В чем измеряется длительность импульса

Расчёт скважности и длительности импульсов

Частота повторения импульсов F — это количество импульсов, генерируемых в течении одной секунды.
Период импульсной последовательности Т – это время импульса t_H , сложенное со временем паузы t_L :
T = t_H + t_L = 1 / F

Скважность S импульсной последовательности — это отношение периода к длительности импульса:
S = T / t_H (S > 1)

Обратная величина скважности — это коэффициент заполнения D :
D = t_H / T
Коэффициент может быть выражен в процентах:
D = (t_H / T) × 100%

Длительность прямоугольного импульса определяется на уровне 50% его амплитуды.
Время нарастания импульса t_r — это интервал времени, измеренный между моментами, когда амплитуда изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения. Между этими же уровнями измеряется и время спада импульса t_f .
Сигнал идеальной формы имеет значение равное нулю для t_r и t_f .

Расчет скважности и длительности импульса

Введите любые два значения

Теоретические основи радиолокации

Частота повторения импульсов (англ.: Pulse Repetition Frequency PRF ) – это количество импульсов, которые формируются передатчиком в единицу времени, обычно – в секунду.

Радиолокатор излучает каждый импульс на несущей частоте в течение времени передачи (или длительности импульса τ ), ожидает возврата эхо-сигналов в течение времени «слушания» или интервала приема и затем излучает следующий импульс (что показано на Рисунке 1). Время между началом одного импульса и началом следующего импульса называется периодом повторения (иногда – следования) импульсов или межимпульсным интервалом (англ.: Pulse Repetition Time PRT или Pulse Repetition Period PRP ). Период повторения импульсов есть величина, обратная частоте повторения импульсов, то есть:

PRT =	1	(1)
	PRF

Интервал приема

В общем смысле, интервал приема — это интервал времени между излучаемыми импульсами. Интервал приема всегда меньше чем разность между периодом повторения импульсов и длительностью импульса. Он иногда ограничивается так называемым интервалом покоя , в течение которого приемник уже выключен непосредственно перед следующим излучаемым импульсом.

В некоторых радиолокаторах между излучаемым импульсом и интервалом приема существует короткий интервал времени, соответствующий времени восстановления антенного переключателя. В течение этого времени антенный переключатель исключает проникновение излучаемых импульсов большой мощности в приемник. В случае очень низкой излучаемой мощности необходимости в этом нет и прием эхо-сигналов может происходить уже во время излучения. В таких случаях интервал приема включает в себя время излучения.

следующая пачка
пачка
(состоящая здесь из
четырех импульсов)
общий интервал покоя

Рисунок 2. Режим излучения пачек для импульсного радиолокатора

следующая пачка
пачка
(состоящая здесь из
четырех импульсов)
общий интервал покоя

Рисунок 2. Режим излучения пачек для импульсного радиолокатора

Интервал покоя

Если интервал приема заканчивается еще до момента излучения следующего импульса, то промежуток между ними называют интервалом покоя . Как правило, в современных радиолокаторах в этом промежутке времени выполняются циклы тестирования.

Для радиолокаторов, использующих фазированные антенные решетки, такой интервал покоя является критически необходимым. В это время фазовращатели антенны должны быть перепрограммированы для подготовки к переносу луча антенны в следующее требуемое направление. Эта операция может занимать до 200 мкс, поэтому в таких случаях интервал покоя принимает довольно большие значения по сравнению с интервалом приема. В течение этого интервала покоя приемник уже выключен поскольку во время перепрограммирования антенны не может выполняться прием эхо-сигналов.

Поскольку в течение интервала покоя в любом случае не могут быть обработаны никакие реальные данные, то это время используется для выполнения внутренних процедур тестирования в модулях приемного тракта. Это делается для проверки состояния определенных электронных цепей и, в случае необходимости, их регулировки. Для этого генерируются сигналы с известными параметрами. Такие сигналы поступают в приемный тракт и их обработка в отдельных модулях контролируется. Для того, чтобы отметки этих сигналов не появлялись на индикаторе видеопроцессор отключает эти сигналы. При необходимости, по результатам тестирования модули приемника могут быть автоматически перенастроены и сформировано детализированное сообщение об ошибке.

Режим излучения пачек импульсов

Распределение длительности интервала покоя не должно быть равномерным. Для этого могут излучаться один за другим несколько импульсов, каждый из которых имеет короткий интервал приема до начала интервала покоя. Например, если в течение нескольких периодов импульсы излучаются в одном направлении (как это необходимо для обработки пары импульсов или для обнаружения движущейся цели), тогда интервал покоя не является необходимым. Это положительно влияет на бюджет времени радиолокатора. Кроме этого, в течение более короткого времени случайное нежелательное изменение фазы генерируемого сигнала маловероятно. Поэтому радиолокатор будет более точным при измерении дальности.

Одновременно с этим в таком режиме частота повторения импульсов намного выше, чем в обычном режиме. Благодаря этому увеличивается однозначно определяемая скорость (смотри Противоречие Допплера).

Режим излучения пачек импульсов в основном используется в дидактических (учебных) радиолокаторах. В таких радиолокаторах не требуется большого интервала приема из-за коротких расстояний в лабораторных помещениях. Однако им требуется более длительный интервал покоя для передачи данных об эхо-сигналах по относительно узкополосному последовательному интерфейсу на компьютер. Например, они передают только 10 импульсов в секунду, что соответствует средней частоте повторения импульсов 10 Гц. Эти десять импульсов передаются, но в течение 200 микросекунд. Для расчета однозначной допплеровской частоты это соответствует частоте повторения импульсов 50 кГц. Последующее время покоя составляет почти целую секунду. В течение этого времени данные передаются по интерфейсу USB со скоростью 280 Мбит/с.

Методы измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов

Этой статьей мы продолжаем цикл материалов, посвященных нормирующим преобразователям («ИСУП» № 3 за 2010 год, №№ 1 и 3 за 2012 год). Напомним, что в системах с большим числом разнообразных сигналов и удаленными датчиками на нормирующие преобразователи возлагают решение следующих трех основных задач.

Во-первых, нормирующие преобразователи реализуют схему и метод измерения первичных сигналов и их параметров и осуществляют предварительную обработку результатов измерения, включая, в зависимости от измеряемых сигналов и параметров, линеаризацию характеристик, фильтрацию, компенсацию холодных спаев термопар и проч. Тем самым нормирующие преобразователи разгружают и упрощают второй уровень измерительной системы.

Во-вторых, нормирующие преобразователи, как правило, обеспечивают гальваническую развязку сигналов. Это позволяет подключать датчики, находящиеся под разными потенциалами, и сокращает уровень электромагнитных помех, проникающих в измерительный тракт.

В-третьих, нормирующие преобразователи унифицируют сигналы в системе, что опять же упрощает построение второго уровня многоканальных систем.

В предыдущих статьях мы обсуждали преобразователи, которые измеряли и преобразовывали в унифицированные сигналы термопар, термометров сопротивления, унифицированные постоянные сигналы тока и напряжения. Были также представлены преобразователи, которые измеряли не сами сигналы, а их параметры, а именно действующие значения переменного тока и напряжения. В данной статье речь пойдет о нормирующих преобразователях, которые предназначены для измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов: частоты, периода, длительности импульсов.

Прежде чем описывать конкретные преобразователи, остановимся подробнее на методах измерения частотно-временных параметров сигналов и возникающих погрешностях измерения.

Измерение периода и частоты сигнала

По определению период T – это наименьший временной интервал, через который периодический сигнал повторяет свои значения (рис. 1). Частота f равна количеству периодов в единицу времени. Частота связана с периодом простым обратным соотношением f = 1/Т, поэтому, измерив период, легко рассчитать и обратную величину – частоту, и наоборот.

Рис. 1. Метод стробирования для измерения периода сигнала

Все достаточно просто, когда речь идет о синусоидальном (или гармоническом) сигнале. Он в принципе характеризуется только одной частотой f₀ (и соответствующим периодом T₀). Метод измерения периода заключается в следующем. Компаратором формируется временной строб, равный периоду T₀. Этот строб заполняется импульсами с фиксированной стабильной частотой F (и периодом t = 1/F), число импульсов N в стробе подсчитывается. Тогда измеряемый период будет равен T₀ = N × (1/F) = N/F, а частота f₀ = F/N.

Рассмотрим погрешности, которые могут здесь возникать.

Во‑первых, во временной строб в общем случае попадает не целое число периодов сигнала заполнения. Поэтому абсолютная погрешность измерения длительности временного строба (а следовательно, и измеряемого периода Т₀) складывается из погрешностей Dн и Dк в начале и в конце строба и будет равна одному периоду сигнала заполнения t, а относительная – dТ₀ = t/Т₀ = f₀/F = 1/N. Соотношение для расчета относительной погрешности измерения периода показывает, что при измерении по одному периоду сигнала нужно использовать сигнал заполнения, частота которого значительно превосходит частоту измеряемого сигнала. Например, если мы хотим измерять частоту сигнала до 10 кГц = 104 Гц с относительной погрешностью 0,01 %, то частота заполнения должна быть не менее 100 МГц = 108 Гц.

Для того чтобы смягчить требования к высокой частоте сигнала заполнения, можно воспользоваться принципом, хорошо известным специалистам, который гласит: «Точно мерить – долго мерить». Применительно к нашей задаче этот принцип дает следующее решение. Строб должен формироваться не в течение одного измеряемого периода, а в течение нескольких периодов M. В этом случае относительная погрешность будет рассчитываться по формуле dТ₀ = t/(M × Т₀) = f₀/(M × F) = 1/(M × N), из которой видно, что точность повышается в M раз. Этот результат можно интерпретировать и по-иному: при том же требуемом уровне погрешности измерение по M периодам сигнала позволяет снизить необходимую частоту заполнения в M раз. «Расплатой» за это в соответствии с указанным принципом является замедление процесса измерения так же в M раз.

Кроме того, на погрешность измерения dТ₀ периода T₀ (соответственно, частоты f₀) будет влиять нестабильность (и/или погрешность установки) частоты сигнала заполнения dF, при этом dТ₀ = dF. Понятия стабильности и погрешности частоты сигнала заполнения, вообще говоря, следует различать. Под погрешностью следует понимать отклонение частоты от той, которую мы принимаем в расчетах. Такое отклонение может быть вызвано, например, неточной настройкой генератора сигнала заполнения. В то же время нестабильность частоты принципиально всегда существует в генераторах с конечной добротностью и, следовательно, с конечной шириной спектра сигнала. Более того, как нестабильность, так и погрешность могут меняться как во времени, так и под воздействием различных факторов, главными из которых являются изменения температуры и напряжения питания генератора. Таким образом, выбирая источник сигнала заполнения, всегда следует оценивать нестабильность (и погрешность установки) его частоты.

Третьей причиной погрешности измерения может быть помеха, которая искажает синусоидальный сигнал (рис. 2). Влияние помехи проявляется в том, что начало и конец строба начинают флуктуировать, причем несинхронно. Это приводит к флуктуациям длительности строба и, следовательно, к погрешности измерения периода (частоты). Детальный анализ погрешности, связанной с помехой, достаточно сложен и выходит за рамки данной статьи. Здесь мы только обращаем внимание на возможный источник погрешности.

Рис. 2. Влияние помехи на измерение периода сигнала методом стробирования

Следует заметить, что наличие даже сильной помехи вовсе не означает, что измерение периода (частоты) становится невозможным. Становится неприменим метод стробирования. Дело в том, что он жестко привязан к порогу (а значит и к моменту) срабатывания компаратора, который собственно и формирует строб. Это значит, что метод стробирования определяется поведением сигнала в области порогов и совсем не учитывает поведение всего сигнала в целом. Наоборот, методы, основанные на анализе сигнала и помехи в целом, в ряде случаев позволяют исключить влияние помехи. В частности, спектральный анализ сигнала позволяет рассчитать частоту сигнала, при условии, что спектр помехи сосредоточен в области, удаленной от частоты сигнала. Разделение спектра сигнала и помехи, позволяющее измерить частоту сигнала, показано на рис. 3.

Рис. 3. Измерение периода сигнала спектральным методом при наличии помехи

Аналогичная проблема возникает при измерении периода (частоты) сильно несинусоидального сигнала. Он хоть и остается периодическим, но в его спектре могут присутствовать достаточно сильные высшие гармоники, которые приводят к такому искажению формы сигнала, что применение метода стробирования способно привести к ошибочным результатам. Сказанное иллюстрирует рис. 4, на котором показаны несинусоидальные сигналы с одинаковым периодом. Однако метод стробирования для второго сигнала не будет работать, так как будут формироваться «ложные» стробы (причем в нашем случае их два на периоде), не соответствующие периоду сигнала.

Рис. 4. Искажение негармонического сигнала, исключающее применение метода стробирования для измерения периода

Всё это означает, что прежде чем применять метод стробирования, следует проанализировать возможную форму исследуемого сигнала.

Измерение длительности импульсов

В данной статье под длительностью импульса будем понимать интервал времени между двумя следующими друг за другом фронтами разной направленности (рис. 5). Причем здесь мы рассматриваем только периодические положительные сигналы. Импульс между нарастающим и спадающим фронтами считается положительным, а между спадающим и нарастающим – отрицательным. Конечно, сумма длительностей положительного и отрицательного импульсов равна периоду.

Рис. 5. Измерение длительности импульсов

Очевидно, измерение длительности импульсов производится методом стробирования, причем в качестве строба выступают сами импульсы. Для повышения точности измерения при ограниченной частоте сигнала заполнения применяют усреднение измеренных длительностей по большому числу импульсов.

Характеристики преобразователей частотно-временных параметров серии НПСИ

Рассмотрим основные характеристики и особенности нормирующих преобразователей частотно-временных параметров серии НПСИ, выпускаемых Научно-производственной фирмой ООО НПФ «КонтрАвт»,. В серии НПСИ представлены два прибора такого назначения. Преобразователь НПСИ-ЧВ измеряет период, частоту, длительность как дискретных, так и аналоговых сигналов. Преобразователь НПСИ-ЧС является более специализированным прибором, его основное назначение – измерение и преобразование частоты сетевого напряжения. Внешний вид нормирующего преобразователя частотно-временных параметров периодических сигналов НПСИ-ЧВ показан на рис. 6, преобразователь НПСИ-ЧС выглядит аналогично.

Рис. 6. Внешний вид нормирующего преобразователя
частотно-временных параметров периодических сигналов НПСИ-ЧВ,
выпускаемого НПФ «КонтрАвт»,

В преобразователях НПСИ-ЧВ выбор входных сигналов (аналоговый/цифровой), а также диапазон измерения программируется пользователем. Типы и диапазоны преобразования приведены в табл. 1. Диапазон преобразования по входу пользователь может дополнительно ограничить, задавая нижнюю и верхнюю границу диапазона преобразования.

Таблица 1. Типы и диапазоны переменных входных и постоянных выходных сигналов
преобразователя НПСИ-ДНТВ

В качестве аналогового сигнала может выступать переменный сигнал без постоянной составляющей. Максимальное напряжение «от пика до пика» аналогового сигнала не должно превышать 800 В, при этом минимальное напряжение «от пика до пика» не должно быть меньше 1 В. Ширина гистерезиса компаратора при работе с аналоговым сигналом 0,8 В.

Цифровыми считаются следующие типы сигналов: «открытый коллектор», «логический сигнал», «сухой контакт». Максимальное напряжение до 30 В, ток не более 10 мА.

В преобразователях НПСИ-ЧВ и НПСИ-ЧС пользователем программируется и выходной сигнал, причем устанавливаются не только диапазон преобразования, но и тип сигнала (ток и напряжение). Типы и диапазоны преобразования приведены в табл. 2.

Таблица 2. Типы и диапазоны выходных сигналов преобразователей НПСИ-ЧВ и НПСИ-ЧС

Преобразователи НПСИ-ДНТВ обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных сигналов. Напряжение изоляции составляет 1500 В.

Основная погрешность измерения частотно-временных параметров сигналов и их преобразования в унифицированные сигналы тока (или напряжения) составляет 0,1 %.

С точки зрения надежности и безопасности в системе должна присутствовать сигнализация, которая срабатывает, когда сигналы достигают недопустимого уровня. Лучше всего такую сигнализацию реализовать в устройствах, которые максимально приближены к источникам сигнала. Поскольку нормирующие преобразователи находятся на переднем крае на пути прохождения сигналов, то представляется целесообразным возложить выполнение функций сигнализации именно на них. Таким образом, некоторые нормирующие преобразователи наряду с преобразованием и гальваническим разделением сигналов выполняют важнейшую функцию сигнализации.

Преобразователи НПСИ-ЧВ и НПСИ-ЧС имеют модификации как с функцией сигнализации, так и без нее. В модификациях с сигнализацией выполняемая функция выбирается пользователем из четырех возможных вариантов:

— функция 1. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала больше заданного уровня;
— функция 2. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала меньше заданного уровня;

— функция 3. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала больше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем;

— функция 4. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала меньше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем.

Действие сигнализации для функций 1 и 3 иллюстрируют рис. 7, 8. Функции 3 и 4 представляют собой сигнализацию с защелкой. Сбросить ее пользователь может только с передней панели преобразователя. Даже временное отключение питания не может сбросить защелку – после возобновления питания сигнализация будет включена. Таким образом, сигнализация с защелкой позволяет зафиксировать факт аварийной ситуации, а необходимость выполнения процедуры сброса с панели гарантирует, что обслуживающий персонал обнаружит аварийную ситуацию и предпримет действия, предусмотренные технологическим регламентом.

Рис. 7. Диаграмма работы сигнализации «превышение» без защелки

Рис. 8. Диаграмма работы сигнализации «превышение» с защелкой

Помимо выполнения функций сигнализации, преобразователи обнаруживают аварийные ситуации, которые могут возникнуть в системе: обрыв линий связи выходных сигналов (только для 4…20 мА), выход параметров сигналов за допустимый диапазон, целостность параметров в энергонезависимой памяти. При обнаружении аварийных ситуаций (не путать с работой сигнализации) на преобразователе зажигается индикатор АВАРИЯ, на дисплее отображается код аварийной ситуации, а выходной ток принимает значение, которое при конфигурировании задает пользователь – низкий или высокий аварийный уровень. Измерительные системы, принимаю­щие сигналы преобразователей, регистрируют эти аварийные уровни и, следовательно, обнаруживают аварийные ситуации.

Питание преобразователей ­НПСИ-ЧВ/ЧС в зависимости от модификации производится либо от сети переменного напряжения 220 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 85…265 В), либо от постоянного напряжения 24 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 10…42 В).

Конструктивно преобразователи НПСИ-ЧВ/ЧС выполнены в корпусе с габаритными размерами (D×H×W) 115 × 110 × 22,5 мм, который обеспечивает монтаж на DIN-рельс 35 мм по стандарту EN 50 022.

Настройка преобразователя (конфигурирование) осуществляется пользователем с передней панели с помощью кнопок с контролем по цифровому двухразрядному дисплею (рис. 9). На цифровом дисплее отображается уровень сигнала в процентах от диапазона. Уровень сигнала наглядно показывает и линейный бар-граф.

Рис. 9. Органы индикации и управления на передней панели преобразователя

Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений производится с помощью разъемных клеммных соединителей (рис. 10).

Рис. 10. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

Нормирующие преобразователи НПСИ-ЧВ/ЧС, выпускаемые НПФ «КонтрАвт»,, рассчитаны на эксплуатацию при температуре от –40 до +70 °С и относительной влажности 95 %.

Преобразователи предоставляются в опытную эксплуатацию, поэтому пользователь имеет возможность опробовать эти устройства в работе, оценить их характеристики и принять обоснованное решение об их применении.

Импульсные сигналы

Как показано ниже, импульсный сигнал или сигнал прямоугольной формы определяется периодом, шириной импульса, передним и задним фронтом.

Период

• Период: величина, обратная частоте, имеет максимальное значение 1 000 000 с. Значение по умолчанию 1 мс.
• Прибор регулирует ширину импульса и время фронта в соответствии с заданным периодом.
• Лицевая панель:

Выбор импульсного сигнала.

Выбор периода вместо частоты.
Установка единиц измерения частоты.

Ширина импульса

Длительность импульса – это промежуток времени между 50% порогового значения переднего фронта импульса и 50% порогового значения следующего заднего фронта.

• Ширина импульса: до 1 000 000 с (см. ограничения ниже). Ширина импульса по умолчанию равна 100 мкс. Минимальная длительность импульсов для серии 33500 составляет 16 нс, а для серии 33600 – 5 нс до 4 В между пиками и 8 нс до 10 В между пиками.
• Задаваемая ширина импульса должна быть меньше разницы между периодом и минимальной шириной импульса.
• Прибор отрегулирует ширину импульса в соответствии с заданным периодом.
• Лицевая панель:

Коэффициент заполнения импульса

Коэффициент заполнения импульса определяется следующим образом.

Коэффициент заполнения = 100 (ширина импульса)/период

Длительность импульса – это промежуток времени между 50% порогового значения переднего фронта импульса и 50% порогового значения следующего заднего фронта.

• Коэффициент заполнения импульса: 0,01 % – 99,99 % (см. ограничения ниже). Значение по умолчанию – 10 %.
• Коэффициент заполнения импульса должен соответствовать следующим ограничениям, которые определяются минимальной шириной импульса. Прибор отрегулирует коэффициент заполнения импульса в соответствии с заданным периодом.

Коэффициент заполнения > 100 (минимальная ширина импульса)/период

Выбор импульсной функции.

Переход к коэффициенту заполнения.

Время фронта

Время фронта определяет время перехода для переднего и заднего фронта импульсного сигнала (независимо или совместно). Время фронта представляет время между пороговыми значениями 10 % и 90 %.

• Время фронта: минимальное значение 8,4 нс для приборов серии 33500 и 2,9 нс до 4 В между пиками или 3,3 нс до 10 В между пиками для приборов серии 33600. Максимальное значение 1 мкс и по умолчанию 10 нс.
• Задаваемое время фронта должно соответствовать заданной ширине импульса, как показано выше. Прибор отрегулирует время фронта, чтобы обеспечить соответствие заданной ширине импульса.
• Лицевая панель:
• SCPI:
  [SOURce[1|2]:]FUNCtion:PULSe:TRANsition:LEADing seconds>|MINimum|MAXimum|DEFault>