автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и средства преобразования однократных временных интервалов в системах измерения и управления

ХАРЬЮВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХШЧНИЙ УШВЕРСИТЕТ А П РАДЮЕЛЕКТРОШКИ

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ОДНОКРАТНИХ ЧАСОВИХ 1НТЕРВАШВ В СИСТЕМАХ ВИМ1РЮВАННЯ ТА КЕРУВАННЯ

Спещальтсть 05.13.05 - елементи та пристроТ обчислювальнсм техники та систем керування

Автореферат дисертаци на здобуття наукового ступени кандидата техшчних наук

Кадацька Ольга Йосшшша

УДК 681.325.023: 621.317.725,2

XapKÍB 1999

Дисертащею с рукопис

Робота виконана у Харювському державному техшчному ушверсите-п радюелектронпси Министерства освети УкраТни.

Науковий кер1вник: доктор техшчних наук, професор

Руденко Олег Григорович, Харивський державний техшчний ушверситет радюелектроники, завщувач кафедри електронних обчислювалышх машин

ОфщШн! опоненти: доктор техшчних наук, с.н.с.

Дмитр1енко Валерш Дмитрович, Харгавський державний пол5техшчний ушверситет, професор кафедри обчислювально!" техники 1 програмування

доктор техшчних наук, професор Борисенко ОлексШ Андршович, Сумський державний ушверситет, завщувач кафедри атоматики 1 промислово!' електрошки

Провщна установа: Науково-виробниче об'еднання "Хартрон"

Мшстерства промислово!' полкики Украгаи, м. Харюв.

Захист вщбудеться " 7 " жовтня 1999 р. о 14.30 годиш на засщанш спещаМзовано! вченоТ ради Д 64.050.07 у Харивському державному шштехшчному ушверситет!, за адресою: 310002, м. Харив-2, вул. Фрунзе, 21.

3 дисертащею можна ознайомитись у б1блштещ Харювського державного нол1техшчного ушверситету.

Автореферат розкланий "30 " серпня1999 р.

Вчений секретар спещашзовано! вченоТ ради

Шкварко Ю. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалыпсть теми. Досягнення сучасно'1 обчислювальноТ техники вщкривагать нов! можливосп контролю 1 керування в багатьох галузях людськоТ д1яльност1. Впровадження ЕОМ в системи керування неможливо без використання перетворювачш безперервних величин самого широкого класу. Висока точшсть функцюнування об'еюпв керування 1 Ухня надшшсть забезпсчуються за умови отримання т'ропдних ; точних знань Ухшх иайважливниих характеристик, у тому чис;н 1 часових.

При р1шенн1 науково-техшчних проблем, що вшшкають у багатьох природничих 1 техшчних науках, з'являються задач! високогочного викирювання штервал^в часу з урахуванням реальних характеристик доелщжуваних явищ, процеав, об'сьгпв. Такий процес може характеризуватася виникненням однократного часового штервалу у зв'язку з неможливютю або високою вартктю його повторения.

Прецизшне перетворення безперервноГ часово'1 шформацн в цифровий екв1валент визначае потребу в розробщ аналого-цифрових перетворювач^в, заснованих на високоточних методах вим1ру. Висока точшсть перетворення отримана для перетворювач1в перюдичних часових штервал1в у код, побудованих за методом зб!гу. Розвитком зазначеного методу е метод збп-у ¡мпульст пакетами. При вим1рюванш достатньо протяжного штервалу збер1гаеться значимють методу прямого шдрахунку 1 в нишшшй час, це обумовлене розвитком нових технологий \ ноявою високочастотних серш елемент1в. Для коротких однократних часових штервалт застосовуюгься р'пномаштш методн масштабно-часового перетворення, у тому числ! ношусний, методи час-амшптудного перетворення, як! мають обмеження по точност!, динашчному д1апазону. У зв'язку з цим, актуальною задачею е розробка 1 доаидження нових метод1в перетворення однократних часових штсрвал1в у цифровий екв!валент, яю мають малу похибку перетворення I поеднують переваги цифрово! обробки шформаци та простоту техшчноУ реалЬацп.

Зв'язок роботи з науковими програмами. планами, темами.

Дослщження 1 розробки проводились вциювщно тематичному плану науково-дос.'пдних роб1т ХТУРЕ на 1992-1998р., затвердженому Мппстерством освт УкраТни, у рамках держбюджетних тем "Досл1дження 1 розробка перспективних засоб1в проектування електронних систем 1 к застосування в навчальному процес! в комп'ютернш шженерп" (№453-2), "Розробка системи моделювання засоб1в обчислювальжм техшки" (№279-1), "Нов! архитектур!«

принципа побудови систем обробки вщеозображень в реальному масшта часу" (№462-1) та при розробщ теми "Створення наземно!" kocmihhoT мере: радютелескошв для досшдження об'осйв дальнього космосу" по держконтрак № 2.2.1-98 'Интерферометр" М1Ж Косм1чним агенством Украши Радюастроном1чним шстшугом HAH Укра'ши.

Мета та задач! дослмження. Метою робота е створення методш структур аналого-цифрового перетворення однократних часових штервал1в тривалост! одиночних ¡мпульЫв ¡з використанням методу зб!гу 1мпульс пакетами i призначених для використання в системах ближньо! дальнометрй шших системах.

Для досягнення поставлено? мети необхщно вир^шктк так! задач!:

- шдвищення роздшювально! спроможност1 i точносп перетворювач однократних часових штервалгв у широкому динам1чному диапазон! для сист< керування i вим1рювання;

- розробка i дослщження методу паралельного осереднення використанням р!зницево-першдного кванту;

- дослщження можливостей удосконалення ношусних перетворювач1в;

- розробка i дослщження нон1усного методу з використанням пакетно збхгу 'шпульс'ш;

- розробка i дослщження методу i техшчних 3aco6iB перетворен тривалоси одиночного ¡мпульсу в код;

- визначення основних дестабшзугачих чиншшв запропонованих мето; i дослщження похибок перетворення, обумовлених цими чинниками;

- розробка техшчних засоб1в, яи реалЬують запропоноваш мето перетворення.

Метода дослщження засноваш на засобах теорп ймов!рностей математично'1 статистики, шформацшно'1 теорп BHMipiß, спектрального aHani: теоретичних основ шформацшно-вим1рювально'1 техшки. Для доашджен процесу утворення рЬницево-перюдноТ м5ри застосовувалися методи тео

зб!ПВ ¡МПуЛЬСНИХ ПОТОК1В.

Наукова новизна дисертацшноТ робота полягае в наступному:

- проведено анал!3 придатноеп методу 36iry регулярних ¡мпульсн потоюв i обгрунтована доцшьшсть застосування методу 36iry ¡мпуль< пакетами для вимфювання однократних часових штервамв в прецизшн BHMipiiHKax, ÄKi можуть бути використаш в системах ближньо1 дальномстр1У д керування просторовим положениям об'еючв;

- розроблено метод паралельного осереднення для внм!ру часового ¡нтервалу з використанням р1зницево-перюдного кванту, отримана математична модель методу i алгоритм його реагйзагш;

- розроблено ношусний метод перетвореиня часових штервал'ш на ocnoBi пакетного зб!гу ¡мпульс1в, отримане вщпов1дне р^вняння перетвореиня;

- запропоновано cnociö втн'ргованнятривалосп одиночного ¡мпульсу, отримано аналггичний вираз, що описуе процес перетвореиня, показано використаняя таких перетв0рювач1в в системах вим^рювання координат об'сктт. Новизна способу шдтверджена патентом Росшсько! Федсракп;

- розроблено rexHiHHi засоби, як! реал!зують запроионоваш методи перетворегпгя часових ¡нтервал!в, новизна техшчних ршень шдтверджена авторськими свщоцтвами на винахщ.

Практична щннцггь роботи полягае в тому, що запроионоваш методи дозволяють здшснювати перетвореиня однократних часових штервал1в з високою точшстю, що досягае величин порядку одиниць шкосекунд. Розроблено схеми пристрош, ям реал1зують даш методи, для застосування в гсрецизшних вим1рниках часових интервалов та Ix використання при створенш :истем автоматичного керування просторовим мкцезнаходженням об'еюпв. £noei6 i TexHi4Hi решения, реал1зоваш у перетворговач! тривалосп одиночних ¡мпульЫв, були використаш при створенш наземпоГ KocMiniioi мережт для зим1рювання координат косм1чних щтучних тш у Радюастроном1чному нститут! HAH УкраТни. Hayxoni положения, висновки i рекомендацГ), зикладеш в дисертацп, були використаш при пщготовщ курс ¡в "Перифершш ipucTpo'i ЕОМ, мереж i систем", "Системи цифровое' обробки ¡нформацй"" на сафедр! ЕОМ Харювського державного техшчного ушверситету эадюелектрошки.

Особистнй внесок здобувача. У poöoTi [1] автором запропоновано 'досконалення ношусного меюду перетворговання часових штервалш. 'оботи [2-4] написаш особисто автором. В робот! [5] автором запропоновано ;uociö перетвореиня тривалост! одиночного ¡мпульсу в дифровий екивапент, ивняння перетвореиня, розробка процесу перетвореиня. В роботах [6,7] .втором розроблено схемш реал1зацп паралельного осереднення. Б робот! [8J ¡втором отримано р1впяння перетвореиня ношусного методу, та його схемна 1еал1зац1я. У роботах [9,10] автором розроблено метод паралельного юсрсднення з використанням рпннцево-псрюдноУ Мфи, запропоновано авняння неретворення, схемна реашзащя методу. Робота [11] написана |Собисто автором. У poöoTi [12] автор оцшив можливост! точного вим!рювання асових ¡нтервал!в загтропонованим методом.

А

Апробашя роботи. Основт результата дисертащйно! робот доповщапись i пройшли обговорення на Республканськш кауково-техшчш конференци «Структуры методи шдвищення точносп, чутливост i швидкод вим1рювальних прияад1в i систем» (Житомир, 1985р.), на III Всесоюзш науково-техшчшй конференцп «Метролопя в дальнометрц» ( Харшв, 1988р. 2-ш та 3-ш КИжнародних конференциях «Теория та техтка передач!, прийому т обробки шформацп» (Туапсе, 1996р., 1997р.).

Публжашь Основш положения дисертацшно! роботи опублковано в 1 друкованих роботах, i3 них у 4 статтях, 1 патент!, 4 авторських свщоцтвах, депонованих наукових працях, 1 у працях Всесоюзно'! науково-техшчш конференци.

Струюура i обсяг роботи. Дисертацш складаеться з вступу, п'ят роздшв i висновку, включаё б5блюграф1К> з 104 найменувань, 4 додаткй Загальний обсяг дисертацп складае 184 сторшки, в тому чит 119 стор1но тексту, 25 малюшив.

3MICT РОБОТИ

У встуш обхрунтовусться актуалыпсть теми, формулюеться Mei роботи, наводиться П наукова новизна та практична цшнють.

У першому роздш розглянуто rany3i використання перетворювач] однократних часових штервал^в, Yx особливоси, та проведено анализ ¡снуючи мстод1в перетворення. До галузей використання перетворювач;в однократни часових ¡нтервал^в можуть бути вцдаесеш системи керування просторови: мкцезнаходженням об'екпв, вим1рювання лшшних перемщень в система керування, геодез!я, радю- i оптична лoкaдiя( вимфювання електричних перетворених в електричш величин, електронн! методи вим)'ру в ядернш ф1зиц!

Дана робота е розвитком теоретичних та практичних результат! дослщжень по створенню АЦП величин частотно-часово1 групи, принци роботи яких заснований на метод! 36iry 1мпульс1в. Розглянуто клас метод! аналого-цифрового перетворення однократних штервал1в часу, ix переваги недол!ки. Показано, що найбшын високу точшсть мае метод пакетного зб»г ¡мпульав. Здшснено постановку задач] досл'щження, обгрунтовано мет дослщження.

Другим роздш присвячений розробщ методу паралельного осередненн з використанням р1зницево-перюдно'1 м)ри.

Використовуючи сп1ВВ1дношення Teopi'i iM0BipH0CTi показано, щ протяжний однократний часовий штервал може шдлягати статистичном

эсередненню при паралельному його перетворенш в п каналах. В кожному з анатв отримано значения невщомо! величини 1Х часового штервалу, що [ор1внюють (х1, ..., Осереднене значения часового штервалу (х, що ;им'фюсться, матиме вигляд:

= --щ---ъ, о)

1е Л'„ - цифровий екв1валеит ¿-тих штервалт часу; п/ - число додаткових каналов псретворення; п - загальне число додаткових канал1в перегворення, п~п,+п2-, Та - перюд повторения квантуючих ¡мпульсЬ. ^ипадковкй розкид параметров лшш затримки, на яких отримат 1Х}, ..., итервалш, забезпечуе випадковий характер появи стартових ; стопових мпульав в ¡нтервал1 Т0, що е пepioдoм повторения ¡мпульешн посл1 довноси. 1ри цьому час перетворення зб1льшиться на наибольший час затримки 1дпов1дно! лши затримки тяз тах. Показано, що кшцева трив&шеть 1мпульс1в осладовностей, розглянутих в такому перетворенш, призводить до появи асово! невизначеносп, зикликаноТ зб!гами стартових ! стопових ¡мпульав з вантуючими.

На основ! дослщження математичноУ моде;п процесу 361 гу регулярних ч-пульсних посладовностей видшеш режими зб'1гу, що В1др1зняються р1зною еличиною модуля ршшщ ^-\ТгТо\ лерюд!в повторения Т: 1 Ти зб!жних отошв:

- тривалост1 ¡мпульс1в обох послщовностей т глвш величин! 01, тобто

■= «Й;

- триаалосп ¡мпульав обох посл^довностей бшьше величини модуля ¡знищ пер!0Д1В, тобто г>$ або т»&.

' першому випадку результуючий пот ¡к ¡мпульЫв являе собою одиночш егулярш зб1ги 1мпульс1в, у другому - збгг ¡мпульав пакетами. Частота роходження результуючого потоку в обох випадках дор^внюс р'шшцевш асто'п /Р"=/о - //. число ¡мпульав у пакет! зб1гу визначаегься як = 2 • г -/о/!-/"',, - Тут/о ¡/г - близьк! частота ироходження зб1жних потоюв а ершдами повторения Т0 1 Г/. Вщомо, що шдвищення роздичовальноГ здатност! точносп перетворення може бути досягауте при використанш зб1гу ¡мпульав акетами.

У робот! для усунення часовоТ невизначеносп, викликаноТ зоилами

стартових 1 стопових ¡мпульст ¡з квантуючими при перетпоренш з паралельним оссредненням, будемо використовувати р!Зницево-перюдну М1ру (РПМ):

/о ' ]\

Слщ зазначити, що в цьому режим! зб1пв вщбуваеться масштабно-часове перетворення часових штервашв, обумовлених параметрами вхщних регулярних 1мпульсних потоков. Одна ¡з зб!жних ¡мпудьсних послщовностей мае пepioд повторения 2Т0, шша - послщовшсть затриманих на л'нпях затримки стартового 1 стопового ¡мпульав у в1дпов!дних каналах перетворення. Найбшын прийнятною оцшкою тривалост1 дослщжуваних штервашв е фксащя на часовш В1С1 центр1в пакейв зб1гу. Пвняння перетворення, обумовлене методом паралельного осереднення, мае вигляд:

и = (пч2 + N/1/2- пц1)8и (3)

де пч2, п'Ч2 - номер центрального ¡мпульсу пакета збтв в стартових I стопових каналах вщповщно;

N — цифровий екв^валент интервалу часу, вущовщний повному числ) перюдш квантуючоТ частота м!ж стартовим I стоповим ¡мпульсами. Номери центральних 1мпулылв пакет1в зб!гу в стартових 1 стопових каналах, щс входять в (3), визначаються як:

пЧ2=М0+М,/2, (4)

п '^=N^+N'¡/2. (5;

де Ы0, Ы'0 - число позицш, що вщповщають стартовому або стоповому потокам що не ствпали з другим ¡мпульсом потоку з перюдом повторения То 1 (або 1мпульсам зазначених потоюв, що сшвпали, з амплитудою, недостатньою дл) преключення елеменпв схеми;

ЛГ/, N'1 - число одиниць, вщшдадних ¡мпульсам стартового або стоповогс потоюв, що сшвпали з потоком, який мае пер'юд повторения 2Т0. Квантом в даному метод! е величина р1зницево-перюдно1 М1ри

У робот! показано, що для утворення в стартовому 1 стоповом канала) по одному пакету збтв означених зб1жних потоюв, необхщно виконання умов! ¿1=2Т(/п.

При визначенш точносп перетворення методу паралельного осереднення з застосуванням piзницeвo-nepioднoT М1'ри встановлеш основт дестабЫзуюш чинники, що с причинами виникнення шструментальноУ Г методично'1 похибок. Показано, що методичною похибкою перетворення с величина р1зницево-перюдно1 м1ри Результата анялпзу процесу перетворення евщчать про те, що для режиму збпу ¡мпульЫв пакетами характерна наявшеть похибок через короткочасну нестабшьшсть а частот застосовуваних генератор1в ¡мпульав, а також випадкових електричних флуктуащй, що д:готь у вузлах перетворговача. Змша числа ¡мпулыпв пакету 36117, що викликасться короткочасною нсстабшыпстю частота, дор1внюе

(6)

'р

Невизначешсть числа ¡мпульс1В пакета зб1гу, що визначаегься дпочим шаченням теплового шуму £/ш, мае вигляд:

и

(7)

шки/

и р

^e Ки - коефвдент крутизни франту ¡мпуд?.с1в зб>гу. ¡начення пеличини С/ш визначасться р^вшшням Найквюта.

Використання принципу вир1внювання частинних похибок кструментального характеру для методу паралельного осереднення з шкористанням р1зницево-перюдно1 м1ри дозволило знайти оптимальне шчення р1зницево1 частота/р, при якому piвнi похибки через тепло!» шуми (7) нестабшьшсть частот (б). Зниженпя похибки перетворення може бути десягнуто шляхом зменшення величшш р^зницево! частота, але при цьому ¡еличина шструментальноТ похибки зростае. Це призводить до необхщност! астосування кварцевих генератор!в з малою нестабшыпспо частота 10"'° с та 1енше. Похибка перетворення для штервалш тривалога 500 пс складас «личину 0,4 пс.

У третьему роздш1 на основ! дослщження основних складових похибки юшусного методу перетворення показано, що ¡снуе похибка, що викликаеться шцевою тривалктю ¡мпульс^в поток1В генератора основно'У I ношусиоУ астоти. Це призводить до зб^гу ¡мпульав розглядуваних потокш пакетами 1 е ерешкодого в подальшому вдосконалешп ношусних вим1'рниюв часових

штервад'ш.

При розробщ нотусного методу перетворення з використанням РПМ, пропонуеться застосування означеного недолЬу для тдвищення точносп перетворення. Вданачаеться, що в режим! збтв пакетами вадбуваеться масштабно-часове перетворення основно-/ I нотусноТ послщовностей. Для уточнения похибок квантування початку I кшця ¡нтервалу часу, що вим^рюеться, застосовано принцип двохканальносп. Часов! штервали ! що е похибками квантування початку ! кшця в реальному масштаб] часу, трансформуються в тривалосп пакет!в збЫв у стартовому ! стоповому каналах ввдповщно. Р!зницева частота /р проходження пакетгв е при цьому низькою частотою. Перюд проходження Т0 основно! частоти, на як!й утворен! часов! зсуви // ! Ь, перетворюсться в перюди проходження пакет!в ТР1 ! Трг у стартовому! стоповому каналах в!дпов!дно.

Часов! штервали ^ ! що шдлягають перетворенню в стартовому I стоповому каналах, визначаються таким чином:

'/=«/о (Г, - То), (8)

¡2=п02(Т0-Т2), (9)

де Г/ 1 Т2 - пгр?оди повторения нон!усних потоюв в стартовому ! стоповому каналах вщпов'щно;

пю — число ¡мпулдов перюду повторения Г, вщ стартового 1мпульсу до середини пакету зб!гу в стартовому канал!;

П02 - число ¡мпульав пер!оду повторения Т2 вщ стартового !мпульсу до середини пакету зб!гу в стоповому каната.

Р^зниця перюд!в повторения Т, ! То ¡мпульав основноТ ! ношусноУ частоти в стартовому канал! ! перюд^в повторения То 1 Т2 ¡мпульс!в основной { ношусноХ частоти в стоповому канал*!, що визначаються як РПМ (2) ¿км! &02 стартового ! стопового какал!в, знаходяться слвдуючим чином:

<5'02 ~ Тц - Т2 -

А

/о-/2'

(10) (И)

/р2 - р/зницева частота в стартовому 1 стоповому каналах вщповцщо.

Зеличини п,а \ п02, що входять у вирази (8) 1 (9), визначеш як

(13)

г N,1, N¡2. N21, N22 - число ¿миульсш в перитому ; другому пакетах збшв в гартовому 1 стоповом каналах вщповщно;

Ы'/ - число шпульЫв частота //, тдраховане за часовни штервап вщ гартового ¡мпульсу до ¡мпульсу початку пакету зб!гу; М'2 - число ¡мпульЫв перюд1в повторения Т2, яю пройшли вщ стопового шульсу до ¡мпульсу початку пакету збпу.

нал13 виразт (8), (9) показав, що дсжшуючими похибками 1 в цьому випадку € эхибки вщ нестабшьност1 частота /} 1 /д якщо зйом вим1-рювальноТ шформацп (шснювати традицшно. Подальшого шдвищення роздкчювальноТ фоможностг 1 точное« можна домогтися, здшенюючи процес перетворення у

1ГЛЯД1

я/в-М-^-, (14)

„„= (15)

: Л'; 1 N2 - число ¡мпульав поток!» з перюдами повторения Г/ "1 Т2 В1Д моменту 'ску вщгошдних генератор!в до кшця першого пакету збкчв в стартовому 1 оповому каналах.

дзначаеться, що коефинент масштабно-часового перетворення аизначаеться : К~ТР/Т0, при ¡~1,2. При постШному коефппигп трансформацп протягом (клу перетворення аналоичш вирази для штервал!в //112 визначеш як

(16) (17)

МР1, МР7 - число ¡мпулшв, випошдне перюдам р]'зницевих частот в

стартовому 1 стоповому каналах вщповдао. Значения 1 знайдеш таким чином, швар^антш щодо значень частот/, а отже 1 Тх нестабшьностей.

Розглянуто мехашзми виникнення загально'1 похибки зб1гу ношусного методу перетворення з використанням РПМ, що складаеться з методичноТ 1 шструментальних похибок.

Максимальне значения методично!' похибки в реальному масштаб] часу при складае величину

Таке ж значения методично!" похибки на р!зницев1Й частот!, виражене через число перюд1в повторения Т0, мае вигляд:

г Т гр

= (18) Т, Тр

де «5ГР - екв1валент р1зницево-перюдно1 мфи ёс,

Тр =/р~' - перюд р1зницево1 частота. Значення Шм дор^внюе одному перюду повторения ¡мпульсно! постдовкосп, на як!й дослщ-куеться штервал часу, що перетворюеться.

Змша кшькост! 'шпульс'ш пакетав в стартовому 1 стоповому каналах за рахунок теплових шум1в визначаеться виразом

2-11 Т2

Ш^-^--3—. (19)

Ки Л

Похибка перетворення, обумовлена нестабшьшспо частота, яка виражена в змш кшькосп ¡мпульыв пакетов, дор1внгое

(20)

'р

Геометричне складання означених похибок (18,19,20) дае оцшку максимального значення похибки код!в в¡д змши кшькост! ¡мпулылв пакету

и

Максимальне значения похибки перетворення ношусного методу з користанням РИМ та врахуванням (21) визначаеться виразом:

л ¿М т

< = "д? 0' (22)

' п

1-1,2.

Значения СКО складае величину 5,6пс за результатами 30 шм1рювань

(22)

д

1=1, 2.

томогого пакетного зб1гу ¡мпульс1в двох регулярних ¡мпульених ;л1довностей. 1мпульс тривалост! ¿х, що перетворюеться, багаторазово зторюеться на двох (я-/)-розрядних л1н!ях затримки, у результат чого юрюються дв1 посл1довност1 ¡мпульЫв 1з перюдами повторения Т1 [ Т? \ нидево-перюдною м!рою 81=Тг-Т\- Дал! формуюеться пакет зб!гу шляхом тчного перемножения розглянутих послщовностей, а попм фшсуеться число [улье]в пакету, що сп!впали повшетю. Розгляд пакету зоил в вигляд1 егрального сигналу дозволяе вщзначити, що в даному випадку вщбувасться нсформащя спектру 1 часових параметры* шшдних ¡мпульсних потоюв. глщження процесу перетворення входного ¡мпульсу в б'шьш протяжний, що е [баючою пакету зб1пв, показали, що коефвдент масштабно-часового ¡етворення визначнться слщуючим чином:

К у- = —- -

т

л

г,

т т. 2 -г.

Тр - перюд повторения пакет1в ¡мпульс!в; Т/ - пер ¡од повторения входного ¡мпульсу; % - тривалкть дослщжуваного ¡мпульсу; г„ - тривалкть пакету зб)пв.

■сазано, що число позицш ¡мпульав пакету збшв, вщповщних ¡мпульсам, що »пали, з амшшудою, недостатньою для переключения вузл1в перетворювача, начаеться шляхом шверсного квантування { утворення додаткових пакет ¡в. е розташування в результуючему пакет! визначаеться наступним чином:

М =

'(Л^ ч-Лр 12)+(&-1) = к, .(ЛГ| +И0 12)-(& -1) = к-

якщо к< + 1 2 + 1 2

якщо И + 1,

(23)

дс к-номер м1сцеположекня ¡мпульсу в додатковому пакет!. Р1вняння перетворення даного способу мае вигляд:

и=[(И,+1) +2 (М,0-1)]&\=т+1) +2[(п-1)- И',]} (24)

де N1 - цифровий екв1валент тривалосп ¡мпульсу, який обмежений порогом переключения схем зб1гу (пряме квантування);

N'1 - цифровий еквовалент половини тривалосп ¡мпульсу з амшптудого, розташованою нижче порогу переключения схем зб!гу (¡нверсне квантування); N'0 - число ¡мпульав додаткового пакету 36117 (нульовий пакет); и - число додаткових каналов вим5ру. Доапазон вим1ру тривалосп ¡мпульав, що вимрюються (24), визначений як

Проверено анап1з похибок перетворення запропонованого способу, методична похибка якого дopiвнк>e р!зницево-перюднш м1р1

де - час затримки 1 - то!' ЛШ11 затримки.

Результата анализу процесу перетворення показали, що для даного способу характерно наявшсть ¡нструментальних похибок, як! викликаються термодшашчними флуктуащями та викривленням ¡мпульс5в у лш1ях затримки. Змша числа ¡мпульав пакету, обумовлена наявшстю термодшамгчного шуму, визначаеться як

&„-31-Ь(ц1) - (и,-,

(25)

(26)

де и0 - максимальне значения амшитуди ¡мпульав.

Проведено а)шиз викривлення ¡мпульст у Л1шях затримки, запропонована програма розрахунку, знайдено значения змши числа ¡мпульс)в пакету 8М,3 в!д

його дп. Абсолютов значения сумарнсл похибки перетворення тривалост! одиночного ¡мпульсу мае вигляд:

54= (2N'o-SMi -Ni-ßN'o)St, (27)

де 5/V), SN'о - похибки код^в N, i N'n, визначет з урахуваниям (25),(26), значения <5У„та аналогично (21).

K'uibKiciii оцшки часово1 невизначенос/ri, обумовленсл зазначеними чинниками, склали величину 5f,3=10"uc для ¡мпульсу тривалост!, ршноУ 1нс, нохибка перетворення (27) доршнюе 2,7 пс. Для часових затримок наносекундного д1апазону кал!бропа:п лши затримхп, побудоваш на коаксиальному Kaoejii, можуть буги в!дкал1броваш з точшстю 10"14 не. Застосування таких J13 дозволить шдвищити точшеть перетворення.

У н'ятому роздш запропоновано техтчну реал1зацно структур ПЧК, заснованих на запропоновних методах, яга виконаш з застосуванням синтезу цифрових автоматов. Для отримання результату вим1ру тривалост! часового штервалу за методом паралельного осереднення застосовуеться типова структура МПС i програма, моделгаюча пронес перетворешгя. Технична реагпзащя ПЧК зд^йснена з урахуванням сучасного р1вня розвитку номенклатури cepift ¡нтегральних микросхем, що випускаютьея. Наведено результата ехсперименталыкн переварки вдосконаленого ношусиого методу i його розрахунков1 кшьюеш оцшки, як'| повшетю шдтсерджують отримшп теоретичш результата. 3 метою обробки результата перетворення в реальному масштаб! часу для перетворювача тривалост1 одиночних ¡мпульспв побудована структура пристрою спряжшня, який шдключае ви.\прювальний блок перетворювача до персонального комп'ютеру типу IBM PC через системну магистраль ISA. Пристрой спряжшня функцюнуе в якосп конфолера об мшу даиими «¡ж втпрювалышм блоком перетворювача i персональним комп'ютером 1пд управлшням драйвера, працюючого в операцШному середовищ1 MS-DOS. Наведено практичне використання претворювач1в часових штервагнв в системах керуватгя.

OCIIOBHIРЕЗУЛЬТАТИ IВИСИОВКИ

1.В результат! проведение доелдаень показано, що при розробщ систем керування просторовим мюцезнаходженням об'екпв, систем вим^рювання координат об'екпв i'x невщ'емною частиною с ПЧК мало! тривалостк

2.Проведено поршпяльний анал!з ¡снуточих методов i 3aco6iB

перетворення однократних часових штервал1в, в результата чого встановлено, що розробка I дослщжсння метод1в перетворення, що мають мапу методичну похибку, е важливою проблемою.

3.Показано, що вимоги високо!' точноста ПЧК можуть бути задоволет застосуванням методу зб1гу ¡мпулылв пакетами при розробщ нових методов аналого-цифрового перетворення однократних часових ¡нтервал1в з використанням 1х в системах ближньо1 дальнометри та ишшх системах.

4.Дослщжено процеси зб1гу регулярних iмпyльcниx потоюв р1зних частот проходження 1 утворення р1зницево-пер'юдно1 м1ри при зб1гу ¡мпульав пакетами близьких частот проходження. Значения РПМ складае величину 1(Г12- 10'1бс.

5.Розроблено метод перетворення однократних часових штервалш паралельним осередненням з використанням р!зницево-перюдноТ м1ри. Розробдено ношусний метод з використанням зб'иу 1мпульс1в пакетами в широкому д!апазош 5 споЫб перетворення тривалосп одиночних шпульав в цифровий екв1валент, яи можуть бути використаш в системах керування просторовим М1сцезнаходженням об'екпв. Диапазон перетворення коротких часових штервал1в розширено у запропонованих методах та доведено до величини 2-10"10 с.

6.Визначеш основш дестабЫзукт чинники 1 доопджеш основн! похибки перетворення. Отримаш аналггичш вирази для оцшки методичних ) шетрументальних похибок. Проведено аналп похибок перетворення та визначено ис юльмеш характеристики, яи складають величину 5 пс 1 можуть бути доведен! до 0,1 пс. Це потребуе застосування високостабшьних кварцевих генератор1в. Способ перетворення тривалост! одиночних ¡мпульав може застосовуватисч для знаходження розм1р1в об'екив в системах ближньоУ дальнометрн, це розширюе коло задач, яы виршуються системою керування просторовим мюцезнаходженням об'екпв.

7.На основ1 використання методов лопчного синтезу цифрових автомата 1 методу зб1гу ¡мпульыв розроблено структури ПЧК однократних часових штервал!в, що реалвують запропоноваш методи перетворення. Техшчна реатзащя з використанням сучасноТ елементнох бази широкого застосування гарантуе можливють промислового випуску розроблених пристроУв.

8.Проведено експериментальт дослщження нотусного методу збпчв ¡мпульав пакетами. Здшснено моделювання методу паралельного осереднення з використанням р1зницево-перюдноТ м1ри за допомогою мшропроцесорного пристрою. Розроблено вбудоиаш засоби обробки результатов перетворення тривалост1 одиночного ¡мпульсу в цифровий екв1валент. Показано практичне

ткористання способу тривалосп одиночних ¡мпульс'т.

9.Перспективним напрямком подальших дослщжень по тематищ робота удосконалювання перетворювач1в тривалосп одиночних ¡мпульив, що ають в тому числ1 i складпу форму, hkí можуть буги використаш п системах втоматичного керування.

ПУБЛ1КАЦИ ПО TEMI ДИСЕРТАЦН

1.Тырса В. Е., Кадацкая О. И. Повышение точности измерения днократных временных интервалов // Метрология. -1987. -№3. -С.35-42.

У po6oT¡ автором запропоновано удосконалецня пошусного методу еретворювання часових штервал1в.

2.Кадацкая О. И. Преобразование длительности одиночного импульса в од // АСУ и приборы автоматики. Сб. науч. трудов. -Харьков: ХТУРЭ, 1998. -!ып.107. -С.34-36.

3.Кадацкая О.И. Метод параллельного осреднения для преобразования днократных временных интервалов // Радиоэлектроника и информатика. -998. -№4. -С.33-34.

4.Кадацкая О.И. Погрешности метода параллельного осреднения для реобразования однократных временных интервалов // Радиотехника. Сб. науч. рудов. -Харьков: ХТУРЕ, 1999. -Вып. 109. -С.155-157.

5. Пат. №2012025РФ, МКИ G 04 F 10/04. Способ измерения лительности одиночного импульса и устройство для его осуществления/ ). И. Кадацкая, А. И. Камешока, Е. А. Канарейкина (Украина); №4912393; аявл. 20.01.91; Опубл. 30.04.94, Бюл. №8 -18с.

В po6oTÍ автором запропоновано cnoc¡6 перетворення тривалосп диночного ¿мпульсу в цифровий екв1налент, р!вняння перетворення, розробка [роцесу перетворення.

6.А.с. 600507 СССР, МКИ G 04 F 10/04. Цифровой хронометр/ i. Е. Тырса, В. В. Дюняшев, О. И. Антонова (СССР). -№ 02347143 Заявлено 2.04.76; Опубл. 30.03.78, Бгол.№ 12 -4с.

В робот! автором запропоноват схемш реал1зац1'1 паралельаого »середнення.

7.A.C. 600459 СССР, МКИ G 04 F 10/04. Цифровой частотомер/ В. Е. Гырса, В. В. Дюняшев, О. И. Антонова (СССР). -№ 2347895 Заявлено 12.04.76; "»публ. 30.03.78, Бюл.№ 12 - Зс.

В робот! автором запропоноваш схемш реалгзаци паралельного »середнення.

8.A.C. №1550472 СССР, МКИ G 04 F 10/04. Измеритель коротких ¡ременных интервалов/ О. И. Антонова, В. Е. Тырса (СССР). -№4364627; (аявлено 13.01.88; Опубл. 15.11.89, Бюл. №10-15с.

В po6oT¡ автором запропоновано р1вняння перетворення ношусного методу, та його схемна реагнзащя.

9.А.с. №1693588 СССР, МКИ О 04 Р 10/04. Цифровой хронометр/ О. И. Кадацкая, А. И. Каменюка, Е. Л. Канарейкина (СССР). -№4729671; Заявлено 16.08.89; Опубл. 23.11.91., Бюл. №43-17с.'

У робот! автором розроблено процес паралельного осереднення з використанням р^зницево-перюдноТ м1ри, р!вняння перетворення, схемна реал1защя методу.

10. Преобразование ОВИ с параллельным осреднением результата / Кадацкая О. И., Каменюка А. И., Канарейкина Е. Л. -Киев, 1989. -Рус. -Деп. в УкрНИИНТИ 26.10.89, №2293-Ук89 // Опубл. в ук. Депонированные научные работы, №2(220), б/о 716, 1990.

У робот1 автором розроблено метод паралельного осереднення з використанням р13ницево-перюдно1 м1ри, запропоновано р'тняння перетворення.

11. Высокоточное измерение длительности импульса / Антонова О. И. -Киев, 1989. -Рус. -Деп. В УкрНИИНТИ №2278-Ук 88 // Опубл. в ук. Депонированные научные работы, № 1(207), б/о 1176, 1989.

12. Тырса В.Е., Кадацкая О. И. Об измерении коротких интервалов времени II Ш-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Метрология в далыюметрии". Харьков: 1988. - С. 124.

У робот1 автор ощнив можливосп точного вим!рювання часових штервал1в запропонованим методом.

АНОТАЦП

Кадацька О. Й. Методи та засоби перетворення однократних часових штервал1в в системах вим1рювання та керування. - Рукопис.

Дисертахуя на здобутхя наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.13.05 - елементи та пристроТ обчислювальноУ техшки та систем керування. Харювський державний пол1техничний ушверситет, Харюв, 1999.

Робота е розвитком теоретичних \ практичних дослщжень по створенню аналого-цифрових перетворювач^в частотно-часово!' групи, принцип роботи яких заснований на метод1 зб1гу хмпулыпв. Встановлено, що масштабно-часове перетворення однократного часового штервалу призводить до появи пакету збтв двох регулярних ¡мпульсних послдовностей близьких частот проходження, визначення тривалосп якого на низькш частоп здшснюеться з високим ступенем точность Запропоновано методи перетворення однократного часового штервалу, як1 мають малу методичну похибку, алгоритма 1 структури для Ухньо1 реалазацп. Визначеш основш дестабшзуюч! чинники 1 дослщжеш основш похибки перетворення, кшьпсш оцшки яких свщчать про високу

точшсть перетворення запропоновапих методов, та можливкть використання таких перетворювач^в в системах автоматичного керування просторовим мюцеположенням об'екпв.

Ключогм слова: ¡.мпульс, перетворення, часовий пггервал, похибка, пакет 36iry, послщовшсть, р1зницево-иерюдна MÏpa.

Kadatskaya О. 1. Research of methods of transformation of unitary time intervals. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.05 - elements both devices of computer facilities and control systems. - Kharkov State Polytechnic University, Kharkov, Ukraine, 1999.

The work is development of theoretical and practical researches on creation analog-digital converters frequency - temporary groups, the principle of which work is based on a method of concurrence of pulses. Is established, that the scale-temporary transformation of a unitary time interval results in occurrence of a package of concurrences of two regular pulse sequences of close frequencies of following, the definition of which duration on low frequency is carried out with a high degree of accuracy. The ways of transformation of a unitary time interval having a small methodical error, algorithms and structures for their realization arc offered. The certain(determined) basic unstabilizing factors and the basic errors arc investigated, which quantitative estimations testify to high accuracy of transformation of offered ways, and possible used this transformer in automatical system driver spacc situated of objects.

Key words: a pulse, transformation, temporary interval, error, package, concurrences, sequence, difference-perioding a measure,

Кадацкая О. И. Методы и средства преобразования однократных временных интервалов в системах измерения и управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Работа является развитием теоретических и практических исследований по созданию аналого-цифровых преобразователей частотно-временной группы, принцип работы которых основан на методе совпадения импульсов для их использования в качестве элемента систем управления. В результате проведенных исследований определены требования, предъявляемые к преобразователям коротких одиночных временных интервалов системами управления пространственным положением объектов, системами ближней

дальнометрии.

Установлено, что при совмещении во времени двух регулярны импульсных последовательностей близких частот следования образуютс пакеты совпадений. При этом происходит масштабно-временнс преобразование однократного временного интервала. В результате таког преобразования длительность измеряемого интервала трансформируется длительность импульса, являющегося огибающей пакета совпадений. Кро.\-того, осуществляется перенесение высокой частоты следования регулярны импульсных последовательностей на низкую частоту следования пакета Определение длительности пакетов совпадений дает величину искомо! однократного интервала времени. Разработан метод параллельного осредненк с использованием разностно-дериодной меры, определяемой в результат совпадения импульсных последовательностей пакетами, предложено уравнен* преобразования. Для осуществления статистического осреднения с целы повышения точности измерения однократного временного интервала вводятс дополнительные каналы преобразования. Измеряемый интервал времен подвергается преобразованию в таких каналах. При этом время преобразована увеличивается на наибольшее время задержки соответствующего канала.

Усовершенствован нониусный метод измерения, снято ограничение г точности, вызываемое конечной длительностью импульсов основной нониусной частот следования. Получены аналитические выражени; описывающие нониусный метод преобразования с использованием совпадени импульсов пакетами, являющиеся инвариантными относительно значени частот основной и нониусной последовательностей, а следовательно и и нсстабильностей.

Разработан способ преобразования длительности одиночных импульсс в цифровой эквивалент. Получено уравнение преобразования, позволяюще осуществлять такое преобразование с высокой степенью точности. Масштабш временное преобразование исследуемого импульса в пакет импульсс позволяет измерить временной интервал, задаваемый пересечением передны фронта импульса и его среза с осью времени, то есть получать цифровой ко, эквивалентный длительности импульса.

Определены основные дестабилизирующие факторы и исследован основные погрешности преобразования. Получены аналитические выражеш для оценки методических и инструментальных погрешностей. Количественнь характеристики этих погрешностей свидетельствуют о высокой точное! преобразования предлагаемых способов.

На основе использования методов логического синтеза цифровь: автоматов и метода совпадения импульсов разработаны структуры ПВ однократных временных интервалов, реализующие предложенные способ

преобразования. Техническая реализация с использованием современной элементной базы широкого применения гарантирует возможность промышленного выпуска разработанных устройств.

Проведены экспериментальные исследования нониусного метода совпадений импульсов пакетами. Осуществлено моделирование методов параллельного осреднения с использованием разностно-периодной меры при помощи микропроцессорного устройства. Разработаны встроенные средства обработки результатов преобразования длительности одиночного импульса в цифровой эквивалент.

В результате проведенных исследований разработаны методы преобразования однократных временных интервалов и осуществлена их техническая реализация. Полученные устройства имеют широкий диапазон и высокую точность преобразования. Это дает возможность использования их в системах управления пространственным положением объектов при сближении объектов на малые расстояния, расширяет круг задач, решаемых системой управления.