різницево-періодній мірі

t_m=t=t_{лз (i+1)} - t_лзі, (25)

де t_лзі - час затримки i - тої лінії затримки.

Результати аналізу процесу перетворення показали, що для даного способу характерно наявність інструментальних похибок, які викликаються термодінамічними флуктуаціями та викривленням імпульсів у лініях затримки. Зміна числа імпульсів пакету, обумовлена наявністю термодінамічного шуму, визначається як

, (26)

де U₀ - максимальне значення амплітуди імпульсів.

Проведено аналіз викривлення імпульсів у лініях затримки, запропонована програма розрахунку, знайдено значення зміни числа імпульсів пакету N_лз від його дії. Абсолютне значення сумарної похибки перетворення тривалості одиночного імпульсу має вигляд:

t_x= (2N'₀N₁ -N₁N'₀) t, (27)

де N₁, N'₀ - похибки кодів N₁ і N'₀, визначені з урахуванням (25), (26), значення N_лз та аналогічно (21).

Кількісні оцінки часової невизначеності, обумовленої зазначеними чинниками, склали величину t_лз=10^-13с для імпульсу тривалості, рівної 1нс, похибка перетворення (27) дорівнює 2,7 пс. Для часових затримок наносекундного діапазону калібровані лінії затримки, побудовані на коаксіальному кабелі, можуть бути відкалібровані з точністю 10^-14 нс. Застосування таких ЛЗ дозволить підвищити точність перетворення.

У п'ятому розділі запропоновано технічну реалізацію структур ПЧК, заснованих на запропоновних методах, які виконані з застосуванням синтезу цифрових автоматів. Для отримання результату виміру тривалості часового інтервалу за методом паралельного осереднення застосовується типова структура МПС і програма, моделююча процес перетворення. Технічна реалізація ПЧК здійснена з урахуванням сучасного рівня розвитку номенклатури серій інтегральних мікросхем, що випускаються. Наведено результати експериментальної перевірки вдосконаленого ноніусного методу і його розрахункові кількісні оцінки, які повністю підтверджують отримані теоретичні результати. З метою обробки результатів перетворення в реальному масштабі часу для перетворювача тривалості одиночних імпульсів побудована структура пристрою спряжіння, який підключає вимірювальний блок перетворювача до персонального комп'ютеру типу IBM PC через системну магістраль ISA. Пристрій спряжіння функціонує в якості контролера обміну даними між вимірювальним блоком перетворювача і персональним комп'ютером під управлінням драйвера, працюючого в операційному середовищі MS-DOS. Наведено практичне використання претворювачів часових інтервалів в системах керування.

Основні результати і висновки

1. В результаті проведених досліджень показано, що при розробці систем керування просторовим місцезнаходженням об`єктів, систем вимірювання координат об`єктів їх невід`ємною частиною є ПЧК малої тривалості.

2. Проведено порівняльний аналіз існуючих методів і засобів перетворення однократних часових інтервалів, в результаті чого встановлено, що розробка і дослідження методів перетворення, що мають малу методичну похибку, є важливою проблемою.

3. Показано, що вимоги високої точності ПЧК можуть бути задоволені застосуванням методу збігу імпульсів пакетами при розробці нових методів аналого-цифрового перетворення однократних часових інтервалів з використанням їх в системах ближньої дальнометрії та інших системах.

4. Досліджено процеси збігу регулярних імпульсних потоків різних частот проходження і утворення різницево-періодної міри при збігу імпульсів пакетами близьких частот проходження. Значення РПМ складає величину 10^-12 - 10^-16с.

5. Розроблено метод перетворення однократних часових інтервалів паралельним осередненням з використанням різницево-періодної міри. Розроблено ноніусний метод з використанням збігу імпульсів пакетами в широкому діапазоні і спосіб перетворення тривалості одиночних імпульсів в цифровий еквівалент, які можуть бути використані в системах керування просторовим місцезнаходженням об'єктів. Діапазон перетворення коротких часових інтервалів розширено у запропонованих методах та доведено до величини 210^-10 с.

6 .Визначені основні дестабілізуючі чинники і досліджені основні похибки перетворення. Отримані аналітичні вирази для оцінки методичних і інструментальних похибок. Проведено аналіз похибок перетворення та визначено їх кількісні характеристики, які складають величину 5 пс і можуть бути доведені до 0,1 пс. Це потребує застосування високостабільних кварцевих генераторів. Спосіб перетворення тривалості одиночних імпульсів може застосовуватися для знаходження розмірів об'єктів в системах ближньої дальнометрії, це розширює коло задач, які вирішуються системою керування просторовим місцезнаходженням об'єктів.

7. На основі використання методів логічного синтезу цифрових автоматів і методу збігу імпульсів розроблено структури ПЧК однократних часових інтервалів, що реалізують запропоновані методи перетворення. Технічна реалізація з використанням сучасної елементної бази широкого застосування гарантує можливість промислового випуску розроблених пристроїв.

8. Проведено експериментальні дослідження ноніусного методу збігів імпульсів пакетами. Здійснено моделювання методу паралельного осереднення з використанням різницево-періодної міри за допомогою мікропроцесорного пристрою. Розроблено вбудовані засоби обробки результатів перетворення тривалості одиночного імпульсу в цифровий еквівалент. Показано практичне використання способу тривалості одиночних імпульсів.

9. Перспективним напрямком подальших досліджень по тематиці роботи є удосконалювання перетворювачів тривалості одиночних імпульсів, що мають в тому числі і складну форму, які можуть бути використані в системах автоматичного керування.

Публікації по темі дисертації

1. Тырса В.Е., Кадацкая О.И. Повышение точности измерения однократных временных интервалов // Метрология. -1987. №3. С.3542.

2. Кадацкая О.И. Преобразование длительности одиночного импульса в код // АСУ и приборы автоматики. Сб. науч. трудов. -Харьков: ХТУРЭ, 1998. -Вып.107. -С.34-36.

3. Кадацкая О.И. Метод параллельного осреднения для преобразования однократных временных интервалов // Радиоэлектроника и информатика. - 1998. -№4. -С.33-34.

4. Кадацкая О.И. Погрешности метода параллельного осреднения для преобразования однократных временных интервалов // Радиотехника. Сб. науч. трудов. - Харьков: ХТУРЕ, 1999. - Вып. 109. - С.155-157.

5. Пат. №2012025РФ, МКИ G 04 F 10/04. Способ измерения длительности одиночного импульса и устройство для его осуществления/ О.И. Кадацкая, А.И. Каменюка, Е.А. Канарейкина (Украина); №4912393; Заявл. 20.01.91; Опубл. 30.04.94, Бюл. №8 18с.

В роботі автором запропоновано спосіб перетворення тривалості одиночного імпульсу в цифровий еквівалент, рівняння перетворення, розробка процесу перетворення.

6. А.с. 600507 СССР, МКИ G 04 F 10/04. Цифровой хронометр/ В.Е. Тырса, В.В. Дюняшев, О.И. Антонова (СССР). -№ 02347143 Заявлено 12.04.76; Опубл. 30.03.78, Бюл.№ 12 -4с.

В роботі автором запропоновані схемні реалізації паралельного осереднення.

7. А.с. 600459 СССР, МКИ G 04 F 10/04. Цифровой частотомер/ В.Е. Тырса, В.В. Дюняшев, О.И. Антонова (СССР). - № 2347895 Заявлено 12.04.76; Опубл. 30.03.78, Бюл.№ 12 - 3с.

В роботі автором запропоновані схемні реалізації паралельного осереднення.

8. А.с. №1550472 СССР, МКИ G 04 F 10/04. Измеритель коротких временных интервалов/ О.И. Антонова, В.Е. Тырса (CCCР). №4364627; Заявлено 13.01.88; Опубл. 15.11.89, Бюл. №1015с.

В роботі автором запропоновано рівняння перетворення ноніусного методу, та його схемна реалізація.

9. А.с. №1693588 СССР, МКИ G 04 F 10/04. Цифровой хронометр/ О.И. Кадацкая, А.И. Каменюка, Е.Л. Канарейкина (CCCР). №4729671; Заявлено 16.08.89; Опубл. 23.11.91., Бюл. №43 17с.

У роботі автором розроблено процес паралельного осереднення з використанням різницево-періодної міри, рівняння перетворення, схемна реалізація методу.

10. Преобразование ОВИ с параллельным осреднением результата / Кадацкая О.И., Каменюка А.И., Канарейкина Е.Л. Киев, 1989. Рус. Деп. в УкрНИИНТИ 26.10.89, №2293-Ук89 // Опубл. в ук. Депонированные научные работы, №2(220), б/о 716, 1990.

У роботі автором розроблено метод паралельного осереднення з використанням різницево-періодної міри, запропоновано рівняння перетворення.

11. Высокоточное измерение длительности импульса / Антонова О.И. Киев, 1989. Рус. Деп. В УкрНИИНТИ №2278-Ук 88 // Опубл. в ук. Депонированные научные работы, № 1(207), б/о 1176, 1989.

12. Тырса В.Е., Кадацкая О.И. Об измерении коротких интервалов времени // III-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Метрология в дальнометрии". Харьков: 1988. С.124.

Размещено на Allbest.ru

...