СПОСОБ ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЕЙ ГРУППЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТ
METHOD OF VISUAL CONTROL OF LEVELS OF A GROUP OF SINUSOIDAL SIGNALS OF DIFFERENT FREQUENCIES

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при построении средств контроля в реальном масштабе времени уровней группы синусоидальных сигналов различных частот.
Известен способ визуального контроля уровней группы синусоидальных сигналов, применяемый в многоканальных осциллографах, состоящий в преобразовании каждого контролируемого синусоидального сигнала непосредственно в сигнал управления вертикальным отклонением луча, формирующего изображение синусоиды на экране, и выводе таким образом на экран индикатора группы разверток сигналов во времени, уровень которых равен уровню контролируемых сигналов группы [Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах / Под общей редакцией Б.Н. Тихонова - М.: Горячая линия - Телеком, 2007, стр. 166-168, рис. 8.3]. Функции луча в современных электроннооптических индикаторах выполняют дискретные светящиеся точки из матрицы, образующей экран индикатора, при этом процесс вывода исследуемой синусоиды на экран, как правило, предусматривает ее преобразование в цифровой вид, то есть к получению набора отсчетов, которые запоминаются и далее за время развертки выводятся на экран в виде светящихся точек, повторяющих мгновенные значения синусоиды, что является прямым аналого-цифровым преобразованием исследуемого сигнала [Вишневский В.Н., Немировский В.М., Рогачев А.А. Портативные осциллографы с цифровыми измерениями параметров сигнала - М.: Энергоатомиздат, 1991, стр. 13, 20].
Описанный способ позволяет выводить на экран одновременно несколько синусоидальных сигналов, однако при реализации способа скорость развертки всех сигналов устанавливается одинаковой, так как используется единый для всех каналов генератор развертки. Это приводит к графическим искажениям визуализируемых сигналов при одновременном контроле сигналов с существенно отличающимися частотами: при нормальном для зрительного восприятия масштабе синусоиды относительно низкой частоты изображение синусоиды с частотой, превышающей частоту первой ориентировочно в 10 и более раз (в зависимости от размера экрана и выбранной скорости развертки) оказывается слитым в единую широкую полосу. Основным недостатком такого подхода является принципиальная невозможность получения с одним генератором развертки на экране индикатора группы синусоидальных сигналов с различным масштабом представления по оси времени.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ описанный в [Patent US 4734867. System for displaying evolution of one physical parameter compared with development of another physical parameter. Electricite de France. Mar. 29, 1988], согласно которому, группу контролируемых сигналов преобразуют в цифровую форму, запоминают преобразованные в цифровой вид сигналы и далее извлекают из памяти с требуемой частотой отсчеты сигналов, которые предварительно обрабатывают для последующего вывода на экран индикатора группы разверток сигналов во времени.
Настоящий способ, выбранный в качестве прототипа, может быть использован для визуального контроля уровней группы сигналов как синусоидальных, так и несинусоидальных с предварительным преобразованием в вид удобный для визуального контроля, включая вывод зависимости одного сигнала от другого, при этом за счет предусмотренной операции предварительной обработки выводимых на экран отсчетов удается расширить функциональные возможности реализуемых измерителей по сравнению с обычными многоканальными осциллографами. Однако способ-прототип не позволяет выводить на экран одновременно несколько сигналов с различным масштабом во времени, что ограничивает его применение областями, в которых одновременно исследуется процессы, протекающие с близкими скоростями.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит, главным образом, в получении возможности вывода на экран индикатора группы синусоидальных сигналов с различным масштабом представления по оси времени.
Технический результат достигается тем, что в способе визуального контроля уровней группы синусоидальных сигналов различных частот, включающем вывод на экран индикатора группы разверток сигналов во времени, уровень которых равен уровню контролируемых сигналов группы, согласно изобретению, периодически измеряют уровень каждого синусоидального сигнала из группы, запоминают полученные значения и автономно формируют в масштабе, задаваемом пользователем, развертку во времени каждого из синусоидальных сигналов группы для отображения на индикаторе, причем уровень отображаемых синусоидальных сигналов задают в соответствии с результатами измерений, обновляя с периодом измерений.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в способе визуального контроля уровней группы синусоидальных сигналов различных частот, согласно изобретению, измерение уровня каждого синусоидального сигнала из группы осуществляют путем измерения его амплитудного значения.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в способе визуального контроля уровней группы синусоидальных сигналов различных частот, согласно изобретению, измерение уровня каждого синусоидального сигнала из группы осуществляют путем измерения его среднеквадратического значения.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в способе визуального контроля уровней группы синусоидальных сигналов различных частот, согласно изобретению, автономное формирование развертки во времени каждого синусоидального сигнала осуществляют путем считывания из памяти отсчетов синусоидального сигнала со скоростью, задаваемой пользователем.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в способе визуального контроля уровней группы синусоидальных сигналов различных частот, согласно изобретению, масштаб развертки каждого синусоидального сигнала из группы выбирают зависящим от частоты.
По другому варианту технический результат достигается тем, что в способе визуального контроля уровней группы синусоидальных сигналов различных частот, включающем вывод на экран индикатора группы разверток сигналов во времени, уровень которых равен уровню контролируемых сигналов группы, согласно изобретению, определяют наличие каждого синусоидального сигнала заданной частоты из группы сигналов, периодически измеряют уровень каждого обнаруженного синусоидального сигнала из группы, запоминают полученные значения и автономно формируют в масштабе, задаваемом пользователем, развертку во времени каждого из синусоидальных сигналов группы для отображения на индикаторе, причем уровень отображаемых синусоидальных сигналов задают в соответствии с результатами измерений, обновляя с периодом измерений.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, реализующего настоящее изобретение. На фиг. 2 - функциональная схема возможного варианта исполнения блока обработки и вывода, входящего в состав устройства по схеме на фиг. 1. На фиг. 3 приведены временные диаграммы, являющиеся примером вывода на экран индикатора группы разверток сигналов во времени.
1
N
Функциональная схема по фиг. 1 содержит группу 1 N полосовых фильтров 1-1 - 1-N, группу 2 N демодуляторов 2-1 - 2-N, группу 3 N АЦП 3-1 - 3-N, блок 4 памяти, блок 5 обработки и вывода и индикатор 6. Входы фильтров 1-1 - 1-N являются канальными входами устройства U-U соответственно, выходы фильтров 1-1 - 1-N соединены со входами соответствующих им демодуляторов 2-1 - 2-N, выходы которых соединены с информационными входами соответствующих им АЦП 3-1 -3-N, выходы которых соединены со входами блока 4 памяти, выход которого соединен со входом индикатора 6.
Функциональная схема по фиг. 2 содержит группу 7 N генераторов синусоидальных сигналов 7-1 - 1-N и группу 8 N управляемых аттенюаторов 8-1 - 8-N, выходы которых образуют выход блока, многоразрядный вход которого образован управляющими входами управляемых аттенюаторов 8-1 - 8-N, сигнальные входы которых соединены с выходами соответствующих им генераторов 7-1 - 7-N. Входы FC1 - FCN являются входами управления частотой генераторов 7-1 - 7-N соответственно.
1
2
3
Временные диаграммы (фиг. 3) содержат пример визуализации группы синусоидальных сигналов различных частот, состоящей из трех сигналов u(t), u(t) и u(t), представленных в различных масштабах.
Основополагающей операцией заявленного способа является измерение уровня синусоидального напряжения, что позволяет получить исходную информацию для построения графика зависимости исследуемого сигнала от времени u(t). Если считать, что измерение уровня сигнала осуществляется с периодом Δt, то выводимый на экран индикатора, автономно формируемый сигнал u(t) можно представить в виде
где
U(kΔf) - амплитуда сигнала в момент времени kΔt (k=1, 2, 3, …);
0
t - момент времени начала вывода сигнала;
ƒ- частота сигнала.
В свою очередь, если полагать, что измерение уровня сигнала осуществляется при помощи квадратичного детектора с усреднением на интервале τ, то амплитуда выводимого на экран синусоидального сигнала будет определяться следующим образом:
где
U - амплитуда исследуемого (контролируемого) синусоидального сигнала, которая может зависеть от времени t, но при этом допускается, что ее изменением на малом интервале Δt можно пренебречь.
Для получения развертки во времени группы из n сигналов вида (1) соответственно потребуется измерить уровни n входных сигналов, получив результаты, описываемые выражением (2) - если оценка осуществлялась через среднеквадратическое значение.
1
1
n
Иллюстрирует способ устройство, функциональная схема которого показана на фиг. 1. Устройство является N-канальным, содержит N входов, на каждый из которых подают контролируемый синусоидальный сигнал из группы N сигналов. Блоки, входящие в группы 1, 2 и 3, по функциональному назначению идентичны, поэтому рассмотрим прохождение сигнала на примере 1-го канала. Входной контролируемый сигнал поступает непосредственно на вход полосового фильтра 1-1, который выделяет заданную частоту, после чего сигнал с частотой ƒ направляется на вход демодулятора 2-1, который выделяет огибающую контролируемого сигнала. Полученное напряжение в АЦП 3-1 преобразуется в цифровой код, который направляется в блок 4 памяти. Цепь демодулятор-АЦП выполняет функции измерителя уровня синусоидального сигнала и в зависимости от того, какой детектор является основой демодулятора, детектор среднеквадратических значений или амплитудных, будет получен измеритель среднеквадратических или амплитудных значений. В первом случае, в ситуации, когда требуется оценивать абсолютные значения сигналов, при выводе на экран синусоиды результат следует умножить на коэффициент , как показано в (2). В блок 4 памяти отсчеты измеренных уровней, например, вида (2) поступают с периодом Δt, который является периодом следования тактовых импульсов на тактовом входе АЦП 3-1. Далее хранящиеся в памяти отсчеты измеренного уровня используются для задания амплитуды автономно формирующегося в устройстве синусоидального сигнала частотой ƒ. Указанная операция возлагается на блок 5 обработки и вывода, в котором формируется синусоидальное напряжение заданной частоты и амплитуды, зависящей от результата измерения уровня контролируемого сигнала. В идеальном случае амплитуда автономно формируемого сигнала должна повторять амплитуду контролируемого входного сигнала - в реальности с погрешностью, определяемой погрешностью измерения уровня входного сигнала. На выходе блока 5 сигнал представляется в виде, удобном для визуализации на экране индикатора 6. Одним из вариантов реализации блока 5 может быть структура, показанная на фиг. 2. Здесь содержится N идентичных, с функциональной точки зрения, каналов, каждый из которых выводит на экран индикатора 6 синусоидальное напряжение, зависящее от уровня сигнала на соответствующем входе Un (n=l, 2, …N), поступающее в цифровом виде на вход блока 5 с выхода блока 4 памяти. Каждый канал, как это несложно видеть из схемы (см. фиг. 2), содержит генератор 7- n синусоидального сигнала и управляемый аттенюатор 8-n. Принцип действия рассматриваемого блока сводится к формированию N синусоидальных сигналов, амплитуда которых задается канальным аттенюатором, позволяющим ослаблять сигнал до нулевого уровня. Управляется каждый канальный аттенюатор «своим» цифровым кодом, поступающим с выхода блока 4 и являющимся кодом измеренного уровня n-го контролируемого сигнала. Таким образом удается с периодом Δt отслеживать уровень входного сигнала и далее изменять амплитуду автономно формируемой синусоиды, выдавая, для построения на экране индикатора, развертку контролируемого сигнала во времени, заменяя исходный сигнал его копией, повторяющей вышеуказанным путем его уровень. При этом каждому входу U устройства должен строго соответствовать сигнал заданной частоты, что контролируется полосовыми фильтрами из группы 1. Полагая, что коэффициент передачи фильтра на центральной частоте равен единице и полоса фильтра достаточно узкая, можно считать, что на выходе фильтра будет присутствовать синусоидальный сигнал, на который настроен фильтр без изменения его уровня, а в случае поступления на вход фильтра широкополосного - сигнала только содержащаяся в его спектре синусоидальная компонента с центральной частотой полосового фильтра. Таким путем определяется наличие синусоидального сигнала заданной частоты. В случае же, когда такая операция не требуется, например, в ситуациях когда на входы устройства контроля поступают только синусоидальные сигналы с фиксированными частотами, полосовые фильтры группы 1 могут быть из схемы исключены.
n
При поступлении одновременно на N входов устройства (см. фиг. 1) контролируемых сигналов U, на экране будет получено N синусоидальных сигналов в масштабе, который зависит только от заданной пользователем частоты автономного генератора из группы 7. При этом частота генератора 7-n должна быть жестко привязана к n-му каналу, и при выводе на экран индикатора сигнала генератора 7-n должно соблюдаться строгое соответствие масштаба представления выводимому сигналу, то есть при изменении частоты выводимого сигнала должна пропорционально меняться и цена деления по оси времени для сохранения соответствия периода сигнала выводимой шкале времени. Пример вывода на экран индикатора трех сигналов различной частоты и с различным масштабом представления во времени показан на фиг. 3.
Следует иметь в виду, что схема, показанная на фиг. 2, является одним из вариантов реализации блока 5, в которой генераторы 7 показаны аналоговыми устройствами. Возможно и другое решение, в котором в качестве генераторов 7 используются постоянные запоминающие устройства с хранящимися в них отсчетами синусоидальных функций. В этом случае частота сигнала на выходе такого генератора будет определяться скоростью считывания указанных отсчетов из памяти. Что же касается аттенюаторов 8, то они при работе с цифровыми отсчетами функционально могут представлять собой устройства перемножения цифровых кодов, одним из которых является отсчет синусоидального сигнала, а другим - коэффициент, задающий ослабление сигнала и подаваемый на управляющий вход аттенюатора.
Относительно выбора варианта реализации индикатора 6 необходимо заметить следующее. В простейшем случае в качестве указанного индикатора возможно применение многоканального осциллографа, на входы которого подают аналоговые сигналы с выходов канальных аттенюаторов 8 (см. фиг. 2). В этом случае масштаб выводимых данных в каждом канале при постоянной скорости развертки осциллографа будет задаваться частотой канального управляемого генератора 7-n. Однако большие возможности будут получены, если в качестве индикатора 6 использовать компьютер со специализированным программным обеспечением, позволяющим выводить на экран синусоидальные сигналы, уровень которых определяется, поступающими от внешних устройств данными, в нашем случае от блока 4 памяти. При таком подходе функции блока 5 могут быть без труда реализованы программно. Такую концепцию безусловно следует считать основой для получения широких функциональных возможностей создаваемых устройств контроля. Похожий подход показан и в прототипе [Patent US 4734867. System for displaying evolution of one physical parameter compared with development of another physical parameter. Electricite de France. Mar. 29, 1988]. Представленные на фиг. 3 развертки сигналов получены указанным путем с использованием моделей входных сигналов, уровень которых зависит от времени.
Заявленные технические решения в отличие от известных позволяют не только контролировать уровни сигналов с различным масштабом их представления во времени, но еще и относительно просто расширить диапазон частот исследуемых сигналов в область сверхвысоких частот. Объясняется это тем, что основная часть операций выполняется не с самим сигналом, а с его низкочастотной огибающей, полученной на выходе амплитудного демодулятора, диапазон рабочих частот которого определяет характеристики устройства контроля в целом.