4.2. Основные разновидности измерителей импульсных помех

К наиболее опасным и часто встречающимся видам внешних помех по праву можно отнести различного рода импульсные помехи (из сети питания, от электрических и магнитных импульсных полей и др.).

Потоки импульсных помех представляют собой последовательности пачек и одиночных импульсов. При исследовании помех необходимо получать разнообразную информацию, описывающую эти потоки: распределение амплитуд, длительностей и вольт-секундных площадей импульсов и пачек, среднюю частоту следования импульсов и пачек, число импульсов в пачках и др.

Измерители импульсных помех, которые удовлетворяли бы всем перечисленным в § 4.1 требованиям и пожеланиям, промышленностью серийно не изготавливаются. Поэтому ниже кратко рассмотрены разновидности измерителей и принципы их работы, которые могут оказаться полезными при разработке приборов, специально предназначенных для измерения внешних помех.

Измерители помех можно подразделить на приборы без накопления информации и приборы с накоплением или статистической обработкой информации.

Приборы для измерения импульсных помех без накопления информации характерны тем, что в результате одного цикла измерения они дают информацию об одном импульсе или процессе.

Для измерений помех в сети питания могут использоваться два вида таких приборов — осциллографы и цифровые измерители. Последние в свою очередь в зависимости от метода преобразования аналоговых величин в цифровые коды условно можно подразделить на счетные и селектирующие измерители. В счетных измеряемая аналоговая величина преобразуется в последовательность импульсов, подсчитываемых счетчиком, в селектирующих она оценивается с помощью селектирующих схем, снабженных индикаторами.

К измерителям с накоплением или статистической обработкой информации относятся соответственно регистрирующие и анализирующие приборы.,

Рассмотрим кратко упомянутые виды приборов.

Осциллографы

Осциллографы дают наиболее полную информацию о форме наблюдаемого процесса. Применение осциллографов целесообразно для исследования регулярных или однократных помех, момент появления которых не является случайным. Естественно, приборы должны иметь однократный режим запуска развертки, а их электронно-лучевая трубка должна быть запоминающей или снабжена фотоприставкой.

Рис. 4.2. Структурная схема измерения амплитуды импульса с амплитудно-временным и дискретным преобразованиями: АВП — амплитудно-временной преобразователь; АКП — аналого-кодовый преобразователь последовательного счета; СИ — устройство счета и индикации

Для осциллографических измерений потока однократных сигналов можно применять автоматизированные информационно-измерительные системы, включающие осциллограф и ЭВМ. С помощью осциллографической измерительной системы (ОИС) оператор производит первоначальную оценку поступившей информации на запоминающем осциллографическом индикаторе, а затем выбирает характер и последовательность ее дальнейшей автоматической обработки.

Так как ОИС связана с исследуемым объектом и ЭВМ, а также обладает памятью, она позволяет одновременно отображать на одном осциллографическом индикаторе как исследуемый сигнал, так и результаты его машинной обработки.

Счетные измерители амплитуд

Распространенный метод измерения амплитуд одиночных импульсов в микро- и наносекундном диапазонах длительностей базируется применении амплитудно-временных преобразователей (АВП) [67]. Структурная схема одной из разновидностей измерителя амплитуд приведена на рис. 4.2. Принцип действия прибора таков: АВП преобразует входной сигнал в интервал времени, длительность которого пропорциональна амплитуде измеряемого импульса , где — амплитуда импульса; -коэффициент пропорциональности; — интервал преобразования. Длительность интервала может быть измерена методом последовательного счета с выдачей результата на цифровой индикатор.

Для амплитудно-временного преобразования одиночного импульса можно использовать разряд накопительного конденсатора, предварительно заряженного до амплитуды измеряемого импульса (рис. 4.3). За время действия импульса накопительный конденсатор преобразователя заряжается до амплитудного значения через схему заряда По окончании импульса начинается разряд конденсатора через токостабилизирующее устройство ТУ до первоначального напряжения. Дискриминатор интервалов преобразования Д фиксирует начало и конец разряда накопительного конденсатора и выдает сигналы, ограничивающие

Рис. 4.3. Структурная схема амплитудно-временного преобразователя

интервал времени и несущие информацию об амплитуде измеряемого импульса.

Промышленностью выпускается цифровой импульсный вольтметр работающий по описанному выше принципу. Это в настоящее время наиболее доступный прибор для измерения амплитуд одиночных или редко повторяющихся импульсов [71].

Счетные измерители временных интервалов

Для измерения длительности импульса помехи может быть применен цифровой измеритель временных интервалов. Однако необходим режим однократного измерения. Из известных приборов этому требованию удовлетворяет измеритель временных интервалов типа . В приборе для повышения точности измерения коротких отрезков времени применен преобразователь масштаба времени, трансформирующий малые измеряемые промежутки времени в более длинные [71].

Для той же цели могут быть применены некоторые типы серийных электронно-счетных частотомеров, однако их необходимо снабдить приставкой, обеспечивающей автоматический запуск.

Структурная схема, поясняющая принцип построения приставки, приведена на рис. 4.4. Сигнал, длительность которого необходимо измерить, в зависимости от полярности поступает на формирователь-ограничитель амплитуды Ф непосредственно или через фазоинвертор ФИ. С выхода формирователя сигнал поступает на один вход логического элемента И. На другой его вход поступают импульсы с внутреннего генератора Г кварцованных частот частотомера (если такового не имеется, то может быть применен внешний генератор). Сигналы с выхода элемента И подаются на счетный вход частотомера настроенного на режим «непрерывный счет». Подготовка к счету кварцованных импульсов происходит тогда, когда инверсный выход триггера Т устанавливается в состояние 1 кнопкой Пуск и при этом нет сигнала на выходе формирователя. При появлении на выходе Ф импульса начинается счет. Спад измеряемого импульса через дифференцирующую цепочку Д ставит триггер в исходное состояние 0, и счет прекращается. Длительность измеряемого импульса при этом

Рис. 4.4. Структурная схема приставки к частотомеру для измерения длительности одиночных импульсов

равна: где N — показание счетчика в единицах; — кварцованная частота.

Естественно, что временные задержки и искажения в схемах приставки должны быть меньше периода импульсов кварцованной частоты.

Многофункциональные счетные измерители

Для одновременного измерения нескольких параметров однократных импульсных сигналов требуются многофункциональные приборы. В частности, промышленностью выпускается двухфункциональный измеритель параметров одиночных импульсов типа Прибор измеряет одновременно обобщенную амплитуду и длительность или длительность фронта и среза одиночных и периодических импульсов положительной и отрицательной полярностей в широких пределах амплитуд и длительностей. Под обобщенней амплитудой и длительностью подразумеваются амплитуда и длительность прямоугольного импульса, имеющего энергию и площадь, равные энергии и площади измеряемого импульса [71].

Селектирующие измерители

Импульсные селекторы — это устройства, выделяющие из общей последовательности импульсных видеосигналов такие сигналы, параметры которых удовлетворяют определенным признакам [72]

Селекторы как самостоятельные измерительные устройства используются довольно редко. Однако в качестве составных частей измерительных, регистрирующих и, главным образом, анализирующих приборов они находят широкое применение.

Рис. 4.5. Структурная схема и временная диаграмма работы селектора больших положительных амплитуд: при или схема становится селектором положительной полярности

Для селектирования импульсных помех чаще всего применяются селекторы полярности, амплитуды и длительности импульсов. Несколько схем такого рода селекторов при» ведено на рис. 4.5-4.9.

Селекторы полярности импульсов выделяют импульсы определенной (положительной или отрицательной) полярности. Основой селекторов полярности обычно служат амплитудные ограничители с нулевым порогом (рис. 4.5). В качестве последних применяются различные схемы с электронными приборами, имеющими однонаправленную проводимость: диодные ограничители, транзисторные усилители и т. п.

Селекторы больших (малых) амплитуд выделяют импульсы, амплитуда которых превышает (не превышает) некоторый пороговый уровень . Селекторы больших амплитуд чаще всего представляют собой диодные или транзисторные ограничители. Значение и полярность

Рис. 4.6. Структурная схема и временная диаграмма работы селектора малых амплитуд: СБА — селектор больших амнлитуд; ИУ — инвертирующий усилитель-ограничитель; усилитель-ограничитель

Рис. 4.7. Структурная схема и временная диаграмма работы селектора больших длительностей

регулируются делителями напряжения (рис. 4.5). Селекторы малых амплитуд имеют более сложную структуру. Один из возможных принципов построения селектора малых амплитуд проиллюстрирован структурной схемой и временной диаграммой на рис. 4.6.

Селекторы больших (малых) длительностей выделяют импульсы, длительность которых превышает (не превышает) некоторое пороговое значение Для построения селекторов длительностей можно применить два разных способа. При первом используется зависимость амплитуды напряжения на выходе интегрирующей С-цепи от длительности входного импульса. Импульс с выхода интегрирующей цепи затем подается на амплитудный селектор СБА больших (или малых) амплитуд с порогом (рис. 4.7). Соответственно получается селектор больших (или малых) длительностей с порогом Если входные импульсы прямоугольные и имеют амплитуду , то во время заряда емкости С напряжение на ней

Когда достигает значения , то . Если постоянная времени интегрирующей цепи существенно больше , то

Для того чтобы значение не зависело от амплитуды импульса , необходимо перед интегрирующей цепочкой ставить усилитель-ограничитель, с тем чтобы все импульсы имели одинаковую амплитуду.

При втором способе используется задержка импульсов на фиксированное время или формирование импульсов с фиксированной длительностью с последующим сравнением временного положения задержанных и незадержанных импульсов (рис. 4.8, 4.9).

Чтобы превратить селектор в измерительное устройство, его необходимо снабдить индикацией выхода (рис. 4.10). Когда в качестве индикатора применяются лампочка накаливания, неоновая лампочка или светодиод, то между индикатором и выходом селектора С дополнительно ставится запоминающая схема, например триггер.

В случаях, когда не требуется высокое быстродействие измерителя, в качестве запоминающей схемы и индикатора могут применяться тиратроны.

Регистрирующие приборы

Регистрирующие приборы характерны тем, что данные измерений автоматически выводятся на какой-либо носитель информации (бумажную или магнитную ленту, перфоленту, перфокарты и т. п.). Чаще всего для вывода информации применяются цифровые печатающие

Рис. 4.8. Структурная схема и временная диаграмма работы селектора больших длительностей

Рис. 4.9. Структурная схема и временная диаграмма работы селектора малых длительностей: — формирователь импульсов с длительностью запускающийся фронтом входного импульса; — формирователь, запускающийся срезом входного импульса

машины (ЦПМ). Процесс вывода информации является относительно медленным, поэтому регистрирующие приборы нуждаются в дополнительной блокировке входа прибора на время вывода информации.

Некоторые серийные цифровые измерительные приборы, например импульсный вольтметр снабжены выходом на ЦПМ, что дает принципиальную возможность превратить его в регистрирующий.

Анализирующие приборы

Основное специфическое отличие анализирующих приборов состоит в автоматизации статистического анализа результатов измерений. Под статистическим анализом здесь понимается построение одномерных или многомерных функций распределения анализируемых событий. Соответственно различают одномерные и многомерные анализаторы.

Анализаторы есть одноканальные и многоканальные. Одноканальные позволяют последовательно перемещать интервал отбираемых

Рис. 4.10. Структурная схема селектора помех с индикацией

Рис. 4.11. Структурная схема многоканального анализатора

значений параметра до перекрытия всего диапазона измеряемых величин. Многоканальные осуществляют анализ распределения импульсов по заданному параметру параллельно по всему диапазону измеряемых величин.

Один из первых способов определения вероятностных распределений нахождения электрического сигнала в том или ином интервале был предложен в 1946 г. В. И. Сифоровым [73]. На вертикальные пластины электронно-лучевой трубки подается исследуемый сигнал, а на горизонтальные пластины — несинхронное с ним напряжение развертки. При этом распределение яркости свечения вдоль вертикальной оси экрана трубки совпадает с вероятностным распределением исследуемого сигнала. Экран закрывается непрозрачной пластиной с узкой щелью, параллельной горизонтальной оси. Световой поток, проходящий через щель, измеряется с помощью фотоэлемента и гальванометра. Изменяя положение щели, измеряют относительную яркость на различных расстояниях от горизонтальной оси. Недостатком способа является малая точность. Кроме того, он более пригоден для исследования флуктуационных сигналов, нежели относительно редких импульсных сигналов, у которых средний период следования существенно превышает время послесвечения экрана электронной трубки.

Дальнейшее развитие анализирующих приборов пошло по направлению исследования флуктуационных [74] и импульсных сигналов [75].

Один из первых многоканальных анализаторов распределения амплитуд импульсных сигналов, разработанных для ядерных исследований, был описан Весткоттом и Ганном (Westcott, Наппа) в 1949 г. [76]. Структурная схема анализатора приведена на рис. 4.11. Прибор содержит тридцать аналогичных друг другу каналов. Измеряемый сигнал через входной усилитель ВУ подается на входы всех каналов» представляющих собой селекторы больших амплитуд СБА с разными пороговыми напряжениями илор. Весь диапазон ожидаемых амплитуд разбит на равные интервалы.

Прошедшие через селектор канала импульсы формируются по амплитуде и длительности формирователем Ф и затем дифференцируются

Рис. 4.12. Структурная схема одноканального анализатора

каскадом Д. Импульс от спада входного сигнала поступает на счетчик через специальный запрещающий каскад ЗК, который открыт только в том случае, если канал не запущен. Сигнал на запрет канала снимается с выхода формирователя канала. После прекращения входного импульса запускается блок возврата БВ, который открывает все запертые каналы. Показания счетчиков всех каналов прибора определяют дифференциальную функцию распределения амплитуд импульсов.

Один из первых одноканальных анализаторов дифференциальной функции распределения амплитуд был описан Парсонсом (Parsons) в 1949 г. [77]. Структурная схема анализатора приведена на рис. 4.12. В этом приборе исследуемые импульсы усиливаются входным усилителем ВУ и подаются на входы двух селекторов больших амплитуд — , пороговые напряжения которых отличаются на С выходов селекторов сигналы поступают на логическую схему сложения по модулю 2, которая выдает импульс на интегратор ИН только в том случае, если амплитуда исследуемого сигнала удовлетворяет неравенству Напряжение с интегратора, пропорциональное средней частоте следования импульсов с амплитудой , подается на самописец СП. Механизм протяжки ленты самописца одновременно автоматически изменяет пороговые уровни селекции.

Современные промышленные анализаторы обладают гораздо более сложной структурой и являются, по сути дела, специализированными вычислительными машинами (рис. 4.13) [75].

Рис. 4.13. Структурная схема многомерного анализатора

Входное устройство преобразует параметры измеряемого импульса в цифровой код. Цифровые коды затем группируются. Для этой цели служит запоминающее устройство ЗУ, разделенное на ячейки (каналы), каждая из которых соответствует определенным интервалам изменения измеряемого параметра. В ячейку записывается число появлений события — импульса с данным значением параметра.

Для суммирования числа событий, относящихся к каждому интервалу, служит арифметическое устройство АУ. Каналы ЗУ выбираются при помощи адресного регистра АР нодачей в него кода анализируемого события. Вывод информации осуществляется через АУ на выходное устройство ВУ (табло, печатающее устройство и т. п.). Координация работы всех узлов анализатора осуществляется устройством управления УУ. На преобразование параметра каждого импульса и его сортировку затрачивается некоторое «мертвое» время, в течение которого события, поступающие на анализатор, не воспринимаются и тем самым теряются. Поэтому одной из важных характеристик анализирующих приборов является отношение числа зарегистрированных событий к общему числу поступивших за это время событий (эффективность)

Эффективность многоканальных регистраторов существенно выше, чем эффективность одноканальных. Однако аппаратурное исполнение первых гораздо более сложное.

К основным техническим характеристикам анализаторов относят число измеряемых параметров, число уровней квантования, число каналов по каждому параметру, емкость канала анализатора или число разрядов канала, максимально допустимую предельную загрузку (интенсивность поступающих на вход импульсов, при которой искажение результатов измерений не превышает определенных пределов).