СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ ИМПУЛЬСОВ В ЛИНИИ СВЯЗИ
METHOD OF IMPULSE DELAY TIME MEASURING IN THE COMMUNICATION LINE

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, в частности, в устройствах тестирования цифровых линий связи и распределенных систем контроля с микромощными датчиками.
Известен способ измерения времени задержки импульсов, основанный на использовании эффекта нарастания модуляции тестирующего сигнала при его многократной циркуляции по исследуемой линии связи, которую подключают как составной элемент в схему генератора с запаздывающей обратной связью (Паньков И.А. Модуляционный способ измерения времени задержки. Авт. свидетельство на изобретение №169146, опубл. 11.03.1965 г. Бюл. №6, МПК G01R).
Недостатком этого способа является низкая точность измерения времени задержки импульсов и сложность практического применения, поскольку для его реализации необходимо использование анализатора спектра и генератора модулирующего сигнала, частоту которого нужно изменять до момента изменения спектра сигнала на экране анализатора. При этом на результат измерения времени задержки оказывает влияние собственное запаздывание генератора с элементами измерительного тракта, что увеличивает погрешность измерения.
Известен также способ измерения времени задержки импульсов, основанный на формировании задержки исходной последовательности импульсов и изменении частоты их передачи до момента совпадения во времени исходных и задержанных импульсов. Затем вводят дополнительную задержку импульсов и измеряют вторую частоту совпадения исходных и задержанных импульсов, а искомое время задержки вычисляют по соотношению между измеренными значениями частоты передачи (Скрипник Ю.А., Квашнев Ю.А. Способ измерения времени задержки импульсов. Авт. свидетельство на изобретение №1705801, опубл. 15.01.1992 г. Бюл. №2, МПК G04F 10/04).
Точность измерения времени задержки импульсов данным способом ограничивается погрешностями установки различного времени задержки, а также сложностью и длительностью процесса измерения, так как для его реализации нужно использовать генератор изменяющейся частоты и регулируемую линию задержки, инструментальные погрешности которых, а также дискретность установки частоты и времени задержки влияют на достоверность полученных результатов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения времени задержки импульсов в линии связи, заключающийся в периодической подаче однополярных импульсов напряжения от задающего генератора на исследуемую линию связи, сравнении их амплитуды с пороговым уровнем напряжения и измерении времени прохождения каждого импульса по линии связи (Гришаков Г.И., Орлов А.Г., Волошин Д.А., Подлесный А.В., Исанов И.А., Давыдов С.А. Способ измерения времени задержки кабельных линий связи и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2001424, опубл. 15.10.1993 г. Бюл. №37-38, МПК G04F 10/06).
Недостаткам этого способа является сравнительно невысокая точность измерения, которая ограничивается влиянием уровня опорного напряжения на погрешность определения времени задержки, причем значение опорного напряжения необходимо устанавливать с учетом параметров исследуемой линии связи. Определение времени задержки импульсов таким способом является недостаточно достоверным, так как процесс измерения задержки значительно отличается от реальной передачи импульсов по линии связи с несогласованной нагрузкой. Кроме того, при таком способе измерения требуется вводить дополнительное звено обратной связи между выходом и входом исследуемой линии связи, что повышает сложность процесса измерения.
Задачей изобретения является создание способа измерения времени задержки импульсов в линии связи, повышающего точность и достоверность результатов измерения времени задержки импульсов в линиях связи, работающих на несогласованную высокоомную нагрузку, при одновременном сокращении времени и сложности процесса измерения.
Эта задача решается тем, что в способе измерения времени задержки импульсов в линии связи, основанном на периодической подаче однополярных импульсов напряжения от задающего генератора на испытываемую линию связи, их сравнении с пороговым уровнем и измерении времени задержки, амплитуду каждого импульса на выходе линии связи сравнивают с пороговым уровнем напряжения, при превышении которого замыкают выход линии связи, а также увеличивают выходное сопротивление задающего генератора, после чего сравнивают с пороговым уровнем напряжение на входе линии связи, при уменьшении которого ниже порогового уровня прекращают подачу импульса от задающего генератора, измеряют длительность этого импульса и по ней определяют двукратное время задержки импульсов в линии связи.
Сущность изобретения заключается в том, что в процессе подачи каждого импульса напряжения на испытываемую линию связи от задающего генератора модулируют его выходное сопротивление: сначала его уменьшают для ускорения заряда распределенной емкости линии связи, а затем увеличивают для выделения сигнала, отражаемого от выхода линии связи при замыкании ее нагрузки. Такой способ измерения полностью соответствует реальному процессу передачи импульсов по линии связи с высокоомным сопротивлением нагрузки. В этом случае активное сопротивление проводов линии связи пренебрежимо мало по сравнению с нагрузкой, поэтому на время задержки импульсов оказывают влияние только реактивные параметры (распределенная емкость и индуктивность) линии связи, прямо пропорциональные ее длине. Для восстановления прямоугольных импульсов на входе и выходе линии связи применяют формирователи, например, на основе триггера Шмитта, которые срабатывают при превышении входным напряжением порогового уровня и позволяют получать прямоугольные импульсы на их выходах даже при большой длительности фронтов входных сигналов. С учетом этого в предложенном способе выполняется сравнение напряжения на выходе линии связи с пороговым уровнем, например, триггером Шмитта, при срабатывании которого формируется импульс управления аналоговым ключом, замыкающим между собой проводники линии связи. При замыкании линии связи нулевой уровень напряжения передается от ее конца к началу, а для его выделения увеличивается выходное сопротивление задающего генератора импульсов. При этом снова реализуется передача импульса нулевого уровня на высокоомную нагрузку в обратном направлении по линии связи. Затем для формирования среза (заднего фронта) импульса сравнивают напряжение на входе линии связи с пороговым уровнем аналогичным триггером Шмитта, при срабатывании которого прекращается подача импульса от задающего генератора. При таком способе измерения длительность импульса на выходе задающего генератора соответствует двукратному времени задержки импульсов в линии связи, которое может быть точно измерено цифровым частотомером, работающим в режиме измерения интервалов времени.
Заявляемый способ реализуется устройством, структурная схема которого приведена на фиг. 1, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы его работы.
2
3
10
2
3
Устройство для измерения времени задержки импульсов в линии связи содержит генератор 1, который через первый одновибратор 2 подключен к управляющему входу ключа 3, шунтирующего выходной резистор 4, первый вывод которого через формирователь импульсов 5 подключен к С-входу первого триггера 6, выход которого соединен с вторым выводом резистора 4, a S-вход триггера 6 соединен с выходом первого одновибратора 2. При этом второй вывод выходного резистора 4 подключен к входу исследуемой линии связи 7, выход которой соединен с коммутирующим ключом 8 и через триггер Шмитта 9 подключен к входу второго одновибратора 10, выход которого подключен к управляющему входу коммутирующего ключа 8. В схеме второго одновибратора 10 применены второй триггер 10-1, резистор 10-2 с сопротивлением R и конденсатор 10-3 с емкостью С для формирования импульса длительностью t≈0,7RC на выходе второго триггера 10-1, в течение которого коммутирующим ключом 8 замыкаются между собой провода линии связи 7. Неинвертирующий выход формирователя импульсов 5 соединен с выходом 11 устройства, к которому подключается цифровой частотомер для измерения времени задержки импульсов в исследуемой линии связи 7.
Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения времени задержки импульсов в линии связи, работает следующим образом.
1
2
2
6
2
6
ПОР
5
11
ЗД
7
ПОР
7
ПОР
10
ЗД
2
4
П
4
П
7
3
3
ПОР
5
6
11
ВЫХ
ЗД
Генератор 1 вырабатывает последовательность импульсов напряжения U, поступающих на первый одновибратор 2 для получения импульсов фиксированной длительности t, которая должна быть больше времени заряда распределенной емкости линии связи. По фронту импульса U на выходе первого одновибратора 2 триггер 6 устанавливается в высокое состояние, и его выходное напряжение U через выходной резистор 4 поступает на вход линии связи 7. В течение интервала времени t ключом 3 замыкается выходной резистор 4, поэтому распределенная емкость линии связи 7 быстро заряжается до максимального значения, примерно равного амплитуде импульса напряжения U на выходе первого триггера 6 (фиг. 2). Когда напряжение на входе линии связи 7 достигает порогового уровня U, срабатывает формирователь импульсов 5, на инверсном выходе которого появляется импульс напряжения U нулевого уровня. Одновременно на прямом выходе формирователя 5 появляется импульс высокого уровня напряжения U, поступающий на выход 11 устройства. Через некоторое время задержки t начинает увеличиваться напряжение U на выходе исследуемой линии связи 7 до порога срабатывания U триггера Шмитта 9, который при равенстве напряжений U=U формирует короткий импульс, запускающий второй одновибратор 10. Импульс с выхода триггера 10-1 второго одновибратора 10 поступает на управляющий вход коммутирующего ключа 8, который замыкает провода линии связи 7 на время t (фиг. 2). При этом напряжение на выходе линии связи 7 уменьшается до нулевого уровня и с задержкой t передается в обратном направлении на вход линии связи 7. После окончания импульса напряжения U на выходе первого одновибратора 2 размыкается ключ 3, и к входу линии связи 7 подключается выходной резистор 4, сопротивление которого R значительно превышает сопротивление проводов R линии связи, т.е. выполняется условие R>>R. Вследствие этого напряжение низкого уровня U, поступающее обратно с выхода на вход линии связи 7, понижает напряжение U на ее входе до порогового уровня (U=U), при котором срабатывает формирователь импульсов 5. Фронтом импульса U на инверсном выходе формирователя 5 первый триггер 6 устанавливается в низкое состояние и прекращает подачу импульса напряжения U на вход линии связи 7. При этом появляется срез импульса напряжения U на прямом выходе формирователя импульсов 5, а длительность его выходного импульса соответствует удвоенному времени задержки линии связи Т=2t (фиг. 2).
В данном устройстве генератор 1, первый одновибратор 2, формирователь импульсов 5 и первый триггер 6 реализуют функцию задающего генератора, длительность выходных импульсов которого в процессе измерения автоматически устанавливается равной двукратному времени задержки в линии связи.
2
2
ВЫХ
10
Практически длительность t импульса на выходе первого одновибратора 2 не должна превышать измеряемого времени задержки (t<T), а длительность t импульса на выходе второго формирователя 10 должна быть меньше половины периода импульсов генератора 1. При одинаковых схемах построения одновибраторов 2 и 10 выполнение таких условий можно обеспечить регулировкой или переключением времязадающего резистора 10-2 на разных пределах измерения времени задержки импульсов в линии связи.
Проведенный анализ уровня техники и сравнение представленных технических решений позволили установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа измерения времени задержки импульсов в линии связи, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет модуляции выходного сопротивления задающего генератора в процессе передачи импульса по линии связи и приема отраженного сигнала, реализуемых аналогично рабочему режиму передачи цифровых сигналов на высокоомную нагрузку по несогласованной линии связи.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях измерений для выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из современного уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, данное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Промышленная применимость функциональных узлов устройства, реализующего предлагаемый способ измерения времени задержки импульсов в линии связи, обусловлена наличием современных КМОП интегральных микросхем, на основе которых они могут быть выполнены. В задающем генераторе 1 можно использовать инверторы типа К561ЛН2 с резистивно-емкостной цепью (Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 156, рис. 5.8). Одновибраторы 2 и 10 и триггер 6 можно собрать на микросхемах типа К561ТМ2, в качестве ключей 3 и 8 использовать мультиплексоры типа К561КП1, а формирователь импульсов 5 и триггер Шмитта 9 реализовать на микросхемах типа К561ТЛ1 (Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С. 14, 22-23, 25-26).
4
Для оценки эффективности предлагаемого способа было проведено исследование схемы устройства для измерения времени задержки импульсов в длинных линиях связи, реализующего данный способ, с помощью программы схемотехнического моделирования NI Multisim 12.0. В схеме осуществлялось измерение времени прохождения импульса по модели линии связи до несогласованной нагрузки и обратно по длительности выходного импульса формирователя, установленного на входе модели линии связи. При этом резистор R замыкался на время заряда распределенной емкости линии связи и размыкался для приема сигнала, отраженного от конца линии связи при замыкании ее нагрузки.
Применение КМОП микросхем позволяет уменьшить энергопотребление устройства до сотен микроватт и подключать к выходу исследуемой линии связи автономный блок, содержащий ключ 8, триггер Шмитта 9 и одновибратор 10 с напряжением питания от аккумулятора или от гальванических элементов.
ВЫХ
ЗД
ЗД
Д
ВЫХ
O
ВЫХ
ВЫХ
O
ЗД
O
Таким образом, повышение достоверности результатов измерения времени задержки таким способом достигается за счет его соответствия реальному процессу передачи импульсов по линии связи с несогласованной нагрузкой, а точность повышается за счет двукратного увеличения длительности формируемого импульса T=2t по сравнению с временем задержки t линии связи и уменьшения погрешности дискретности γ≤1/N при измерении его длительности цифровым способом, т.е. заполнением высокочастотными импульсами образцовой частоты ƒ для получения выходного кода N=Т⋅ƒ=2t⋅ƒ. Кроме того, в процессе определения времени задержки автоматически устанавливается длительность выходных импульсов задающего генератора, что позволяет сократить время и упростить процесс измерения.