СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ИНТЕРВАЛА

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано в точных измерителях временных интервалов, в импульсной локации, экспериментальной физике и др.

Известен простейший способ измерения временного интервала путем его преобразования в числовой код, по принципу счета числа тактовых импульсов стабильной частоты, заполняющих измеряемый временной интервал, задаваемый сигнальными импульсами «старт» и «стоп» [1]. Предельная точность этого способа «прямого счета» ограничена дискретностью тактовых импульсов.

Известны пути повышения точности такого измерения без повышения тактовой частоты за счет введения интерполяционной поправки с помощью вспомогательных тактовых последовательностей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ [2] измерения временного интервала Т путем формирования последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирования в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счета количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирования поправки ΔN и определения интервала Т по формуле Т=τ(N+ΔN). Для определения поправки ΔN в этом способе используют дополнительную последовательность тактовых импульсов, сдвинутую относительно основной последовательности по частоте и синхронизированную с задержанным сигнальным импульсом.

При таком способе обработку информации и определение поправки ΔN производят в режиме реального времени, что требует сложной быстродействующей аппаратуры, подверженной к тому же риску грубых ошибок при воздействии электромагнитных наводок и помех и других неблагоприятных факторов, свойственных аналоговой обработке информации.

Задачей изобретения является повышение точности и помехозащищенности измерения временного интервала стандартными аппаратными средствами.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе измерения временного интервала Т путем формирования последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирования в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счета количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирования поправки ΔN и определения интервала Т по формуле Т=τ(N+ΔN), длительность Т_и сигнального импульса устанавливают более двух тактовых периодов τ, незадержанный сигнальный импульс предварительно оцифровывают с периодом τ и сохраняют результаты оцифровки в W≥3 массивах {S_1i}_w, где i=1, 2,…, I - порядковый номер выборки в массиве, w - порядковый номер массива, I>2 - количество выборок, в процессе оцифровки в каждом массиве {S_1i}_w, берут выборки незадержанного импульса в отсчитываемые от его начала моменты времени t_iw=(w-1)τ/W+(i-1)-r, а начало его оцифровки задают таким образом, чтобы выборка с максимальным значением имела во всех массивах одинаковый порядковый номер, причем в набор выборочных значений массивов {S_1i}_w включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее, в процессе измерения временного интервала задержанный сигнальный импульс оцифровывают с привязкой к тактовой последовательности, формируя массив {S_2i}, при этом массивы {S_1i}_w и {S_2i} формируют с одинаковым количеством выборок I в каждом массиве, так, чтобы максимальная выборка в массиве {S_2i} находилась в той же позиции, что и в массивах {S_1i}_w, после чего формируют W оценок R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R_w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, и формируют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-l)/W.

Для обеспечения максимальной чувствительности способа к положению задержанного сигнального импульса массивы {S_1i}_w и {S_2i} нормируют так, чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение.

Для исключения неучтенной систематической погрешности при определении временного интервала Т вводят дополнительную поправку ΔN_к, определяемую предварительно путем измерения эталонного интервала времени Т_э, вычисления поправки ΔN_к по формуле ΔN_к=(Т_э-Т)/τ, а в процессе измерения определяют оценку Т измеряемого интервала по формуле Т=τ(N+ΔN+ΔN_к).

На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса измерения временного интервала Т, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S_1i} и {S_2i}. На фиг.2 показан сигнальный импульс S₂(t) при нулевом сдвиге относительно тактового импульса (фиг.2а) и со сдвигом на 0,4 тактового периода (фиг.2б). Фиг.3 иллюстрирует формирование функции . Показаны зависимости вида , для значений сдвига сигнала S₂(t), равного 0 и 0,4 (W=10). На фиг.4а) и б) представлены реализации R_w при воздействии аддитивного шума при отношении сигнал/шум соответственно 100 и 30.

В начале измеряемого интервала времени Т формируют сигнальный импульс S₁(t)1, а в конце - импульс S₂(t)2. К импульсу 1 привязывают последовательность тактовых импульсов 3 таким образом, чтобы временное положение импульса 1 соответствовало массиву выборочных значений {S_1i}₁. Массив {S_1i}₁ принадлежит к набору массивов {S_1i}_w 4, определяемых предварительно оцифровкой первого сигнального импульса. При оцифровке импульса S₁(t) формируют W массивов его выборочных значений. Выборки в этих массивах определяют с периодом тактовой последовательности τ. Оцифровку производят так, чтобы первая выборка в каждом массиве была задержана относительно условного начала импульса S₁(t) на отрезок времени (w-1)τ/W, где w=1, 2,.…, W - порядковый номер массива {S_1i}_w; W - количество массивов.

Расчетами и экспериментально показано, что количество W массивов {S_1i}_w должно быть не менее трех. В набор выборочных значений массивов {S_1i}_w включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее. Количество выборок I во всех массивах должно быть одинаковым. Условное начало импульса S₁(t) выбирают так, чтобы при оцифровке во всех массивах {S_1i}_w выборка с максимальным значением находилась на одинаковой позиции i=i_max.

Полученный набор массивов {S_1i}_w (шаблоны) сохраняют в памяти системы.

В процессе измерения временного интервала Т производят оцифровку второго сигнального импульса S₂(t) 2 в моменты прихода тактовых импульсов. По результатам оцифровки формируют массив {S_2i} 5 таким образом, чтобы он содержал выборку с максимальным значением в той же позиции, что и в массивах {S_1i}_w, а количество выборок в этом массиве равнялось I.

После формирования массива {S_2i} производят его сравнение с каждым из шаблонов {S_1i}_w, путем формирования коэффициентов R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, например, в виде коэффициента корреляции или среднего абсолютного отклонения . Затем определяют порядковый номер w=w* того шаблона, который по выбранному критерию ближе к массиву {S_2i}, и определяют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-l)/W.

Пример.

Тактовая последовательность в условном масштабе времени t имеет период τ=1.

Сигнальные импульсы в этом масштабе описываются выражением S(t)=At²exp(-bt). Вид сигнальных импульсов при А=184 и b=1 представлен на фиг.2. Как видно из графика, длительность сигнального импульса составляет 8 периодов тактовой частоты, а амплитуда в условном масштабе равна 100. Начало сигнального импульса 1 фиг.2а) условно привязано ко второму тактовому импульсу, а сигнальный импульс на фиг.2б) сдвинут относительно этого положения на 0,4 тактовых периода.

В результате оцифровки первого сигнального импульса получены десять массивов {S_1i}_w нормированных выборочных значений сигнала S₁(t), приведенных в табл.1.

Периодичность выборок равна тактовому периоду τ=1. Начальный сдвиг оцифровки w-го шаблона равен (w-1)/10, то есть первый шаблон имеет нулевой сдвиг, а сдвиг 10-го шаблона равен 0,9 периода тактовой последовательности. При оцифровке начало сигнала S₁(t) выбрано так, чтобы максимальная выборка приходилась на одну позицию во всех шаблонах (j=2). В каждом шаблоне оставлены выборки со значениями S_1i>0,2. При этом количество выборок во всех шаблонах I=5.

В результате оцифровки получены нормированные массивы сигнала S₂(t) с нулевым сдвигом и со сдвигом на 0,4 тактового периода. Результаты оцифровки {S_2i} при двух значениях сдвига сигнала S₂(t), показанных на фиг.2, приведены в табл.2. Так же, как и в шаблонах, количество выборок I=5, а максимальная выборка находится во второй позиции.

Сравнение массивов {S_2i} с шаблонами {S_1i}_w производилось по критерию среднего абсолютного отклонения . Результаты сравнения приведены в Табл. 3 и на графиках фиг.3а) (нулевой сдвиг сигнала) и фиг.3б) (сдвиг сигнала равен 0,4).

Минимальное значение R_w 6 соответствует сдвигу сигнала на 0,4 тактового периода. По номеру w* соответствующего шаблона формируют поправку ΔN. В первом случае она равна (1-1)/10=0, а во втором (5-1)/10=0,4, что соответствует реальному сдвигу.

Приведенные результаты получены в отсутствие шумовых искажений.

В таблице 4 приведены результаты обработки данных по предлагаемому способу при воздействии нескольких реализаций аддитивного шума в полосе частот, соответствующей спектральной характеристике сигнала.

Из таблицы и графиков Фиг.4 видно, что при отношении сигнал/шум=100 зависимость R_w 6 от w практически не отличается от идеальной. При отношении сигнал/шум=30 положение минимума функции может смещаться в соседнюю позицию. При этом ошибка измерения временного интервала достигает 0,1τ. При дальнейшем уменьшении отношения сигнал/шум пик зависимости R_w становится менее выраженным, и это может привести к увеличению ошибки. Необходимо отметить, что в подобных условиях и при заданных ограничениях ошибка, присущая известному техническому решению [2] и другим подобным решениям, может превышать ошибку, обеспечиваемую предлагаемым способом, поскольку известные способы не предназначены для измерений в присутствии шумов и не оптимизированы по этому фактору. Ошибка в них может достигать длительности фронта сигнального импульса [1, стр.77].

Наибольшая однозначность и помехозащищенность измерений обеспечивается при нормировке массивов {S_1i}_w и {S_2i} так, чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение. В рассмотренном выше примере величина максимальной выборки всех массивов равна 1.

Для того чтобы при формировании шаблонов {S_1i}_w в каждом из них максимальная выборка находилась в одной позиции, начало импульса S₁(t), которым он привязывается к тактовой последовательности, выбирается условно. При этом может возникнуть систематический сдвиг оценки измерения, который исключают путем предварительной калибровки эталонным временным интервалом Т_э и определения соответствующей поправки ΔN_к=(Т_э-Т_э ^*)/τ, где Т_э - измеренная величина эталонного интервала. В процессе измерения определяют оценку Т измеряемого интервала по формуле Т=τ(N+ΔN+ΔN_к).

Предлагаемый способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота F_T=25 МГц (тактовый период Т=40 нc). Количество массивов {S_0i} W=100. Максимальные выборки всех массивов {S_0i}_w находятся во 2-й позиции, а общее количество выборок К=5. Среднеквадратичная ошибка измерения интервала Т не превышает 0,4 нс (это соответствует ошибке измерения дальности 0,06 м). У известных приборов ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.

Предлагаемый способ измерения временного интервала по сравнению с известными способами обеспечивает значительно более точную оценку положения второго сигнального импульса по отношению к началу измеряемого интервала как в условиях воздействия шумов, так и в их отсутствие.

В результате использования способа обеспечивается существенное повышение точности и помехозащищенности измерения временного интервала стандартными аппаратными средствами.

Источники информации

1. Е.А.Мелешко «Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике». М.: Атомиздат, 1977, с.139.

2. Патент РФ №2133053, 1999. Е.И.Гурин. «Способ ускоренной нониусной интерполяции временных интервалов» - прототип.