Измеритель превышения полезного сигналанад шумом

О П И С А Н И Е 32277 9

ИЗОБЬЕТ ИНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №вЂ”

Заявлено 18.11.1970 (№ 1405927/18-24) с присоединением заявки №вЂ”

Приоритет

Опубликовано ЗО.Х1.1971. Бюллетень № 36

Дата опубликования описания 14.II,1972

МПК G 06g 7, 52

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

УДК 681.333:519.2 (088.8) Автор изобретения

А. M. Кувшинов

Заявитель

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРЕВЫШЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА

НАД ШУМОМ

Изобретение относится к устройствам преобразования и измерения характеристик электрических сигналов в присутствии шу.мов и может быть использовано в измерительных установках, в системах автоматического регулирования, в устройствах автоматики.

В измерителях превышения величина выходного напряжения дает оценку. отношения сигнал/шум входного напря>кения и не зависит от абсолютных значений сигнала или шума.

Известные измерители превышения сложны и работают или на основе автокорреляционной функции сигнала, или на основе разделения сигнала и шума по спектральному признаку.

Целью настоящего изобретения является упрощение измерителя превышения. Эта цель достигается выполнением измерителя превышения с использованием следящего порогового устройства, после которого включено усредняющее устройство.

Измеритель превышения работает на основе различия законов плотности вероятности огибающей шума и сигнала с шумом.

Для различных случаев применения в предложенный измеритель превышения могут быть дополнительно введены, инвертор импульсов, отделитель постоянной составляющей и восстам овитель постоянной составляющей для получения выходного напряжения другой поgc лярпости; амплитудный детектор и фильтр низкой частоты для снижения требований к следящему пороговому устройству по быстродействию при высокой частоте сигнала; амплитудный детектор, фильтр низкой частоты и модулятор для снижения требований к следящему пороговому устройству по быстродейегвию и получения выходного напряжения другой полярности.

10 Кроме того, усредняющее устройство может быть выполнено не только в виде аналогового сглаживающего, но и в виде измерителя средней частоты импульсов.

На фиг. 1 показана упрощенная принципиальная схема измерителя превышения, содержащая RC-фильтр низких частот в качестве усредняющего устройства, с выходов которого можно получить как отрицательное, так и положительное напряжение; на фиг, 2 — схема

20 выпрямителя среднего значения напря>кения, которая может быть использована в качестве отделителя постоянной составляющей, восстановителя постоянной составляющей и усредняющего устройства; на фиг. 3 — блок-схема

25 измерителя превышения, в котором для снижения требований к следящему пороговому устройству по быстродействию, перед следящим пороговым устройством включены амплитудный детектор и фильтр низких частот; на

30 фиг. 4 — блок-схема измерителя превышения, 322779

30

3

В 1

Измеритель превышения содержит следящее пороговое устройство 1 (см. фиг. 1) и и усредняющее устройство 2. Следящее пороговое устройство в данном случае выполнено на транзисторе 8, нелинейном элементе 4 с односторонней проводимостью, в качестве которого применен транзистор, конденсаторе 5, делителе из двух резисторов б и 7 и пороговом устройстве на транзисторе 8. Переход база — эмиттер транзистора 8 зашунтирован резистором 9. Выходное напряжение снимается с резистора 10, включенного в коллекторный вывод транзистора 8.

Усредняющее устройство 2 выполнено в виде фильтра низких частот, образованного резистором 11 и конденсатором 12. Возможно применение и других вариантов усредняющих устройств.

Входное напряжение на измеритель превышения поступает от истчоника 18. Отрицательное выходное напряжение VI получают на резисторе 14. Для получения одновременно выходного напряжения противоположной полярности -(положительного напряжения для схемына фиг. 1) дополнительно имеется устройство 15. Оно содержит инвертор на транзисторе 16, переход база — эмиттер которого зашунтирован резистором 17, а выходной сигнал инвертора снимается с резистора 18 и подается через отделитель постоянной составляющей (конденсатор 19) на восстановитель постоянной составляющей (диод 20), а затем на усредняющее устройство в виде фильтра низких частот на резисторе 21 и конденсаторе 22.

Выходное положительное напряжение снимается с резистора 28.

Отделптель постоянной составляющей, восстановитель постоянной составляющей и усредняющее устройство могут быть выполнены также в виде выпрямителя среднего значения напряжения (см. фиг. 2), который содержит конденсаторы 24 и 25, диоды 26 и 27 и резисторы 28 и 29. На резисторе 29 получают выходное напряжение измерителя превышения.

При применении измерителя превышения на повышенной частоте для снижения требований к следящему пороговому устройству по быст4 родействию между источником 18 сигнала (см, фиг. 3) и следящим пороговым устройством 1 включают дополнительно амплитудный детектор 80 и фильтр 81 низких частот.

Если требуется получение на выходе измерителя превышения напряжений обеих полярностей при высокой несущей частоте сигнала, то он содержит следящее пороговое устройство1 (см. фиг. 4), перед которым включен модулятор 82. Напряжение на него поступает от нсточника 18 сигнала через амплитудный детектор 80 и фильтр 81 низких частот, а после следящего порогового устройства 1 включают усредняющее устройство 2 и устройство 15, содержащее инвертор импульсов, отделитель постоянной составляющей, восстановитель постоянной составляющей и усредняющее устройство.

Работа измерителя превышения основана на различии плотности вероятности огибающей для шума и для сигнала.

На фиг. 5 приведена плотность вероятности а огибающей шума и плотности вероятности б и в огибающей синусоидального сигнала с шумом при соотношении сигнал/шум, равном

8 и 5. Конденсатор 5 следящего порогового устройства 1 осуществляет запоминание величины огибающей. За счет разряда конденсатора 5 через резисторы б и 7 средний уровень напряжения на конденсаторе будет несколько ниже, чем максимальное значение огибающей, но близко к нему. Будем считать, что этот уровень соответствует пересечению линии 88 (на фиг. 5) с кривыми а, б и в (при этом зачерненные площади под кривыми примерно равны). Тогда напряжение на конденсаторе 5 от шума будет U»„a от сигнала с шумом U ш=зи U, =a. Следящее пороговое устройство будет пропускать на усредняющее нормированное по амплитуде напряжение только в том случае, если входной сигнал превышает запирающее напряжение на резисторе 7, которое определяется напряжением на конденсаторе5 и отношением сопротивлений резисторов 6 и

7. Допустим, что напряжение на выходе следящего порогового устройства появляется, если входное напряжение больше или равно /з от напряжения па конденсаторе 5. Это будет соответствовать уровню 84 напряжения на входе устройства для шума (см. фиг. 5), уровню 85 — для сигнал/шум, равном трем; уровню 86 — для сигнал/шум, равном пяти.

Напряжение на выходе измерителя превышения будет пропорционально заштрихованным площадям. Как следует из фиг. 5, напряжение на выходе измерителя превышения будет увеличиваться с ростом отношения сигнал/шум и не будет зависеть от абсолютного значения сигнала на входе устройства (на усрсдняющее устройство 2 со следящего порогового устройства 1 подаются нормированные по амплитуде импульсы).

Опытная проверка измерителя превышения по фиг 1 показала, что его выходное напряжение (ток) близко к линейному, начиная

322779 соотношения сигнал/шум примерно равного

1,5. Длина линейного участка зависит от относительного уровня следящего порогового устройства.

Работу устройства можно так>ке пояснить осциллограммами (см. фиг. б, 7, 8). При поступлении на вход измерителя превышения шума 87 (см. фиг. 6) на конденсаторе 5 установится напряжение 38, равное Г„„на следящем пороговом устройстве уровень 89, который взят величиной в - /: от максимального значения огибающей. На выходе следящего порогового устройства 1 будут существовать импульсы 40, постоянная составляющаякоторых появится на выходе усредняющего устройства в виде отрицательного напряжения 41. Для получения одноврегпенно и положительного Hàчряжения импульсы со следящего порогового устройства 1 поступают на ннвертор импульсов на транзисторе 16. Вид осциллограммы напряжения на коллекторе транзистора 16 будет 42. Эти импульсы поступают через конденсатор 19 (отделитель постоянной составляющей) на восстановитель постоянной составляющей — диод 20. На диоде 20 будут положительныс импульсы 48 с Iiостоянной составляющей 44.

Преобразование синусоидального сигнала 45 в измерителе превышения показано на фиг. 7, где 46 — н апря жение н а выходе следящего порогового устройства, 47 — отрицательное напряжение на выходе измерителя превышения, 48 — напря>кение на коллекторе транзистора 16, 49 — напря>кение на диоде 20 и

50 — поло>кительпое напряжение на выходе измерителя превышения.

Как следует из фиг. 6 и 7, на вход следящего порогового устройства подается сигнал без демодуляции. Каскады, находящиеся до усредняющего устройства, должны быть способны пропускать сигналы с высокой частотой. Чтобы снизить требование по быстродействию к элементам до усредняющего устройства, входной сигнал от источника 13 (см. фиг. 3) детектируется детектором 30 и из него удаляются в фильтре 31 высокочастотные составляющие. В этом случае на вход следя-. щего порогового устройства поступает от синусоиды постоянное напряжение, а от шума напря>кение вида 51 (см. фиг. 8). Такое напря>кение получается после прохождения шума 36 (см. фиг. 5) через детектор 80 и фильтр 31 низких частот. На выходе следящего порого5 вого устройства будет напряжение 52, после усреднения которого получается отрицательioe ггапря>кение 58 на выходе измерителя превышения.

Если требуется получить и отрицательное

10 и положите IbIJoc напряжение на выходе измерителя превышения, то после фильтра 31 (см. фиг. 4) можно включить модулятор 82.

Осциллограммы напряжений в измерителе превышения в этом случае подобны осцгглло"

15 граммам, показанным на фиг. 6 и 7.

Как следует из фиг. б и 7 от шума и от сигг;ала па вь ходе следящего порогозого устройства получается разное количество импульсов в едгшицу времени. Поэтому в качестве усред20 ггягощего устройства можно использовать из-: меритель средней частоты импульсов, например. аналоговый конденсаторный частотомер илп цифровой счетчик. Выполнение усредняющего устройства в виде цифрового счетчика

25 позволяет легко получить произвольное время интегрирования. На выходе конденсаторного частотомера можно получить как положительное, так и отрицательное напряжение без использования инвентора импульсов. Опытная

30 проверка измерителя превышения с усредняющим устройством в виде измерителя средней частоты импульсов показала, что его выходная характеристика также имеет участок, близкии к линейному, начиная с отношения снг35 пал/шум, равного 1,5.

Предмет изобретения

40 Измеритель превышения полезного сигнала над шумом, содержащий пороговое устройстго, усредпяющее устройство, детектор, связанный cо сглаживающим фильтром, îT.ãà÷òàùèéся тем, что, с целью его упрощения, в нем по45 роговое устройство выполнено следящим и связано выходом с усредняющим устройством, а по входу соединено со сглаживающим фильтром, подключенным через детектор к входной клемме измерителя.

322779 фиа. Ю

Редактор Полякова

Заказ 104/15 Изд. № 1764 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий прп Совете Министров СССР

Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Составитель В. Жовинский

Техред 3. Тараненко

Корректоры: И. Шматова и Н. Шевченко