Глава четвертая. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВНЕШНИХ ПОМЕХ

4.1. Общие требования к измерителям

Технические средства, предназначенные для исследований детерминированных и статистических характеристик внешних помех, должны обладать рядом специфических свойств.

Так, их собственная помехозащищенность должна быть выше измеряемых уровней помех. Измерители не должны оказывать заметного шунтирующего воздействия на источник помех. При подключении к схемам и линиям связи ЦТС приборы не должны создавать дополнительных трактов проникновения помех в ЦТС. Желательно, чтобы измерители были портативными и питались от автономных источников питания.

Внешние помехи часто носят нестационарный характер, поэтому измерители должны быть приспособлены для измерения характеристик одиночных или редко повторяющихся процессов.

Энергия, необходимая для измерения параметров одиночного импульса, поступает в элемент преобразования лишь в течение времени, пока длится импульс. Следовательно, измерительная система должна быть практически безынерционной или должна запасти в течение этого

времени достоверную информацию об импульсе для дальнейшего преобразования. Сложность преобразования однократных сигналов возрастает по мере уменьшения амплитуды и длительности измеряемых импульсов, так как при этом расширяется требуемая полоса частот.

Другая особенность измерения одиночных сигналов связана с отсутствием предварительной информации о полярности, моменте появления и примерных значениях параметров сигнала. Поэтому такого рода приборы желательно снабжать входными устройствами, позволяющими автоматически переключать пределы измерения и полярность включения, а также блокировать вход прибора на время, требующееся для обработки и регистрации полученной информации [67].

Принципиально важным вопросом является выбор узкополосного или широкополосного метода измерения импульсных помех. Узкополосный метод нашел широкое распространение при измерении радиопомех. Промышленностью серийно выпускаются измерители радиопомех и селективные вольтметры, основанные на узкополосном методе измерений. Возникает вопрос, можно ли применить эти технические средства для измерения внешних импульсных помех? Попытаемся ответить на него. Существует две области употребления терминов «узкополосный» и «широкополосный»: 1) радиотехника и электроника и 2) измерительная техника. Эти области очень отличаются, и использование в них одинаковых терминов нередко приводит к недоразумениям. В радиотехнике и электронике термины «узкополосный» и «широкополосный» не имеют четких определений. Так, например, усилитель низких частот с полосой от 10 Гц до 100 кГц считается широкополосным, а осциллограф с такой же полосой — узкополосным и т. п. В измерительной технике термин «узкополосное» излучение означает, что на уровне 3 дБ ширина полосы частот энергетического спектра измеряемого излучения меньше полосы частот измерителя излучения [35]. Соответственно широкополосным измерителем помех следует считать такой прибор, полоса частот которого, ограниченная уровнем 3 дБ, шире энергетического спектра измеряемых помех.

Логические элементы ЦТС работают в импульсных режимах. В прямом соответствии со своим назначением они восприимчивы к импульсным помехам, попадающим на входы элементов. Импульсные помехи, как и любые импульсные сигналы, можно характеризовать такими параметрами,

как амплитуда А, длительность , длительность или крутизна фронтов, площадь импульса, количество и расположение импульсов в пачках и др. Помехоустойчивость элементов обычно характеризуется областью значений амплитуд и длительностей прямоугольных импульсов, при которых элемент еще не меняет своего состояния. Типичный вид такой области показан на рис. 4.1. Поэтому при анализе потоков импульсных помех интерес представляют амплитуды и длительности импульсов.

Рис. 4.1. Пример области допустимых помех (заштрихована)

Для многих типов элементов границу области помехоустойчивости допустимо аппроксимировать функцией вида

Из функции следует, что не опасны импульсы помех, для которых выполняются условия или (если ).

Таким образом, интерес также представляет вольт-секундная площадь импульсов.

Построение широкополосных измерительных приборов, измеряющих в реальном масштабе времени амплитуду и длительность непериодических импульсных сигналов, хотя является трудной, но технически вполне осуществимой задачей.

Широкополосные анализирующие приборы в принципе могут быть реализованы для измерения параметров как непериодически, так и периодически следующих импульсов, а также параметров пачек импульсов.

Возможности узкополосных измерительных приборов менее универсальны. Так, например, широко распространенные селективные вольтметры предназначены только для последовательного анализа спектров периодических сигналов, характер которых не изменяется за время анализа. Для анализа же одиночных импульсов или пачек импульсов последовательный анализ совершенно непригоден [68]. Для этой цели требуется прибор, реализующий принцип одновременного анализа с помощью набора частотных селекторов. Стандартных приборов такого рода, способных анализировать весьма короткие импульсы длительностью в несколько наносекунд, не существует. В литературе нет сведений и о каких-либо уникальных разработках.

Очевидно, что аппаратура одновременного анализа должна быть весьма сложной, так как в идеальном случае для получения спектральной функции непериодического сигнала число частотных селекторов должно быть бесконечно большим.

Допустим, что такой прибор все же существует. Каковы его возможности? Если на прибор поступает периодический сигнал, то он выдаст дискретный амплитудный спектр процесса. Но так как фазы составляющих спектра неизвестны, то восстановить истинную форму сигнала с помощью обратного преобразования Фурье оказывается невозможным.

Между тем известно, что существует множество различных форм периодического сигнала, имеющих один и тот же амплитудный спектр [69]. Впрочем, этот недостаток в одинаковой степени присущ и приборам последовательного анализа.

Если на прибор поступает одиночный импульс, то фазовая проблема не возникает, и в этом случае частотновременное преобразование теоретически дает возможность восстановить истинную форму импульса. Однако практически могут встретиться следующие трудности. Для анализа может быть применено только конечное число частотных селекторов, и вместо непрерывной спектральной функции получится конечное число спектральных линий. Кроме того, для обеспечения приемлемой разрешающей способности необходимо стремиться к минимальной ширине полосы селекторов, что ведет к уменьшению поступающей на каждый селектор части энергии сигнала [69].

В результате указанных причин многие полюсы и нули в спектральной функции будут утеряны, следовательно, истинная форма импульса не сможет быть точно воспроизведена.

Существующие способы получения из огибающей спектральной функции значений таких параметров импульса, как амплитуда, максимальная крутизна фронтов и площадь, например способ Рикопфа (Rehkopf) [70], дают более или менее удовлетворительные результаты только для простых форм импульсов: прямоугольных, трапецеидальных, треугольных. Для знакопеременных импульсов и для пачек импульсов анализ по огибающей практически непригоден [69].

Таким образом, для построения измерителей внешних импульсных помех предпочтительнее применять широкополосный метод измерения.