+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

отношение периода следования к длительности импульса

Электрические сигналы, которые имеют только 2 допустимых состояния «0» или «1», что соответствует уровню напряжения 0.2 вольта (В) или 4.9В, называются импульсными. В основном, оперируют с последовательностью импульсов. Одна из простейших последовательностей импульсов показа на рис. ниже.

Последовательность импульсов

Общая информация

К основным параметрам последовательности импульсов относятся:

  • l амплитуда импульса – Um,
  • l длительность импульса – tu,
  • l длительность паузы – tn,
  • l период следования T или частота f = 1/T следования.

Если длительность tu всех импульсов, входящих в состав последовательности, и всех пауз tn постоянна в течение времени, то она называется периодической.

Важным параметром периодического импульсного процесса является скважность импульсов S. Скважность импульсов это отношение периода следования к длительности импульса,  рассчитывается по формуле:

Эффективность S при управлении устройства достигается при стабильной частоте сигнала.

Иногда используют обратную величину D коэффициент заполнения, рассчитывается по формуле:

При равенстве tu и tn скважность равна 2, и сигнал называется меандром. S и D – безразмерные величины, так как время делится на время. В цифровых устройствах применяются импульсы различной формы. Формой импульса называется графическое изображение закона изменения импульсного напряжения во времени. На рис. ниже показаны формы сигналов:

  • а – прямоугольная,
  • б – трапецеидальная,
  • в – экспоненциальная,
  • г – колокольная,
  • д – ступенчатая,
  • е – пилообразная.

Виды импульсных сигналов

Техническая характеристика формы импульсов связана с количественной оценкой основных параметров импульса, свойств отдельных его участков, которые играют разную роль при воздействии импульса на устройство. На рис. выше изображены идеализированные формы импульса. Из-за переходных процессов в устройствах (формирования и усиления импульсов) существует реальная форма, например, прямоугольного импульса (рис.

ниже).

Реальная форма импульса

Основные параметры импульса – это:

  • l Размах импульса – Um,
  • l Длительность импульса – tи,
  • l Длительность переднего фронта – tф,
  • l Длительность заднего фронта – tсп,
  • l Спад вершины – ΔU,
  • l Размах выброса заднего фронта – Um обр,
  • l Длительность выброса заднего фронта – tи обр.

Указанные величины считываются между уровнями 0.1 и 0.9 от амплитуды в микросекундах, в зависимости от частоты сигнала. Амплитудные – в вольтах.

Определить параметры импульсного сигнала можно с помощью осциллографа, частотомера или мультиметра.

Управление скважностью

С помощью цифровых сигналов происходит управление разнообразными устройствами. Первое применение такого управления использовалось при передаче информации кодом Морзе. Сигнал передаётся короткими и длинными импульсами. Каждой букве соответствует определённый набор точек и тире. Сегодня этот метод управления используется для ШИМ-управления.

При изменении D (коэффициент заполнения) от 0 до 1 добиваются нужного напряжения на выходе электронного устройства. Таким образом, можно управлять оборотами двигателя, освещением, яркостью дисплея и т.д. При формировании прямоугольных импульсов используются специально разработанные микросхемы, например, NE555, NL494, КР1006ВИ1, IR2153, и микроконтроллеры: Arduino, AVR, SG2525A.

Для обеспечения надёжной работы управляемых устройств к  параметрам импульсного сигнала предъявляются жестокие требования по их стабильности. Это достигается применением кварцевого генератора и хорошей переходной характеристикой схемы формирования управляющих импульсов.

Видео

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Современные цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО), построенные на базе открытой платформы дают возможность пользователю визуально наблюдать исследуемый сигнал, зачастую достаточно сложной формы. Использование длинной памяти, расширенных режимов синхронизации и сегментированной развертки позволяют инженеру фиксировать различные артефакты во входном сигнале или  же наоборот «отлавливать» полезные сигналы, имеющие определенные параметры. Эти возможности в том или ином виде присутствуют практически в любом современном цифровом осциллографе.

Но исключительная полезность цифрового осциллографа определяется не только его способностью визуально отображать форму входного сигнала, но и производить различного рода измерения, что, в общем, и классифицирует осциллограф как «средство измерения».

Большинство ЦЗО способно производить измерения достаточно большого типа параметров, так например, осциллографы серии WaveRunner производства компании LeCroy способен производить измерения до 40 параметров сигнала, с одновременной индикацией 8 результатов измерений в штатном режиме, а при инсталляции дополнительных опций осциллографы LeCroy старших серий способны приводить измерения до 170 различных параметров.

Это широкий набор различных амплитудно-временных измерений вполне достаточных для удовлетворения потребностей широкого круга пользователей. Список измерений доступных для осциллографов LeCroy приведен в Приложении 1.

В основе всех видов измерений современного осциллографа лежат два вида измерений – это амплитудные и временные. Так же цифровые осциллографы способны осуществлять безразмерные виды измерений, например подсчет числа целых периодов сигнала, числа точек дискретизации, числа пиков гистограммы и пр.    Амплитудные измерения предназначены для измерений параметров амплитуды входного сигнала (или же результатов математической обработки) – это такие как, непосредственно, амплитуда, нижнее значение, верхнее значение, пиков значение, выбросы, среднеквадратическое значение и многие другие.

Временные измерения предназначены для измерений параметров сигнала нормированных по времени – это частота, период, длительность, фазовые сдвиги, время нарастания и спада, параметры джиттера и многие другие. Так же современные ЦЗО имеют некоторые производные виды измерений от  амплитуды и времени, например измерение площади сигнала, что применительно к импульсному сигналу определяет его энергию, измерение числа периодов сигнала на заданном участке или измерение числа точек дискретизации образующих форму сигнала на всем экране или на заданном участке. В ЦЗО так же присутствуют специализированные виды измерений, предназначенные для измерения параметров специфических устройств или режимов, например измерение параметров мощности электрического сигнала, измерение параметров систем последовательной передачи данных, измерение параметров дисковых или оптических приводов, измерения джиттера и многие другие. Но и даже эти  специализированные виды измерений базируются на основных результатах измерения амплитудно-временных параметров сигнала.

Погрешность измерения амплитудных параметров определяется тем, что в большинстве современных ЦЗО используются 8-и битные АЦП, что дает теоретическую относительную погрешность измерения


с учетом нелинейности входных усилителей, нелинейности АЦП, температурного дрейфа, погрешности коэффициента усиления входных усилителей и т. д., погрешность измерения постоянного напряжения составляет порядка 3 % , а погрешность дифференциальных измерений напряжения (читай как амплитуды), составляет порядка 1,5%. Это достаточно большое значение погрешности измерения, учитывая тот факт, что средний вольтметр обеспечивает погрешность измерения постоянного напряжения около 0,025%. Но принимая во внимание, что осциллограф, первично, это визуальный прибор и то, что линейность АЧХ большинства современных осциллографов составляет порядка 0,7 от значения  полосы пропускания, а полоса пропускания современного ЦЗО может достигать 18 ГГц (LeCroy SDA 18000), то очевидно, что даже на частотах около 1000 МГц, ЦЗО составляет конкуренцию вольтметрам переменного тока или измерителями мощности имеющим погрешность порядка 3%. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф способен производить измерения среднеквадратического значения напряжения сигнала любой формы, а ВЧ вольтметры переменного тока только сигнала синусоидальной формы, то преимущества осциллографа при измерении амплитудных параметров сигнала становятся очевидными.

Так на рисунке 1 приведена осциллограмма синусоидального сигнала частотой 350 МГц и уровнем 1 Вольт полученная с экрана осциллографа LeCroy WaveRunner WR-6051A с полосой пропускания 500 МГц. Измерения СКО (окно измерения Р1) индицирует значение 970 мВ. Погрешность измерения амплитуды в данном случае  составляет 3%.

Для того, что бы пользователь не воспринимал осциллограф,  в режиме измерения как вещь саму в себе или же наоборот четко представлял какие параметры и какой алгоритм измерения используется в данный момент, компания LeCroy в своих осциллографах при включении измерений сопровождает осциллограмму, на которой производятся измерения, автоматическими маркерами помощи. Так на рисунке 1 при измерении циклического СКЗ, виды маркеры, выделяющие полный цикл (полное число периодов) измеряемого сигнала. Но сигнал представленный на рисунке 1 достаточно простой. На рисунке 2 приведена осциллограмма одиночного радиоимпульса в режиме измерения циклического СКЗ, видны области измерения СКЗ и результат измерения  – 355 мВ.

Если же для данного сигнал применить алгоритм полного измерения СКЗ, то результат измерения будет абсолютно другой. Так на рисунке 3 изображена осциллограмма измерения полного СКЗ,  результат измерения составляет 182 мВ.  

Напомним,  что среднеквадратическое значение сигнала переменного тока эквивалентно значению постоянного напряжения, способного выделять такое же значение тепла на нагрузке, как и исходный сигнал переменного тока. Очевидно, что для режима измерения циклического СКЗ, расчет значения напряжения производится только на полезной части сигнал, обладающей энергией и  способной производить работу (в том числе выделять тепло). Для полного СКЗ в расчет принимаются и участки сигнала, имеющие нулевое значение амплитуды, и не способные совершать работу, что уменьшает значение СКЗ с 355 мВ до 182 мВ. Это становится наиболее очевидным и наглядным именно при использовании осциллографов способных дать инженеру подсказку в виде маркеров, которые кроме всего прочего индицируют в виде горизонтальной зоны значение СКЗ, именно  в виде эквивалентного постоянного напряжения.

Ранее уже отмечалось, что любой средний вольтметр способен производить измерения амплитуды гораздо более точно, чем цифровой осциллограф. Но это справедливо только для измерения постоянного напряжения или НЧ напряжения переменного тока синусоидальной формы. При измерении СКЗ сигналов сложной формы погрешность измерения вольтметра увеличивается исходя их коэффициента формы сигнала. Для стандартных сигналов, коэффициент формы можно учесть при определении дополнительной погрешности измерения напряжения и погрешность может возрастать в десятки раз, так, например, для вольтметра Agilent Technologies 34401 при измерении импульсных сигналов погрешность измерения напряжения может составлять 46%.  Для сигналов непредсказуемой формы коэффициент формы учесть невозможно, поэтому и погрешность измерения напряжения становится неопределенной. Цифровой осциллограф производит математическое вычисление среднеквадратического значения формы сигнала из массива данных, полученных в процессе сбора информации, по формуле:


где X1 ;X2 ; X3 …. . Xn  отсчеты амплитуды полученные в результате дискретизации входного сигнала, а n –  число отсчетов,  и такой алгоритм измерения СКЗ не требует никаких дополнительных поправочных коэффициентов. Для однократных и редких сигналов цифровой осциллограф остается единственным средством измерения СКЗ, да и других амплитудных параметров сигнала тоже. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф при измерении СКЗ производит «полное» измерение сигнала, имея ввиду одновременное измерение как постоянной составляющей DC, так и переменной составляющей AC, а большинство вольтметров производит измерения отдельно DC  и AC, и лишь за редким исключением некоторые типы вольтметров способны производить измерения  DC +AC, то становится очевидным, что возможности амплитудных измерений ЦЗО дают пользователю значительные преимущества по отношению к универсальным вольтметрам.

Как ни странно, но даже среди опытных инженеров существует мнение, что цифровой осциллограф производит измерение напряжения по одному периоду периодического сигнала, но как видно из выкладок выше, это не соответствует действительности. Для определения различных амплитудных параметров сигнала, измерения производятся по всему массиву данных составляющих форму сигнала, но в силу особенности измерения амплитудных параметров, осциллограф действительно может выдать только один результат измерения за один проход развертки, поскольку именно это и является циклом измерения. Так на рисунке 4 приведен пример измерения пикового значения напряжения. Пиковое значение — это разность межу минимальным и максимальным значениями формы сигнала на одной развертке. Очевидно, что вычисления этого параметра прежде всего необходимо определить как минимальное так и максимальное значение на всей форме сигнала, а для этого опять же необходим анализ всего массива данных точек образующих форму сигнала.

Очевидно, что для обеспечения достоверных и быстрых измерения при большом массиве данных, осциллограф должен обладать достаточным быстродействием для обеспечения необходимых вычислений. И в этой ситуации не все осциллографы ведут себя одинаково. Так, например, осциллограф LeCroy, осциллограммы которого приведены выше, при длине памяти 10 М при отсутствии измерений обеспечивает время сбора осциллограмм 210 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 340 мс, а при включении четырех одновременных измерений увеличивается до 430 мс. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм увеличивается в 2,04 раза. Если же аналогичные режимы измерений произвести используя осциллограф Tektronix DPO-4034, то результата получаются следующие – при отсутствии измерений время сбора осциллограмм составляет 170 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 16 секунд, а при включении одновременно четырех измерений — увеличивается до 40 секунд. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм у осциллографа Tektronix DPO-4034  увеличивается в 235  раз…         
Современные профессиональные осциллографы, например LeCroy, в штатной комплектации (т.е. без дополнительных опций) могут обеспечить возможность измерения 11 амплитудных параметров, подробный перечень параметров приведен в [2].

Важной особенность обеспечения измерений является возможность проведения измерения в выделенной области. В этом случае измерения параметров производятся не по всему массиву данных осциллограммы, а только в пределах указанной области. Большинство же пользователей привыкло, что измерения с использованием ЦЗО нужно производить для простого периодического сигнала по всей осциллограмме, что присутствует на экране ЦЗО и только в этом случае результат измерения будет достоверным. На рисунке 5 проведен наглядный пример сложного сигнала, представляющего собой прямоугольный сигнал с модулированными базой и верхом. На первый взгляд автоматические измерения амплитудных параметров такого сигнала должно вызвать сложности у пользователя, но только не у пользователей осциллографов LeCroy.

Для измерения некоторых  амплитудных параметров модулирующего сигнал задействуем измерения Р1, Р2 и Р3.   Для измерения СКЗ модулирующего сигнала базы (измерения Р1) выделяется только часть модулирующего  сигнал базы. Результат составляет 147 мВ. Для измерения СКЗ модулирующего сигнала верха (измерения Р2) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 1,01 В. Для измерения пикового значения модулирующего сигнала верха (измерения Р3) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 482 мВ. Измерения Р4 и Р5 обеспечивают измерения амплитудных параметров основного прямоугольного сигнала  — уровня верха и уровня базы и эти измерения производятся без выделения области.

Таким образом, обеспечивая возможность одновременного измерения до 8 параметров сигнала, осциллографы LeCroy так же обеспечивают возможность измерения в 8 различных областях этого сигнала. Справедливости ради отметим, что и другие осциллографы, например Tektronix DPO-7000 или DPO-4000, так же дают возможность измерения параметров в выделенной области, но для всех измерения (DPO-7000 это 8 измерения, а для DPO-4000 это 4 измерения) существует всего одна выделенная область, что существенного ограничивает возможности измерения сложных сигналов.

Измерения временных параметров – это набор наиболее расширенных и точных видов измерений цифрового осциллографа. Так уже сложилось, что при анализе сигнала по временной оси существует наибольший набор параметров, в штатной комплектации осциллографы  LeCroy способны обеспечить до 69 видов измерения, а при инсталляции дополнительных опций общее число всех видов измерений может достигать 180. Основными отличиями цифровых осциллографов по отношению к традиционным аналоговым осциллографам при измерении временных интервалов являются:

Погрешность измерения временных параметров (ΔT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации и собственным джиттером, что может быть выражено формулой:

Tоп – погрешность установки частоты опорного генератора;
Fд – частота дискретизации;
Tдж – собственный джиттер осциллографа.

Современные технологии электронных элементов дают возможность применения в осциллографах опорных генераторов с погрешностью установки до 10-6 в год (или 1 ppm), частота дискретизации для наиболее массовых моделей ЦЗО составляет 5 ГГц  или 10 ГГц, собственный джиттер современного осциллографа удается снизить до значений 3 пс (хотя есть «уникальные» модели ЦЗО, например DPO-4000 серии, имеющие джиттер 400 пс). Из этих выкладок следует, что наиболее существенным при определении погрешности измерения временных интервалов как раз и является погрешность установки частоты опорного генератора.

Но на этом и заканчивается идентичность подходов при измерения  временных интервалов различных производителей цифровых осциллографов. Разные производители при измерении временных интервалов накладывают дополнительные требования для достижения декларируемой погрешности измерения. Так, например, компания  Tektronix для своих осциллографов серии TDS-5000B для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует:

Но и это еще не все, различные производители ЦЗО использую различные алгоритмы измерения временных интервалов. Большинство производителей, например Tektronix или Agilent Technologies, используют алгоритм измерения частоты по одному периоду сигнала, находящегося сразу после точки запуска развертки или по первому целому периоду сигнала в левой части экрана. При таком алгоритме измерения, первое, что приносится в жертву время измерения – оно бесспорно увеличивается. Так, практические измерения показывают, что для упомянутого выше осциллографа Tektronix серии TDS-5000B (при длине памяти 2000 точек для минимизации временных затрат на вычислительный процесс), измерение частоты 10 МГц, полученной от рубидиевого стандарта частоты с погрешностью воспроизведения 10-10, время измерения, при выполнении всех требований производителя, составляет 1 минута 23 секунды. Компания LeCroy в своих осциллографах использует алгоритм измерения временного интервала не по одному периоду, а по всем периодам сигнала присутствующим в массиве данных.

Кроме того, компания LeCroy для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует выполнения двух условий:

 Очевидно, что такой алгоритм измерения обеспечивает следующие преимущества:

Практическое измерение, показывает, что для накопления статистики и получения достоверного результата при измерении частоты 10 МГц, при частоте дискретизации 5 ГГц, необходимо время 100 мс, что в 930 раз меньше, чем требовалось осциллографу Tektronix. Тем более, что за время измерения 1,23 минуты осциллограф Tektronix обеспечил погрешность измерения 27,64 ppm (при допустимой погрешности измерения 15 ppm) смотри рисунок 6 

А осциллограф LeCroy WR-6051А, за время измерения 100 мс обеспечил погрешность измерения 1 ppm (при допустимой погрешности измерения 10 ppm) смотри рисунок 7.

Практическая ценность измерения временных интервалов по всему числу периодов существующих во входном сигнале, обусловлена не только увеличением скорости измерений, но и увеличением достоверности измерения – очевидно, что если сигнал имеет вандер (медленная флуктуация во времени), то при достаточно большом времени измерения и тем более при использовании функции усреднения, достоверность измерения будет уменьшаться.

Так же совместно совмещение особенности измерения временных интервалов по всей осциллограмме и  режима измерения в выделенной области, дает новые возможности в измерениях сигналов. Так например, на рисунке 8 праведен пример частотно-модулированного сигнала (осциллограмма С1) и модулирующего сигнала (осциллограмма С2). Очевидно, что поскольку модулирующий сигнал имеет вид «ступенька», то и частоты в модулируемом сигнале так же изменяются дискретно.  

Включив режим измерения частоты осциллограммы С1 для всех восьми измерений Р1…Р8, с той лишь разницей, что для каждого измерения Р1…Р8 измерения частоты производятся в пределах выделенного окна равного времени одной ступеньки, возможно измерить частоту модулируемого сигнала, соответствующей каждому уровню модулирующего сигнала.

В заключение обзора «простых» режимов измерения хочется особо отметить, что для получения результатов измерения сложных сигналов, иногда не достаточно просто включить тот или иной режим измерения. Комбинирование различных режимов работы цифрового осциллографа, включая математическое операции над сигналом, может оказать существенную пользу при измерении параметров сигнала. Так, например, существует задача измерения временных параметров радиоимпульса – частоты заполнения и периода повторения и длительности импульсов. Если для измерения частоты заполнения, можно использовать методы, описанные выше, то автоматическое измерение периода повторения и длительности радиоимпульсов может вызвать затруднение. Для решения этой задачи необходимо выделить огибающую радиоимпульса и измерить период повторения и длительность. Огибающую радиоимпульса можно выделить используя математическую функцию «прореживание».

Так на рисунке 9 приведен пример радиоимпульса представляющего собой пакет синусоидальных колебаний частотой 1 МГц и периодом повторения 1,543 мс, каждый пакте содержит 428 колебаний частоты 1 МГц.

Из исходной осциллограммы С1 можно получить следующие результаты:

Из осциллограммы растяжки Z1 можно визуально оценить форму сигнала заполнения и так же измерить частоту сигнала заполнения (но более точно), результат представлен в окне Р2  — 1,0000004 МГц.

Из осциллограммы математики F1 можно получить следующие результаты:

В отличие от цифровых осциллографов других производителей, осциллографы LeCroy способны хранить результаты измерения всего массива данных, а это в зависимости от установленных, опций до 6 миллионов результатов измерений. Это массив данных можно представлять в графическом виде, обрабатывать методами математической статистики и выводить результаты статистической обработки, сохранять в виде файлов данных для экспорта в другие программные приложения операционной среды Windows. Все это дает пользователю осциллографов LeCroy широкие дополнительные возможности по анализу сигнала.

График слежения.  Например, существует широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ), в котором по некоторому закону изменяется длительность импульса и необходимо оценить партеры этого сигнала. Несколько периодов исходного сигнала захвачены осциллографом о отображаются на осциллограмме С1 на рисунке 10.

Очевидно, что «широта» импульса в ШИМ сигнале это длительность импульса, измерение Р1, как раз, и обеспечивает измерение длительности импульса сигнала С1. Для наглядности возможностей режима измерения осциллограмма получена в режиме однократного пуска. Из статистического окна измерения Р1 видно, что на всем сигнале произведено 249 измерений длительностей импульса, а поскольку сигнал является динамическим (его параметр «длительность импульса» изменяется во времени), то окошко измерения Р1 дает только общие представления о длительности импульса, как последнее измерение, минимальное значение, максимальное значение и т. д., но не отражает динамики изменения самого параметра «длительность импульса». Осциллографы LeCroy имеют возможность формирования из массива данных измерения так называемого «графика слежения». Этот график представляет собой функцию в которой горизонтальная ось (ось X) представляет собой временную ось, полностью совпадающую с временною осью развертки, а по оси Y (вертикальной оси) располагаются значения результата измерения заданного параметра. В результате чего получается временной график измерений выбранного параметра в пределах одной развертки осциллографа. Из рисунка 10 четко видно, что ШИМ сигнал модулируется по закону близкому к логарифмическому. Используя режим курсорных измерений, достаточно просто подвести курсор к нужному значению длительности на графике слежения (само значение будет отображаться в дескрипторе графика слежения, в данном случае это F4, а положение курсора по временной оси индицируется во временном поле курсора)  и на осциллограмме входного сигнала этим же маркером будет отмечена точка сигнала соответствующая выбранной длительности. Используя растяжку сигнала можно получить изображение сигнала в удобном для визуального наблюдения масштабе – курсор также будет присутствовать на сигнале растяжки.

Для режима измерений возможно задать регистрацию только значений находящихся в пределах указанного допуска. Так, если для сигнала приведенного на рисунке 10 ограничить значения измеренной длительности пределом 440..505 нс, то осциллограф регистрирует только значения длительности находящиеся в этом пределе и тренд F4 приобретает вид, отличный от рисунка 10.

Такой вид графика слежения позволяет более наглядно обнаружить на исходном сигнале С1 участки соответствующие заданным пределам длительности.

Если же вернуться к частотно модулированному сигналу, приведенному на рисунке 8, и применить график слежения к результатам измерения частоты в пределах всей осциллограммы (см. рисунок 12), то полученный график даст более наглядный результат изменения частоты в модулированном сигнале, с учетом динамики изменения сигнала в пределах одной модулирующей ступеньки.  

На осциллограмме графика слежения так же представляется возможным произвести различные автоматические измерения, характеризующие изменение выбранного параметра. Например, на рисунке 13 осциллограмма С1 представляет собой частотно-модулированный сигнал с несущей 1 МГц, девиацией 200 кГц и частотой модулирующего синусоидального сигнала 1,234 кГц.

Осциллограмма F4 представляет собой график слежения изменения частоты в сигнале С1, форма осциллограммы F1 отображает форму модулирующего сигнала. Используя автоматические измерения для данного графика можно определить – минимальное значение частоты (Р4=800 кГц), максимальное значение частоты (Р3= 1,1999 МГц)и частоту модулирующего сигнала (Р2=1,233 кГц). Что совпадает с заданными параметрами ЧМ сигнала.

График слежения образуется из массива измерения амплитудных или временных измерений, он позволяет визуально отследить изменения выбранного параметра в пределах одной развертки, он позволяет, используя курсоры, получить результаты измерения выбранного параметра в точке нахождения курсора, но все же он не является реальным массивом результатов измерения. Так же учитывая алгоритм амплитудных измерений (одни полученный результат из одного прохода развертки осциллографа), график слежения обеспечивает наглядное отображение только временных измерений, при индикации амплитудных измерений график слежения сводится в одну точку, как раз и являющуюся результатом измерений.  Реальный массив измерений в графическом виде  в осциллографах LeCroy может быть представлен так называемым «трендом».

Тренд.  Этот график представляет собой функцию, в которой горизонтальная ось (ось X) представляет ось номера измерения – 1,2,3,4,…n, (эта ось не связана с временною осью развертки осциллографа), а по оси Y (вертикальной оси) располагаются значения результата измерения выбранного параметра. В результате получается график.

Отличиями тренда от графика слежения являются:

Так, например, при построении тренда и графика слежения для измеренных значений длительности импульса в нерегулярной последовательности в пределах одной развертки, тренд и график слежения практически совпадают по форме — см. рисунок 14. Разница состоит в том, что график слежения отображает изменение длительности импульсов во времени и имеет более сглаженный вид, а тренд отображает измеренное значение длительности импульса и имеет более «остроконечный» вид).

Практическая ценность тренда заключается в возможности не только в кратковременной, но и длительной регистрации и индикации результатов измерений выбранного параметра. В этом случае тренд будет выглядеть как регистрация данных на бумажном самописце, но без меток реального времени. При необходимости, изменение интервала регистрации производится изменением настроек схемы синхронизации, например установкой задержки синхронизации по числу событий. Это позволяет регистрировать, отображать и анализировать медленные измерения тех или иных параметров входного сигнала. Так, на рисунке 15 осциллограмма F1 представляет тренд изменения частоты входного сигнала С1, полученный из массива измерения частоты Р1.

На рисунке 16 осциллограмма F1 представляет тренд изменения амплитуды входного сигнала С1, полученный из массива измерения среднеквадратического значения Р1.

Способом аналогичным для графика слежения, на осциллограмме тренда так же можно осуществить различные автоматические измерения, далее строить тренды 2-го уровня для этих измерений, 3-го уровня  и так далее.

Осциллографы LeCroy обеспечивают построение тренда в трех режимах:

На рисунке 17, для сигнала С1 частотой 1 МГц, имеющего медленный дрейф, порядка 10 мГц, одновременно представлены все три типа трендов. F2 — полный, F1 — с усреднением полный, F3 — по одной осциллограмме.

Сочетание различных функциональных особенностей осциллографов LeCroy дает самые широкие возможности при исследовании различных сигналов, процессов и  устройств.

Так, например, режим построения тренда возможно использовать для измерения амплитудно-частотной характеристики устройств. Для этого достаточно синхронизировать процесс изменения частоты на генераторе тестового сигнала с разверткой осциллографа, произвести измерения амплитуды и частоты на выходе  устройства. И по полученным результатам построить тренд изменения амплитуды, что и будет являться АЧХ устройства. Синхронный тренд изменения частоты предназначен для формирования частотных меток АЧХ. Так на рисунке 18 осциллограмма F1 представляет собой АЧХ устройства в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц. Осциллограмма F2, являющаяся трендом частоты идентифицирует частотный диапазон АЧХ. Используя курсорные измерения, возможно считать с АЧХ устройства информацию об амплитуде и частоте.      

Гистограммы.  Возможности построения, анализа и измерения гистограмм цифровыми осциллографами LeCroy являются одной из его отличительных особенностей, по отношению к производителям других ЦЗО, и превращающей просто цифровой осциллограф в мощный аналитический инструмент. Построение гистограмм осциллографом LeCroy является элементом математической статистики, специально адаптированного для анализа форм и параметров электрических сигналов. Гистограмма в http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0 title=Математическая статистика>математической статистике — это http://ru. wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F title=Функция>функция http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BE%D1%8F%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8 title=Плотность вероятности>плотности вероятности некоторого распределения, построенная на основе выборки из него. Или, говоря другими словами, гистограмма – это  график отображающий степень повторяемости данных в больших массивах. Гистограмма позволяет сжать гигантский размер данных в компактный график, удобный для анализа, измерений ли просто визуальной оценки.. В случае цифрового осциллографа массивом данных выступает массив данных измерения выбранного параметра. Так на рисунке 19 приведена гистограмма измерения сигнала частотой 10 МГц (сам исходный сигнал на картинке не присутствует). Массив данных из которого строится данная гистограмма, собран при измерении частоты Р1 и представляет собой массив размером более 6 миллиона значений измерений частоты.

Поскольку сигнал является стабильным и изменения частоты не происходит, то разброс значений частоты вызван естественными причинами хаотического рода. Такая гистограмма является классической и называется нормальной или Гауссовой. Непрерывная случайная величина X имеет нормальный закон распределения с параметрами α (среднее значение) и σ (сигма или стандартное отклонение), если её плотность вероятности f(x) имеет вид:


Основными параметрами гистограммы являются:

Поскольку гистограмма строится из массива измерения, то основные параметры гистограммы связанны со статистическими данными результатов измерений, так:

Измерение таких параметров как верхнее значение и нижнее значение гистограммы дает значение нижней и верхней частоты в ЧМ сигнале (измерения Р4 и Р5).А амплитудное значении гистограммы деленное на два дает значение девиации ЧМ сигнала – измерение Р6 и  значение 198 кГц. Так же возможно для этой гистограммы использовать курсорные измерения для определения других параметров гистограммы, как диапазон гистограммы, нижнее и верхнее значения. А применение режимов измерения вспомогательных параметров гистограммы, как число пиков гистограммы даёт информацию о количестве стабильных состояний сигнала. Так  возвращаясь к рисунку 10, гистограмма F3, индицирует, что частота сигнала входного сигнала имеет 9 стабильных состояний, а измерение параметров гистограммы даст информацию о распределении частоты во входном сигнале.

Итак, как видно, гистограмма способна преобразовать большой объем информации в очень компактный формат, который может быть легко измерен и проанализирован методами математической статистики.

Список измеряемых параметров в базовой комплектации и при инсталляции основных опций в осциллографах LeCroy.

Автор:  Дедюхин А.А.
Дата публикации:  22.11.2006

Параметр Описание Определение Примечания
Amplitude (Амплитуда) Измеряет разность между верхним и нижним уровнем напряжения в двухуровневых сигналах. Отличается от pkpk (размах) тем, что шум, выбросы, провалы и «звон» не влияют на результат измерения. topbase На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), дает то же значение, что и pkpk.
Стандартный параметр.
Ampl asym (Асимметрия амплитуды) Асимметрия амплитуды между taa+ и taa 1 — |(taa+ — taa-)|/(taa+ — taa-) Аргумент гистерезиса, использующийся для того, чтобы отличать уровни напряжения от шума.
Доступен с опцией DDM2.
ACSN Автокорреляционное отношение сигнал/шум — отношение сигнал/шум для периодических сигналов.   Доступен с опцией DDM2.
Area (Площадь) Интеграл данных: вычисляет площадь под осциллограммой между курсорами относительно нулевого уровня. Значения, большие нуля, дают положительный вклад в площадь, меньшие нуля — отрицательный. Сумма значений сигнала от первой до последней точки, умноженная на интервал времени между крайними двумя точками Стандартный параметр
Base (Основание) Нижнее из двух наиболее вероятных состояний (верхнее состояние — top). Измеряет нижний уровень в двухуровневых сигналах. Отличается от min (минимум) тем, что шум, выбросы, провалы и «звон» не влияют на результат измерения. Значение наиболее вероятного нижнего состояния. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), дает то же значение, что и min.
Стандартный параметр.
Cycles (Количество периодов) Определяет количество периодов периодического сигнала между курсорами. Первый период начинается с первого перепада, следующего за левым курсором. Перепад может быть положительным или отрицательным. Количество периодов периодического сигнала Стандартный параметр.
Сyclic Mean (Циклическое среднее) Вычисляет среднее от значений сигнала. В отличие от обычного среднего, cmean рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. Среднее значение точек осциллограммы кривой за целое число периодов. Чтобы выбрать этот параметр, выберите Mean из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Cyclic Median (Циклическая медиана) Среднее от значений основания и вершины. В отличие от median, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. Такое значение, что 50% полученных точек находятся выше его, а другие 50% — ниже. Чтобы выбрать этот параметр, выберите Median из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Cyclic RMS (Циклическое действующее значение) Вычисляет квадратный корень из суммы квадратов значений сигнала, деленной на количество точек.  В отличие от rms, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за учитываемые периоды.
Чтобы выбрать этот параметр, выберите RMS из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Cyclic Std Dev (Циклическое среднеквадратичное отклонение) Среднеквадратичное отклонение значений сигнала от среднего значения. В отличие от sdev, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за учитываемые периоды.
Чтобы выбрать этот параметр, выберите Std dev из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Delay (Задержка) Время от запуска до первого перепада: измеряет промежуток времени между запуском и первым пересечением уровня 50%, которое следует за левым курсором. С помощью этого параметра можно измерять задержку распространения сигнала, осуществляя запуск от одного сигнала и измеряя задержку на другом Интервал времени между запуском и первым пересечением уровня 50% за левым курсором. Стандартный параметр
Delta delay (Разность задержек) Вычисляет интервал между моментами, когда сигналы от двух источников пересекут уровень 50%. Интервал между прохождением средней точки двумя сигналами. Стандартный параметр.
[email protected] (Разность периодов на заданном уровне) Отклонение длительности каждого периода сигнала от соседних (межпериодное дрожание).   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
[email protected] (Разница времен на заданном уровне) Вычисляет время между пересечением заданных уровней Интервал времени между пересечением заданных уровней на двух источниках сигнала или от запуска до пересечения заданного уровня на одном источнике. Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.
Duration (Длительность) Для сигналов, зарегистрированных в однократном режиме, duration = 0. Для  последовательного режима оцифровки это интервал времени между запусками первого и последнего сегмента. Для отдельных сегментов — интервал времени от запуска предыдущего сегмента до запуска текущего сегмента. Для осциллограмм из памяти — время от первого до последнего запуска сохраненной осциллограммы. Интервал времени между первым и последним зарегистрированным массивом данных: для усреднения, гистограмм или осциллограмм, зарегистрированных в последовательном режиме. Стандартный параметр.
[email protected]vel Часть периода, в течение которой значения сигнала оказываются выше или ниже заданного уровня.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Duty cycle (Скважность) Длительность в процентах от величины периода. width / period Стандартный параметр.
[email protected] (Разность длительностей на заданном уровне) Разность длительностей в соседних периодах, измеряемых по заданному уровню.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
[email protected] Количество фронтов в осциллограмме.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Excel Выполняет измерения в Excel путем передачи в программу одной или двух осциллограмм и чтения результирующего значения параметра.   Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа Excel.
Fall time (Время спада) Измеряет интервал времени между моментами, когда отрицательный фронт сигнала пересекает два заданных уровня. Окончательный результат получается путем усреднения значений, полученных для каждого фронта.
Порог Дист. Ниж.
предел
Верх.
предел
По
умолч.
Ниж. Низк. 1% 45% 10%
Верх. Выс. 65% 99% 90%
Пороги определяют два значения на каждом фронте, по которым рассчитывается время спада. Эти координаты рассчитываются по следующим формулам:
Ниж. = нижний порог ? усиление / 100 + base
Верх. = верхний порог ? усиление / 100 + base
Разность времен пересечения нижнего и верхнего порогов, усредненная по всем отрицательным фронтам. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
Fall 80-20% (Время спада 80-20%) Длительность участка отрицательного фронта импульса от 80% до 20%, усредненная по всем отрицательным фронтам между курсорами Средняя длительность участка отрицательного фронта импульса от 80% до 20% На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
[email protected] (Время спада на заданном уровне) Длительность участка отрицательного фронта импульса между двумя заданными пользователем уровнями. См. также [email protected]. Длительность участка отрицательного фронта импульса между двумя уровнями. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
First (Первая точка) Показывает горизонтальную координату левого курсора. Горизонтальная координата левого курсора. Показывает положение левого курсора. Курсоры являются взаимозаменяемыми: например, левый курсор можно переместить правее правого курсора, после чего параметр first будет показывать положение того курсора, который ранее был справа, а теперь находится слева.
Стандартный параметр.
Frequency (Частота) Период периодического сигнала, измеренный как интервал между взятыми через один моментами пересечения сигналом уровня 50%. Начиная с первого пересечения, следующего за левым курсором, период измеряется для каждой пары пересечений. Полученные значения усредняются, а обратное значение от их среднего дает частоту. 1 / period Стандартный параметр.
[email protected] (Частота на уровне) Частота, измеряемая на заданном уровне и по фронту заданной полярности в каждом периоде сигнала.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
FWHM (Ширина на половине высоты) Измеряет ширину пика гистограммы, имеющего наибольшую площадь, по половине высоты (наполнения) самого высокого пика   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Стандартный параметр в DDA-5005.
FWxx (Ширина на уровне xx) Измеряет ширину пика гистограммы, имеющего наибольшую площадь, на уровне xx% от высоты (наполнения) самого высокого пика   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Half period (Полупериод) Половина периода сигнала.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Hist ampl (Амплитуда гистограммы) Разница значений двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist base (Основание гистограммы) Значение левого из двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist maximum (Максимум гистограммы) Значение максимального (крайнего правого) интервала гистограммы с ненулевым наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist mean (Среднее значение гистограммы) Среднее значение данных гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist median (Медиана гистограммы) Значение на горизонтальной оси гистограммы, делящее ее на две области с равным наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist minimum (Минимум гистограммы) Значение минимального (крайнего левого) интервала гистограммы с ненулевым наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist rms (Средний квадрат гистограммы) Средний квадрат значений гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist sdev (Ср.-кв. отклонение гистограммы) Среднеквадратичное отклонение значений гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist top (Вершина гистограммы) Значение правого из двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hold time (Время задержки) Интервал времени от фронта тактового импульса до фронта импульса данных. Порог, полярность фронта и гистерезис для тактовых импульсов и данных устанавливаются независимо. См. также параметр Setup.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Last (Последняя точка) Интервал времени от момента запуска до последнего (правого) курсора. Интервал времени от момента запуска до последнего курсора. Показывает положение правого курсора. Курсоры являются взаимозаменяемыми: например, правый курсор можно переместить левее левого курсора, после чего параметр last будет показывать положение того курсора, который ранее был слева, а теперь находится справа.
Стандартный параметр.
[email protected] (Уровень в точке X) Дает значение сигнала в заданной точке x. Если x находится между двумя точками, выдается интерполированное значение. Если установлен флажок Nearest, этот параметр дает значение сигнала в ближайшей точке.   Стандартный параметр
Local base (Локальная базовая линия) Уровень базовой линии для локальной особенности сигнала.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local bsep (Локальное разделение базовой линии) Локальное разделение базовой линии между положительным и отрицательным фронтами.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local max (Локальный максимум) Максимальное значение локальной особенности сигнала.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local min (Локальный минимум) Минимальное значение локальной особенности сигнала.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local number (Число локальных особенностей) Количество локальных особенностей (пар пик/впадина)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local pkpk (Локальный размах) Разность значений пика и впадины локальной особенности (lmaxlmin)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tbe (Интервал между локальными событиями) Интервал времени между событиями  (от локального пика до следующей впадины или от локальной впадины до следующего пика).   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tbp (Интервал между локальными пиками) Интервал времени от локального пика до следующего локального пика   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tbt (Интервал между локальными впадинами) Интервал времени от локальной впадины до следующей локальной впадины   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tmax (Время локального максимума) Временная координата максимума локальной особенности.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tmin (Время локального минимума) Временная координата минимума локальной особенности.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tot (Время выше заданного локального уровня) Количество времени, в течение которого локальная особенность находится выше заданного уровня в процентах от амплитуды (вертикального расстояния от пика до впадины)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tpt (Время от локального пика до впадины) Интервал времени от локального пика до впадины.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local ttp (Время от локальной впадины до пика) Интервал времени от локальной впадины до следующего локального пика   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tut (Время ниже заданного локального уровня) Количество времени, в течение которого локальная особенность находится ниже заданного уровня в процентах от амплитуды (вертикального расстояния от пика до впадины)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Mathcad Возвращает значение параметра, используя заданную пользователем функцию Mathcad.   Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа Mathcad версии 2001i и выше.
MATLAB Возвращает значение параметра, используя заданную пользователем функцию MATLAB.   Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа MATLAB.
Maximum (Максимум) Дает значение самой высокой точки осциллограммы. В отличие от top, не предполагает наличия двух уровней. Наибольшее значение осциллограммы  между курсорами. Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных. Дает горизонтальную координату крайнего правого интервала гистограммы с ненулевым наполнением — не путать с maxp.
Max populate (Максимальное наполнение) Пик гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Mean Среднее значение точек кривой во временной области. Вычисляется как центроида распределения гистограммы.   Дает сходные результаты при применении к кривой во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных.
Стандартный параметр.
Median (Медиана) Среднее от значений основания и вершины. Среднее от base и top. Стандартный параметр.
Minimum (Минимум) Дает значение самой низкой точки осциллограммы. В отличие от base, не предполагает наличия двух уровней. Наименьшее значение осциллограммы между курсорами. Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же осциллограмме. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.
Mode (Мода) Положение самого высокого пика гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Nb Phase (Узкополосная фаза) Измеряет фазу на заданной частоте сигнала (в узкой полосе).   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Nb Power (Узкополосная мощность) Измеряет мощность на заданной частоте сигнала (в узкой полосе).   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
NLTS (Нелинейный переходный сдвиг) Измеряет нелинейный переходный сдвиг prml-сигнала   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Npts (Число точек) Число точек осциллограммы между курсорами.   Стандартный параметр
Overshoot- (Выброс-) Величина выброса, следующего за отрицательным фронтом, в процентах от амплитуды. (basemin) / ampl ? 100 Осциллограмма должна иметь по меньшей мере один отрицательный фронт. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), результаты могут быть непредсказуемыми.
Overshoot+ (Выброс+) Величина выброса, следующего за положительным фронтом, в процентах от амплитуды. (maxtop) / ampl ? 100 Осциллограмма должна иметь по меньшей мере один положительный фронт. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), результаты могут быть непредсказуемыми.
Overwrite (Перезапись) Отношение остаточной и исходной мощности низкочастотной осциллограммы, на место которой записывается более высокочастотный сигнал.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Param Script Сценарий на языке VBScript или JavaScript, принимающий на входе одну или две осциллограммы и выдающий на выходе результат измерения.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Peaks (Число пиков) Количество пиков на гистограмме   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Peak to Peak (Размах) Разность между значениями самой высокой и самой низкой точек осциллограммы. В отличие от ampl, не предполагает наличия двух уровней. maximumminimum Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме осциллограммы той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.
Percentile (Процентиль) Значение на горизонтальной оси гистограммы, делящее ее на две области, левая из которых имеет наполнение xx% от совокупного.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Period (Период) Период периодического сигнала, измеренный как интервал между взятыми через один моментами пересечения сигналом уровня 50%. Начиная с первого пересечения, следующего за левым курсором, период измеряется для каждой пары пересечений. Окончательный результат получается путем усреднения всех полученных значений. Здесь Mr — количество положительных фронтов, Mf — количество отрицательных фронтов, Trix — момент времени, в который положительный фронт пересекает уровень x%, а Tfix — момент времени, в который отрицательный фронт пересекает уровень x%.
Стандартный параметр
[email protected] (Период на заданном уровне) Период, измеряемый на заданном уровне и по фронту заданной полярности в каждом периоде сигнала.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Phase (Фаза) Разность фаз между анализируемым сигналом и другим сигналом, используемым в качестве опорного. По вашему выбору отображение может осуществляться в процентах, градуса или радианах. Настроив опорный сигнал, дотроньтесь до вкладки More, чтобы задать нужные параметры сигнала. Разность фаз между анализируемым и опорным сигналом Стандартный параметр.
[email protected] (Наполнение в точке X) Наполнение интервала, имеющего заданную горизонтальную координату. Курсор можно поместить на любой интервал и задать его форму — абсолютную (Absolute), относительную (Reference) или дифференциальную (Difference).   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
PW50 (Длительность импульса на 50%) Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальным пиком или впадиной.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
PW50- (Длительность отр. импульса на 50%) Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальной впадиной.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
PW50+ (Длительность полож. импульса на 50%) Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальным пиком.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Range (Диапазон) Вычисляет диапазон гистограммы (maxmin)   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Resolution (Разрешение) Отношение значений taa для высокочастотной и низкочастотной осциллограммы taa (HF) / mean taa (LF) * 100 Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.
Rise (Время нарастания) Измеряет интервал времени между моментами, когда положительный фронт сигнала пересекает два заданных уровня. Окончательный результат получается путем усреднения значений, полученных для каждого фронта.
Порог Дист. Ниж.
предел
Верх.
предел
По
умолч.
Ниж. Низк. 1% 45% 10%
Верх. Выс. 55% 99% 90%
Пороги определяют два значения на каждом фронте, по которым рассчитывается время спада. Эти координаты рассчитываются по следующим формулам:
Ниж. = нижний порог ? усиление / 100 + base
Верх. = верхний порог ? усиление / 100 + base
Разность времен пересечения нижнего и верхнего порогов, усредненная по всем отрицательным фронтам. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
Rise 20-80% (Время нарастания 20-80%) Длительность участка положительного фронта импульса от 20% до 80%, усредненная по всем положительным фронтам между курсорами Средняя длительность участка положительного фронта импульса от 20% до 80% На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
[email protected] (Время нарастания на заданном уровне) Длительность участка положительного фронта импульса между двумя заданными пользователем уровнями. Длительность участка положительного фронта импульса между двумя уровнями. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
RMS (Действующее значение) Среднеквадратичное значение данных между курсорами — примерно то же, что и sdev, для осциллограммы с нулевым средним значением. Дает сходные результаты при применении к кривой во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных.
vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за найденное количество периодов (до 100).
Стандартный параметр.
Setup (Задержка предустановки) Интервал времени от фронта импульса данных до фронта тактового импульса.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Skew (Рассогласование) Разность времен между ближайшими фронтами двух сигналов тактовой частоты.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Std dev (Ср.-кв. отклонение) Среднеквадратичное отклонение данных между курсорами — примерно то же, что и rms для сигналов с нулевым средним значением. Дает сходные результаты при применении к кривой во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных.
vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за найденное количество периодов (до 100).
Стандартный параметр.
TAA Средний размах (разность между значениями пика и впадины) всех локальных особенностей   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
TAA- Средняя отрицательная амплитуда (разность между значениями базовой линии и впадины) всех локальных особенностей   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
TAA+ Средняя положительная амплитуда (разность между значениями пика и базовой линии) всех локальных особенностей   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
[email protected] (Ошибка временного интервала на заданном уровне) Разность между фактическим временем пересечения заданного фронта на заданном уровне и ожидаемым идеальным временем. Фронт может быть положительный, отрицательный или оба. В качестве единиц измерения результата можно выбрать время или единичный интервал (UI), который соответствует одному периоду сигнала тактовой частоты.
В диалоге Virtual Clock setup можно выбрать стандартный сигнал тактовой частоты (1,544 МГц) или нестандартные сигналы. Можно также использовать математическую систему фазовой автоподстройки частоты Golden FLL, позволяющую отфильтровать низкочастотное дрожание. Частота среза выбирается пользователем.
Частота среза =
= (1 / 1,667·10-3) ? тактовая частота
Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
[email protected] (Время на заданном уровне) Интервал времени от запуска до момента пересечения сигналом заданного уровня. Интервал времени от запуска до момента пересечения сигналом заданного уровня. Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.
Top (Вершина) Верхнее из двух наиболее вероятных состояний (нижнее состояние — base). Является характеристикой прямоугольных сигналов и определяется из статистического распределения значений сигнала. Значение верхнего наиболее вероятного состояния. Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.
Total Pop (Совокупное наполнение) Совокупное наполнение гистограммы   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.Стандартный параметр в DDA-5005.
Width (Длительность импульса) Длительность периодического сигнала, определяемая по пересечению уровня 50%. Если первое пересечение, следующее за левым курсором, дает положительный фронт, то прибор считает, что сигнал состоит из импульсов положительной полярности, и длительность импульса измеряется как интервал времени между соседними положительным и отрицательным фронтами. И наоборот, если это отрицательный фронт, импульс считаются отрицательными, а за длительность импульса принимается расстояние между соседними отрицательным и положительным фронтом. В обоих случаях окончательный результат получается путем усреднения длительностей всех зарегистрированных импульсов. Длительность первого положительного или отрицательного импульса, усредненная по всем похожим импульсам Аналогичен fwhm, однако тот, в отличие от width, применяется только к гистограммам.
Стандартный параметр.
[email protected] (Длительность импульса на заданном уровне) Длительность импульса, измеренная на заданном уровне.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума. Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
X at max (X в максимуме) Горизонтальная координата максимального значения между курсорами.   Только для осциллограмм во временной и частотной области.
X at min (X в максимуме) Горизонтальная координата минимального значения между курсорами.   Только для осциллограмм во временной и частотной области.
X at peak (X в пике) Значение n-го по высоте пика гистограммы.   Только для гистограмм.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.

Основы радиолокации — Частота повторения импульсов

Частота повторения импульсов

время передачи
или длительность
импульса τ

Следующий
зондирующий
импульс

Тестовые
импульсы

Эхо-сигнал

интервал приема

интервал
покоя

Время повторения импульса (PRT)
или период повторения импульса (PRP)

Рис. 1: Временные этапы периодов работы радиолокатора

время передачи
или длительность
импульса τ

Следующий
зондирующий
импульс

Тестовые
импульсы

Эхо-сигнал

интервал приема

интервал
покоя

Время повторения импульса (PRT)
или период повторения импульса (PRP)

Рис. 1: Временные этапы периодов работы радиолокатора

Что такое частота повторения?

Частота повторения импульсов

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:

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

Figure 2: Burst mode of a pulse radar

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.

Время и частота — импульсы и спектры

В предыдущем блоге мы рассмотрели жаргон, возникающий вокруг георадара относительно времени и частоты, и попытались дать базовое объяснение терминов. В большинстве случаев визуализация концепций — лучший способ продемонстрировать эти идеи. Чтобы улучшить понимание, мы представим визуальные представления, которые мы используем в наших учебных курсах по георадарам.

Давайте введем здесь еще немного жаргона, импульс и спектры (множественное число от спектра). Георадары во временной области сосредоточены на создании и обнаружении импульсов. Георадары в частотной области фокусируются на создании и обнаружении синусоидальных сигналов с диапазоном частот и различной амплитудой; значения амплитуд и частот формируют спектр сигнала.

С этими иллюстрациями оживают концепции времени и частоты. Временной и частотный миры связаны и представляют собой разные способы описания одного и того же.

Сначала мы проиллюстрируем, что мы подразумеваем под пульсом. Звуковая аналогия полезна. Выстрел создает резкий короткий звук, который мы слышим. Звук, воспринимаемый ухом, является результатом кратковременного изменения давления воздуха в ухе. Один из способов представить этот импульс давления — построить график зависимости давления воздуха от времени, как показано ниже.

Импульс в первую очередь характеризуется своей амплитудой, длительностью (ширина — в данном случае 0.2 единицы времени) и временем, в течение которого он отображается относительно времени начала (это называется временной задержкой, которая составляет 0.5 единицы времени до пика). Есть и другие детали, но пока будем проще.

Для георадара мы измеряем электрическое или магнитное поле в зависимости от времени и отображаем напряженность поля в том же графическом виде. Хотя поле невидимо для глаза и обычно не воспринимается непосредственно людьми, инструменты предназначены для восприятия полей и преобразования их в напряжение, которое изменяется со временем так же, как и поля. Это преобразование, которое происходит в приемнике GPR) позволяет графическое представление полей, как показано выше. (Это то, что делают радары во временной области; они создают отображение компонента поля в зависимости от времени).

Понятие частотного спектра объяснить сложнее. Первый шаг — понять, что мы подразумеваем под синусоидальным сигналом. Эту концепцию лучше всего проиллюстрировать с помощью графика зависимости амплитуды от времени. Частота, как мы обсуждали ранее, является мерой того, сколько раз сигнал повторяется в заданном интервале. Хорошая визуализация концепции — качающийся маятник; график зависимости расстояния маятника от его положения равновесия от времени показывает синусоидальную кривую.

Значение расстояния колеблется между двумя крайними значениями через равные промежутки времени. Переход между крайними значениями следует плавной кривой, называемой синусоидой. Сигнал характеризуется максимальным значением смещения (амплитудой) и количеством пиков или впадин в заданном интервале времени (частоте). В данном случае 2.5 колебания за 100 единиц времени. В стандартной научной терминологии один цикл в секунду обозначается как 1 герц (Гц) в честь известного радиолога Генриха Герца.

Радио и телевизионные сигналы формируются из электромагнитных полей, которые изменяются по синусоиде. Они немного отличаются от идеальной синусоиды тем, что частота и / или амплитуда незначительно меняются со временем; это изменение представляет передаваемую информацию (музыку, голос, изображение). В общем, вариаций очень мало. Чаще всего радиостанцию ​​идентифицируют по ее доминирующей или несущей частоте (т. Е. Станция, обозначенная на вашем FM-радио 99.9, означает, что частота составляет 99.9 МГц).

До сих пор мы использовали графическое представление сигналов в зависимости от времени, чтобы передать значение временного импульса и частоты. Очевидной связи между импульсом и колебательным сигналом нет. Магия возникает, когда складываются многие синусоидальные колебания с разными частотами и разными амплитудами. Спектр — это термин, используемый для этого набора амплитуд и частот. Давайте проиллюстрируем это, сложив синусоиды с частотами от 0 до 50 в графической форме. В этом простом случае все синусоидальные колебания имеют одинаковую амплитуду.

На этой анимации показан результат последовательного добавления синусоид по одной. В верхней части изображения показан временной график результирующего сигнала. В нижней части изображения показана амплитуда синусоиды для каждой частоты, добавленной к сигналу. Этот нижний график называется амплитудным спектром сигнала.

Что удивительно, так это переход сигнала от простого синусоидального колебания к форме импульса по мере добавления все большего количества частот. Вы видите волшебство анализа Фурье. По сути, любой изменяющийся во времени сигнал, такой как импульс, может быть построен из синусоид с заданным спектром. И наоборот, хотя здесь не рассматривается, импульс можно разложить на суперпозицию синусоид заданной амплитуды и частоты.

Радары частотной области по существу выполняют всю свою работу, создавая и добавляя синусоидальные сигналы на разных частотах, и достигают того же результата, что и радары временной области, которые непосредственно создают импульсный сигнал. Электронные компоненты и схемы, используемые в реализации, часто очень разные. По этой причине существует много плохо информированных споров о том, что лучше временная или частотная область. Дело в том, что качество и точность проектирования компонентов системы — вот что отличает эти системы; принципиальной разницы между подходами нет, за исключением умения разработчика системы и знаний пользователя. Таким образом, если смотреть чисто на науку, нет явного победителя для проектирования в частотной области против времени, хотя некоторые подходы могут быть проще или дешевле.

Хотя я очень беспокоюсь о подробностях такого рода в блоге, мы, к сожалению, позволили огромному количеству жаргона проникнуть в область георадара за счет ясности. Я не знаю другого способа создать основу для разумного обсуждения. Я надеюсь, что, попытавшись прояснить эти концепции, наше сообщество будет лучше подготовлено к расшифровке различных утверждений, пропагандирующих отрасль.

В будущих блогах будут рассмотрены другие ключевые темы, которые помогут дать количественное понимание таких идей, как разрешение, фаза, пропускная способность и другие подобные темы, которые имеют решающее значение для понимания пользователями GPR.

длительность импульса — это… Что такое длительность импульса?

длительность импульса

 

длительность импульса
Интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.
[ГОСТ 13109-97]

длительность импульса
1. Промежуток времени между началом и концом импульса, измеренный при определенных уровнях относительно амплитуды импульса (например, на уровне 0,1 от амплитуды)
2. Интервал времени между передней и задней границами импульса, измеренный на определенном уровне от максимальной амплитуды импульса
[BS EN 1330-4:2000. Non-destructive testing — Terminology — Part 4: Terms used in ultrasonic testing]
[Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения (справочное пособие). Москва 2003 г.]


Параметры импульсного напряжения
  1. Длительность импульса напряжения по уровню 0,5 его амплитуды tимп0,5 в микросекундах, миллисекундах измеряют следующим образом.
    1. Выделяют из общей кривой напряжения импульс напряжения и определяют амплитуду этого импульса Uимп.а в вольтах, киловольтах как максимальное значение импульса напряжения.
    2. Определяют моменты времени tн0,5, tк0,5 в микросекундах, миллисекундах, соответствующие пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной на половине амплитуды импульса, в микросекундах, миллисекундах.
    3. Вычисляют Δtимп0,5 по формуле:
      Δtимп0,5 = tк0,5tн0,5

[ГОСТ 13109-97]

Тематики

  • качество электрической энергии
  • электромагнитная совместимость

Близкие понятия

  • длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды

EN

  • pulse duration
  • pulse length
  • pulse time
  • pulse width
  • pulsewidth

Справочник технического переводчика. – Интент. 2009-2013.

  • длительность изменения напряжения
  • длительность импульса (световой или энергетической фотометрической величины) импульсной лампы

Смотреть что такое «длительность импульса» в других словарях:

  • длительность (импульса) — Интервал времени между первым и последним моментами, в которые мгновенное значение импульса достигает 50 % его амплитуды (МСЭ Т K.43). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN… …   Справочник технического переводчика

  • длительность импульса — 3.67 длительность импульса: Приращение времени, измеренное между точками, соответствующими половине пиковой мощности в начале и в конце импульса. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • длительность (импульса) — 3.9 длительность (импульса) [duration (of a pulse)]: Интервал времени между моментами, когда мгновенное значение импульса в первый и последний раз достигает 50 % пикового значения импульса. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • длительность импульса — impulso trukmė statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. pulse duration; pulse time; pulse width vok. Impulsdauer, f; Impulslänge, f; Pulsbreite, f rus. длительность импульса, f; ширина импульса, f pranc. durée d impulsion, f; largeur d… …   Automatikos terminų žodynas

  • длительность импульса — impulso trukmė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Trukmė apibrėžtame impulso amplitudės lygyje. atitikmenys: angl. pulse duration vok. Impulsdauer, f; Impulslänge, f rus. длительность импульса, f pranc. durée d’impulsion …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • длительность импульса — impulso trukmė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. pulse duration; pulse time vok. Impulsdauer, f rus. длительность импульса, f pranc. durée d’impulsion, f …   Fizikos terminų žodynas

  • длительность импульса td, с — 3.48 длительность импульса td, с: 1,25 я часть временного интервала между моментами времени, когда интеграл по времени от квадрата мгновенного акустического значения достигает 0,1 й и 0,9 й частей своего конечного значения. (См. рисунок 2.)… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • длительность импульса — ширина импульса …   Словарь русских синонимов по технологиям автоматического контроля

  • Длительность импульса — 1. Интервал времени, в течение которого сила излучения полупроводникового излучателя больше или равна половине ее максимального значения Употребляется в документе: ГОСТ 27299 87 Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и… …   Телекоммуникационный словарь

  • Длительность импульса тока обменного переключателя — 110 Источник: ГОСТ 28111 89: Микросборки на цилиндрических магнитных доменах. Термины и определения оригинал …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации


Глава 11: Беспроводные сети

Глава 11: Беспроводные сети

 « Предыдущая

Шумоподобные сигналы

В физическом плане, беспроводные сети значительно отличаются от сетей Ethernet, а вот с точки зрения логики работы, они весьма схожи. Отличие это выражается хотя бы в том, что воздушная среда передачи данных разительно отличается от витой пары. Многие последние технические разработки ведутся в области широкополосной беспроводной связи. Эти инновации и будут описаны ниже.

Принудительное расширение частотного спектра сигнала является основой приемо-передачи шумоподобных сигналов.

Наглядно, этот сигнал можно представить в виде совокупности синусоидальных гармоник, имеющих разную частоту и амплитуду. Следует учесть, что большая часть энергии импульса будет находиться в спектральной полосе, которая соответствует длительности передаваемого сигнала.

Ширина спектра рассчитывается по формуле: Ширина спектра = 1/tи, где tи — длительность импульса. Формула показывает, что при уменьшении длительности импульса увеличивается ширина полосы, по которой проходит сигнал. Возникает сложность с передачей сигнала не большой мощности.

Процесс повышения надежности приема не сложен. Для этого просто необходимо внести в него избыточность. В роли избыточности выступает шумоподобный код или ЧИП (числовая последовательность). В результате, энергия сигнала распределяется по  всему спектру.

 Шумоподобный сигнал

 

В среде передачи (эфире) всегда присутствует шум. Были разработаны специальные последовательности, в их основу положена автокорреляция, которые выделяют ЧИП из этого шума. Это означает, что когда корреляция накладывается сам на себя (имея не большой сдвиг) будет возникать совпадение кода. Данное совпадение возникнет только при условии небольшого смещения. Наглядным примером такого кода служит 11-ти разрядный код Баркера (11100010010). Используют прямой и инверсный его вариант для передачи 1 и 0. В результате, появляется возможность выделить сигнал из шума и преобразовать его в узкополосный.

Таким образом, путем не сложных подсчетов, получается, что при информационной скорости в 1 Мб/с, ЧИП длительностью 1/11 мкс будут следовать на 11 Мчип/с, и ширина спектра составит 22 Мгц (частота соответствует 2/Т, где Т — длительность импульса). Обращаем ваше внимание на тот факт, что существует возможность увеличить сигнальную скорость более чем 2 раза. Для этого используют комплиментарные коды — это более сложные механизмы представления данных.

Следует подчеркнуть, что фазовая модуляция RadioEthernet по своей физической сути не сильно отличается от, например, xDSL. Такое сходство характерно для большинства таких систем.

 

Диапазон частот

Правом распределения частот среди желающих во многих странах обладают специальные службы по телекоммуникации. Кроме того, диапазоны частот 2400-2483,5 МГц и 5725-5875 МГц используется для передачи данных в промышленной, медицинской и научной сфере. Такое распределение было установлено на Всемирной Административной Радио Конференции (ВАРК).

Начиная с 1986 года в странах Европы и США было официально отменено обязательное лицензирование ISM-диапазонов. Теперь каждый желающий может использовать данный диапазон широкополосными средствами связи. Это разрешение действует и на устройства Radio-Ethernet. Однако тут существует ограничение — мощность передатчика не должна превышать 100 мВт.

Такой подход поспособствовал появлению большого числа беспроводных технологий (Wireless LAN). Изначально, задумывались такие решения для возможности мобильности пользователей внутри одного помещения или кампуса. За использования частоты в этих целях плата не взималась. На территории СНГ Wireless LAN так и не стало популярным. Такое оборудование провайдеры использовали для связи сетей областного масштаба между собой.

Ситуация с бесплатными каналами частот совсем иная в Украине. Здесь, как и в прошлом, процветает бюрократия: вся процедура регистрации очень сложная и запутанная. Кроме того, за частоту нужно платить, и не мало. Описывать здесь всю процедуру мы не будем. Укажем лишь, что только стоимость работ будет составлять десятки тысяч долларов США. Ждать изменения данной ситуации к лучшему в ближайшем будущем не приходится. Процесс упрощения и удешевления движется очень медленно.

Надо указать на то, что при этом тотальном контроле за средой, на практике отсутствуют реальные методы борьбы с пиратскими линиями связи. Во многих больших городах России пиратство расцвело на столько, что легальных операторов просто вытеснили с диапазон 2,4 ГГц. При этом средства, потраченные на лицензию, никто не вернул.

Борьба с пиратством усложнилась еще и тем, что для работы стало достаточно ноутбука с радиомодулем и некоторое активное оборудование, стоимость которого составляет до 100$. Следовательно, каждый, кто имеет такое оборудование уже потенциальный пират.

Все идет к тому, что и другие диапазоны, так же, присвоят пираты. Связано это с продолжающей снижаться ценой на оборудование, предназначенного для работы на диапазоне 3,4 и 5,2 ГГц. Чем все закончится — сейчас сказать сложно. Однозначно одно, принятая государством политика жесткого регулирования потерпела крах. Права легальных компаний защитить она не в силах.

 

Методы передачи

Методов существует несколько. В частности, существуют две принципиально разных технологии, которые позволяют работать с широкой полосой частот. Этими методами являются Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS (частотных скачков) и Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS (прямая последовательность).

В методе частотных скачков весь широкополосной диапазон 2,4 ГГц используется как одна полоса с 79 подканалами. В методе прямой последовательности широкая полоса разбита на несколько DSSS-каналов. Это значит, что одновременно, на одной полосе среды, независимо друг от друга, могут использоваться 3 канала. При этом, скорость передачи каждого из каналов, будет 2 Мбит/с.

Преимущества DSSS на лицо: большая дальность связи, устойчивость к узкополосным помехам, высокая производительность. Производительность составляет 2 Мбит/с на один канал, 6 Мбит/с на весь диапазон 2,4 ГГц.

Вторая технология — FHSS отличается более низкой пропускной способностью, но при этом она дешевле и проще. Под эту технологию многими фирмами производится оборудование. Основным преимуществом FHSS над DSSS считается сохранение работоспособности в условиях широкополосных помех. Самый главный недостаток FHSS состоит в том, что они мешают обычным узкополосным устройствам.

 

Взаимодействие устройств

Был разработан специальный набор стандартов, который призван регламентировать теоретические вопросы локальных сетей, построенных по принципу Radio Ethernet. Такими стандартами является семейство IEEE 802.11. В этом стандарте определен порядок организации беспроводных сетей. Описаны оба уровня доступа: МАС и PHY. В первом из них доступ к среде передачи данных, во втором — физический уровень.

Максимальная скорость передачи данных, которую предусматривал данный стандарт, была 1 Мбит/с. Затем, было разработано дополнение — IEEE 802.11b, которое предусматривало скорость уже 1, 2, 5.5 и 11 Мбит/с. После этого семейство данного стандарта все время пополняется и на сегодня версии a и g значительно подняли скорость.

Когда устройства начинают взаимодействовать друг с другом на MAC-уровне, возникает необходимость разделить сети по инфраструктуре. Их выделяют две: Ad Hock и Infrastructure Mode. Само взаимодействие оборудования так же будет различным. Так при первом варианте узлы непосредственно взаимодействуют друг с другом — такое взаимодействие называют «режимом точка-точка». При втором варианте — через точку доступа — Access Point. Точка доступа исполняет роль концентратора. Режим «точка доступа», в свою очередь, так же имеет два режима: BSS и ESS. Basic Service Set предусматривает доступ только через точку доступа, а Extended Service Set позволяет узлам взаимодействовать друг с другом.

Теперь рассмотрим PHY-уровень. На этом уровне используется широко известная технология избегания коллизий. Перед началом передачи посылается специальное сообщение — Ready To Send. Данное сообщение извещает  о готовности к отправке, адресат, продолжительность.

Принимающий узел, в свою очередь извещает о готовности принять другим сообщением — Clear to send. Другие узлы могут задерживать передачу. Окончание процесса передачи, так же, оформлено кадром — ACK. Эта последовательность будет повторяться снова и снова, пока происходит обмен информацией. Если обобщить все выше сказанное, то можно сказать, что сам процесс передачи информации идет без возможности коллизий. Коллизии возникают только, когда идет процесс соревнования абонентов за канал.

Параллельно, большими шагами идет развитие рынка беспроводного оборудования операторского класса. Здесь представлены MMDS, LMDS, OFDM (будущий 802.16а), фирменные технологии. В целом, ассортимент очень широк. Из-за такого количества новинок разобраться во всем этом многообразии оборудования порой очень непросто.

Ниже, мы попытаемся систематизировать всю информацию на практических примерах.

 

Группа IEEE 802.11.

Данная группа сегодня считается лидером на рынке. Остановим ваше внимание на том факте, что приведенные стандарты были разработаны и продолжают разрабатываться далее для нужд локальных сетей внутри помещения.

Другими словами, установленный нами хаб будет иметь характеристики хуже, чем у аналогичных проводных «братьев». Желательное число абонентов, подключенных к одному хабу (пропускная способность 11Mb/s)не должно превышать 15-ти человек.

Таким образом, это оборудование не применимо в более крупных сетях (район\город). Хоть такие сети и были выстроены во многих городах СНГ, их услугу никак нельзя назвать качественной.

Решением может выступать применение оборудования 802.11b, используя технологию точка-точка. Так же можно применять разнос нескольких точек на расстояние 7-8 километров.

Ниже приведена небольшая таблица характеристик для группы 802.11

Стандарт 802.11 802.11b 802.11a 802.11g  802.11n
 Частоты  2,4-2,483 ГГц  2,4-2,483 ГГц  5,15-5,25 ГГц
5,25-5,35 ГГц
5,725-5,850 ГГц
 2,4-2,483 ГГц  5 ГГц
2,4 ГГц
 Метод передачи  DSSS,FHSS  DSSS  DSSS  DSSS
 Скорость  1,2Мб/с  1,2,5.5,
11Мб/с
 6,9,12,18,
24,36,48,54Мб/с
 6,9,12,18,
24,36,48,54Мб/с
 До 248Мб/с
 Метод модуляции  BPSK, QPSK  BPSK, QPSK, CCK  BPSK, QPSK
 Дальность связи  До 50 км  До 50 км  До 40 км  До 40 км

 

Обращаем внимание, что в инструкции к любому беспроводному оборудованию указанная максимальная дальность передачи сигнала, относится к условиям, близким к идеальным. При этом должно использоваться дорогостоящее антенно-фидерное оборудование.

Если ориентироваться на крупных иностранных операторов, то те отказались от использования такого оборудование. Они аргументируют свой отказ тем, что на это оборудование нет никаких гарантированных характеристик.

Компаниями-производителями оборудования рассматриваемого стандарта являются: Cisco (aironet), Proxim (ORiNOCO), Micronet (SP), D-Link, Linksys и т.п.

 

MMDS и LMDS подобное оборудование

Изначально данное оборудование задумывалось для осуществления работы многоканального беспроводного телевидения, с перспективой переноса в высокочастотные спектры. На много позже, были реализованы технологии, которые дали возможность наложить стандарт цифровой передачи данных на радиосеть. В результате, все параметры цифрового потока данных отвечают этому стандарту.

При этом сохраняется возможность получения и воспроизведения телевизионных каналов. Их количество зависит от общего спектра системы. Если мощность передатчика будет достаточно высокой, то зона покрытия будет достигать до 40 километров.

Сеть, построенная по такому принципу, будет иметь достаточно высокую стоимость. Только получение частотного разрешения уже влетит в копеечку, а установка одной единицы базовой станции стоит от 150 тыс. долларов.

Есть еще ряд проблем, одна из основных — проблема с частотами. Связана она с шириной спектра, который требует данная технология. В итоге, отечественным операторам за установку такой сети в небольшом городе, необходимо выложить до 1 млн. долларов. В большинстве случаев такие расходы им не под силу.

 

Фирменные технологии

Фирменные разработки появились вследствие отсутствия соответствующих стандартов на беспроводные сети. Кроме того, имеющиеся стандарты не имели гарантированных характеристик каналов. Самыми популярными на сегодняшний день являются: Tsunami (Proxim), Ultima3 (Wi-Lan), PacketWave(Aperto Networks) и Revolution (CompTek).

 Пример небольшой операторской базовой станции

 

Такое оборудование весьма популярно при создании городских сетей. Его используют так же как замену ЦРРЛ. Рост популярности связан, прежде всего, с относительно доступной ценой: $800-1600 за клиентское устройство (CPE) и $7000-30000 за базовую станцию. Кроме того, такие сети имеют высокую степень надежности и предоставляют гарантированные характеристики канала.

В настоящее время разрабатывается новый стандарт на основе OFDM, назван он — IEEE 802.16a. Возможно, вскоре, не очень дорогое оборудование LAN-уровня включит в себя основные достоинства фирменных разработок. Такое внедрение даст возможность создавать радио сети, в которых будет происходить обмен данными на высокой скорости. Сами сети при этом будут гораздо большего размера, чем сейчас.

Разумеется, что для качественного функционирования радиоканала, одного хорошего активного оборудования не достаточно. Необходимо иметь и пассивное оборудование высокого качества (антенно-фидерный тракт). Не редки случаи, когда их цена значительно больше стоимости простого радиобриджа.

Качество кабеля определяется параметром dB Loss — чем меньше этот параметр, тем лучше. Обращать внимание нужно на затухание, которое происходит именно на той частоте, на которой предполагается работа самого канала. Ниже приведены паспортные данные некоторых видов кабелей:

 

RG-8x doublescreen

Параметр   Значение
Частота (мгц)  300 900 1800  2400
Затухание (дб/м)  0,24  0,42  0,64  0,76
Внешний диаметр (мм)  7,5
Диаметр центрального проводника (мм)  1,65

 

Belden H-1000

Параметр   Значение
Частота (мгц)  300 900 1800  2400
Затухание (дб/м)  0,07  0,12  0,18  0,24
Внешний диаметр (мм)  10,3
Диаметр центрального проводника (мм)  2,5

 

Здесь не приведен пример параметров общеизвестного RG58, т.к. при его использовании будут наблюдаться очень высокие потери, вплоть до 5-8 Дб/метр. Как следует из приведенной таблицы, рациональней всего использовать высокочастотный кабель. Стоимость его относится к разряду средней — 0,5 до 2,5$.

 Напомним, что потери будут расти с каждым следующим метром кабеля. Например, 20 м. RG-8x вызовут затухание порядка 20 * 0,76 = 15,2 Дб. Это сопоставимо с усилением, которое может дать хорошая антенна. Немаловажен и тот факт, что длинный кабель сам по себе является антенной. Он способен вбирать в себя все помехи из эфира. Для фильтрации сигнала предназначен узкополосный фильтр, который ставят на входе в активное устройство. Но он не всегда способен противостоять серьезной помехе. Если ставить еще один фильтр, мы дополнительно потеряем 3 Дб.

В результате, активное оборудование, нужно располагать как можно ближе к крыше. При этом следует учесть то, что при длине фидера более 30-40 метров возможны перебои со связью. В таких случаях используют мощные антенны и усилители.

 

Разъемы

Теперь нужно рассмотреть очень важный объект — разъемы. Самую высокую степень применения имеют N-type, SMA, TNC, РК-50. Более узкую сферу применения имеют BNC, UHF, F-type, и другие «фирменные» стандарты. Эти разъемы не сложны в применении, так как имеют разнообразные переходники и разветвители, их можно паять и обжимать.

Величина затухания в разъемах соответствует по величине затуханию в 1-2 метрам кабеля. Работать с разъемами следует очень аккуратно, т.к. даже небольшое количество влаги или грязи способно значительно увеличить затухание.

В связи с тем, что разъемы часто устанавливаются на крышах, велика вероятность попадания влаги внутрь.

 

Антенны

Из всех рассмотренных видов оборудования, необходимого для беспроводного радиосоединения, одним из самых важных элементов являются антенны. Существует огромное количество их разновидностей: логопериодические, параболические, вибраторные, панельные, коллинеарные (всенаправленные), волновой канал и др. Рассматривать в отдельности каждый из этих видов, мы не будем, сделаем лишь краткий обзор.

Все антенны делятся на три группы: узконаправленные, всенаправленные и секторные. Разделение на эти группы не предусматривает конструктивных отличий. Различия между представителями этих трех групп видны из их названия. Всенаправленные антенны используют для работы с несколькими точками, что предусматривает их использование для не больших базовых станций. Недостатком таких антенн является низкая степень защиты от помех. На практике, такие антенны перестают работать при высокой степени шума и не используются для связи между сегментами Ethernet-сетей.

 

Для возведения мощных базовых станций применяют несколько антенн (создают несколько секторов), которые имеют диаграмму направленности в 60-180 градусов. Эти сектора настраиваются на разные диапазоны, что дает им возможность не создавать помех дуг для друга. Для этих же целей антенны часто устанавливают в разной поляризации.

Узконаправленные антенны — это лидер установки при строительстве домашних сетей. Такая антенна принимает меньше помех и, соответственно, излучает их меньше. Таким образом, самым основным ценным качеством таких антенн является как можно большая узость диаграммы направленности.

Самыми распространенными считаются панельные антенны и «волновой канал», связано это с хорошим соотношением цена/качество.

Ниже приведен пример панельной антенны FA-20 (усиление 20 Дб).

 Антенна FA-20 (модификация FA-16


Достоинством данной антенны является ее узость диаграммы направленности. Недостатки – высокая стоимость ($50-70) и высокая степень заметности антенны на крыше.

Ниже представлен пример антенны, имеющей тип «волновой канал». Марка POLARIS-2450 (усиление 17 Дб).

Основным преимуществом POLARIS-2450-17 является ее внешняя схожесть с телевизионной. Она не дорогая ($20-40), но и не высокого качества.

Следующий тип антенн — двойной биквадрат. Изготавливается просто, кустарным способом. Отличается хорошей диаграммой направленности и усилением.

 Самодельная антенна типа двойной биквадрат.

 

Приведем еще один тип кустарной антенны – это «баночная». Такой тип часто используется в таких же кустарных сетях.

Данное устройство нельзя применять для серьезных сетей. Однако, с ее помощью можно получить довольно приличное усиление — 7-8 Дб.

 

Грозозащита

Для любой антенны, расположенной на крыше здания, очень важным параметром является ее грозозащитные свойства. Сегодня самым распространенным типом антенн являются короткозамкнутые по постоянному току. Этот параметр очень надежно защищает антенну от атмосферного электричества. Здесь следует обратить внимание на надежность крепления антенны и его заземление.

Что касается «кустарных» (самодельных) антенн, то для них самой лучшей защитой является негрозоопасное место размещения. Можно, так же, применять отдельную газовую или четвертьволновую грозозащиту.

 

Непрямая видимость

Очень редки случаи, когда владельцы локальных беспроводных сетей занимаются расчетом возможности связи. Обычно все решается на бытовом уровне: если излучатель и приемник находятся в зоне прямой видимости друг друга — то связь будет, если нет — то и связь будет отсутствовать.

Такой подход, зачастую, оправдывает себя. Однако, на примере телевизионного сигнала, становится ясно, что хороший прием гарантирован и в условиях отсутствия прямой видимости. Связано это с тем, что волны имеют свойство отражаться от различных поверхностей (стены, крыши и др.) для нужд связи по средствам радио-Ethernet этого хватает.

На сегодняшний день, производители специально выпускают такое оборудование, которое изначально поддерживает отраженный сигнал. Реализована эта функция на уровне методов кодирования. Теперь уже можно говорить о приеме сигнала, даже в условиях отсутствия прямой видимости. На практике такое встречается редко. Прием сигнала в таких условиях будет скорее исключением, чем правилом.

Следующая »

25 простых аналоговых и цифровых функций по 25 центов каждая. Функции ШИМ

28 февраля 2019

Предлагаемый цикл состоит из 25 кратких заметок о том, как на основе микроконтроллеров MSP430FR2xxx производства Texas Instruments реализовать 25 наиболее популярных узлов, присутствующих на многих системных платах. В каждой заметке рассказано об основных особенностях той или иной функции, а также приведены ссылки на информационные ресурсы, содержащие примеры кода и базовые версии проектов, что позволяет начать работу практически за считанные минуты.

Контроллер трехцветного светодиода


(UART Software Controlled RGB LED Color Mixing With MSP430™ MCUs)

Трехцветные светодиоды (RGB LED), содержащие в одном корпусе кристаллы с излучением красного, зеленого и синего цветов, используются для индикации и подсветки во многих приложениях, например, для создания пользовательских интерфейсов или устройств освещения, ведь путем смешения основных цветов можно получить результирующее излучение практически любого цвета и интенсивности. На практике это осуществляется путем индивидуальной регулировки токов каждого светодиода, а это, в свою очередь, наиболее просто реализовать путем подачи на каждый светодиод импульсного напряжения с постоянной частотой и регулируемой длительностью импульсов (широтно-импульсной модуляции, ШИМ). При этом, чтобы исключить появление видимых человеческим глазом мерцаний, частота напряжения, подаваемого на светодиоды, должна быть не менее 60 Гц. В базовом варианте проекта, исходные файлы которого можно загрузить с официального сайта Texas Instruments, представлен пример контроллера трехцветного светодиода, позволяющего через интерфейс UART установить 12 вариантов его излучения. Особенностью предлагаемого программного обеспечения является минимум требуемых аппаратных ресурсов – всего лишь один таймер (Timer B0) с тремя регистрами сравнения/захвата (Capture Compare Registers, CCR). Кроме этого, размер прошивки не превышает 512 байт, что позволяет реализовать его на микроконтроллере MSP430FR2000 с наименьшим среди семейства MSP430™ объемом памяти программ.

Реализация

В базовом варианте проекта внешний трехцветный светодиод подключается к микроконтроллеру MSP430™ с помощью трех P-канальных MOSFET, а токи светодиодов основных цветов ограничиваются с помощью трех внешних резисторов (рисунок 11). Такая схема включения позволяет микроконтроллеру управлять светодиодами повышенной яркости, токи которых превосходят максимально допустимые значения для портов ввода-вывода микроконтроллеров данного семейства. Аппаратная часть проекта содержит два модуля: оценочную плату MSP-TS430PW20 на основе микроконтроллера MSP430FR2000, и содержащий трехцветный светодиод модуль расширения LED BoosterPack™, принципиальную схему которого вместе с остальной технической документацией можно получить, скачав исходные файлы опорного проекта TIDM-G2XXSWRGBLED. Платы соединяются между собой проводами так, как показано на рисунке 11. Для связи с компьютером через интерфейс UART может использоваться обратный канал программатора-отладчика MSP-FET или эмулятор eZ-FET из набора для разработки MSP430™ LaunchPad™. Ввод команд для установки цвета светодиода осуществляется с помощью терминальной программы, работающей на персональном компьютере.

Рис. 11. Схема контроллера трехцветного светодиода

Принцип формирования нужного излучения с помощью ШИМ подробно рассмотрен в разделах «Принцип смешения цветов» и «Управление светодиодами» «Руководства по созданию программного обеспечения для управления светодиодами» (Software RGB LED Control Design Guide). Однако в данном проекте из-за специфики используемых микроконтроллеров использован несколько иной способ формирования ШИМ-сигналов. В первоначальном варианте таймер работает в режиме инкрементирующего счета (Up Mode), а информация о длительностях импульсов хранится в регистрах TB0CCR0 (синий), TB0CCR1 (красный) и TB0CCR2 (зеленый) модуля Timer B0, хотя обычно при формировании ШИМ-сигналов регистр TB0CCR0 используется для установки длительности периода импульсов. Отказ от «классического» метода формирования ШИМ связан с тем, в некоторых моделях микроконтроллеров MSP430™, в том числе и MSP430FR2000, таймер имеет только три регистра CCR, а это значит, что используя «классический» метод, с его помощью можно сформировать всего два ШИМ-сигнала, что явно недостаточно для управления трехцветным светодиодом. Более подробно о принципах формирования нескольких ШИМ-сигналов с помощью единственного таймера и механизма прерываний можно ознакомиться, прочитав «Руководство по формированию сигналов с фиксированными временными параметрами с использованием единственного таймера микроконтроллеров MSP430» (Multiple Time Bases on a Single MSP430 Timer Module).

Для исключения видимых мерцаний частота импульсов, подаваемых на светодиоды, должна быть приблизительно равна 60 Гц. При такой незначительной частоте ШИМ-сигналов частоту тактового генератора можно оставить равной частоте, устанавливаемой по умолчанию (1,048 МГц), поскольку она намного выше минимально необходимого значения, определенного в руководстве “Multiple Time Bases on a Single MSP430 Timer Module”. ШИМ-сигналы управления светодиодами формируются путем деления вспомогательной тактовой частоты (Auxiliary Clock, ACLK) 32768 Гц, получаемой от низкочастотного опорного генератора (Low-Frequency Reference Oscillator, REFO), на 4. Таким образом, опорная частота импульсов, подаваемая на таймер Timer B0, равна 8192 Гц. Это сделано для того, чтобы максимальное значение регистров TB0CCRx не превышало 255 (0хFF) и для хранения значений было достаточно одного байта, что дополнительно экономит ресурсы микроконтроллеров с ограниченными объемами ОЗУ и памяти программ. В данном проекте для частоты 60 Гц максимальное значение регистров TB0CCRx не превышает 135. Следует также отметить, что сигналы управления светодиодами являются инверсными, и светодиоды включаются при малом значении выходного сигнала микроконтроллера, поэтому значения массива colorsLow[] фактически содержат информацию о длительности включенного состояния светодиода, а массива colorsHigh[] – о выключенном.

Результаты тестирования

Для запуска проекта необходимо соединить платы согласно принципиальной схеме, прошить микроконтроллер и подключить к нему программатор-отладчик. Отладочная палата MSP-TS430PW20 по умолчанию конфигурируется для использования UART, однако все равно необходимо проверить, что перемычки JP14 и JP15 установлены, а JP13 удалена. Во время инициализации микроконтроллера светодиод будет светиться белым, поскольку P-канальные MOSFET открываются при низком уровне управляющего сигнала, после чего его цвет свечения изменится на красный. Для установки цвета светодиода необходимо запустить на персональном компьютере программу для терминальных соединений, подключив ее к порту UART, созданному обратным каналом программатора-отладчика MSP-FET или эмулятором eZ-FET. По умолчанию модуль UART в микроконтроллере настроен на скорость обмена 9600 бод с одним стоповым битом и без использования бита четности. Для установки одного из 12 допустимых цветов через интерфейс UART необходимо передать один байт в диапазоне 0х00…0х0B. Если передать число, находящееся за пределами данного диапазона, то цвет свечения светодиода изменится на красный (рисунок 12).

Рис. 12. Цвет свечения светодиода при передаче неправильного значения через интерфейс UART

Базовая версия проекта поддерживает всего 12 фиксированных цветов светодиода, однако если использовать более мощный микроконтроллер из линейки MSP430™, то увеличение количества предустановленных цветов не вызовет никаких технических проблем. Кроме этого, базовая версия проекта ориентирована на использование платы BoosterPack, трехцветный светодиод которой имеет меньшую интенсивность излучения красного светодиода по сравнению с зеленым и синим. Это различие учтено в значениях массива colorsLow[] и colorsHigh[], оптимально подобранных для получения заданных цветов. При необходимости для более точного определения цвета излучения следует использовать рассеиватель, уменьшающий влияние пространственного разнесения оптических центров излучения светодиодов внутри корпуса прибора. Данный проект является хорошим примером управления светодиодной подсветкой с минимальным количеством внешних компонентов и жесткими требованиями к размеру программного кода, в том числе и для микроконтроллеров с максимальным объемом памяти программ, не превышающей 0,5 кбайт.

Контроллер сервопривода


(Servo Motor Controller Using MSP430™ MCUs)

Сервоприводы нашли широкое применение в большом количестве приложений, требующих точного позиционирования в пространстве каких-либо элементов, например, в устройствах автоматики, промышленной технике, роботах и многих других приложениях. Основная задача сервопривода – поддержание углового или линейного положения подвижного элемента (ротора), хотя существуют и модели, предназначенные для стабилизации его скорости вращения. Сервопривод является законченным устройством, в корпусе которого интегрированы двигатель, драйвер двигателя, датчик положения/скорости и вся необходимая дополнительная электроника. А вот управление сервоприводами осуществляется с помощью ШИМ-сигнала определенной частоты, длительность импульса которого и определяет положение подвижной части. Чаще всего для управления сервоприводами используют  ШИМ-сигналы с периодом 20 мс (частотой 50 Гц) и длительностью импульсов, находящейся в диапазоне от 1 мс (5%) до 2 мс (10%), которым соответствует угол установки ротора 0° и 180° (рисунок 13). Однако параметры ШИМ-сигнала управления и углы установки ротора зависят от модели, поэтому перед использованием конкретной модели сервопривода следует внимательно изучить его техническую документацию.

Рис. 13. Параметры ШИМ-сигнала управления сервоприводом

Базовый вариант проекта, исходные коды которого можно скачать с официального сайта Texas Instruments, позволяет управлять сервоприводом по интерфейсу UART. Этот проект является хорошим примером экономичного решения данной задачи, поскольку он реализован на микроконтроллере MSP430FR2000 с объемом памяти программ всего лишь 512 байт.

Реализация

Максимальное напряжение питания для микроконтроллеров MSP430™, а следовательно, и напряжение на выходах портов GPIO не превышает 3,6 В, в то время как амплитуда импульсов сигнала управления для большинства сервоприводов должна быть 5 В. Для согласования уровней в схеме использован N-канальный MOSFET CSD18537NKCS, включенный по схеме с общим истоком (рисунок 14), однако эту же задачу можно решить и с помощью стандартных преобразователей уровней сигналов, например, из семейства SN74LV1Txx.

Рис. 14. Схема подключения сервопривода

ШИМ-сигналы для управления сервоприводами чаше всего генерируются с помощью таймеров, в данном случае – с помощью таймера Timer_B0. По умолчанию тактовой частотой для модуля таймера, настроенного на режим инкрементирующего счета (Up Mode), является вспомогательная тактовая частота (Auxiliary Clock, ACLK) равная приблизительно 32 кГц, которая генерируется внутренним опорным генератором (Low-Frequency Reference Oscillator, REFO). В проекте используются два регистра таймера: TB0CCR0, определяющий длительность периода (20 мс), и TB0CCR1, содержащий информацию о длительности импульса ШИМ-сигнала. Выходной сигнал формируется на выводе P2.0, подключенном к выходу регистра совпадения/захвата CCR1 микроконтроллера MCP430FR2000. Для корректного управления сервоприводом длительность импульса ШИМ-сигнала управления должна находиться в диапазоне 1…2 мс.

С помощью компьютерной терминальной программы можно установить положение ротора сервопривода в одно из 16 предустановленных значений. Для связи с компьютером используется модуль асинхронного приемопередатчика микроконтроллера eUSCI_A0, конфигурируемый для работы в режиме UART. Информация с компьютера поступает в последовательном коде через вывод P1.6 и сохраняется в регистре UCA0RXD. В базовом варианте проекта используется отладочная плата MSP-TS430PW20 и программатор-отладчик MSP-FET. Информация по UART передается со скоростью 4800 бод с одним стоповым битом и без использования бита четности. Для установки положения ротора микроконтроллеру по интерфейсу UART необходимо передать число в диапазоне 0x00…0x0F, после чего длительность импульса сигнала управления, а следовательно – и положение ротора станут равными некоторым значениям, приведенным в таблице 9.

Таблица 9. Соответствие длительности импульса данным, полученным по UART

Значение принятого байта Значение регистра TB0CCR1 Длительность импульса сигнала управления
0x00 33 1,00 мс (5,0%)
0x01 36 1,10 мс (5,5%)
0x02 38 1,16 мс (5,8%)
0x03 40 1,22 мс (6,1%)
0x04 42 1,28 мс (6,4%)
0x05 44 1,34 мс (6,7%)
0x06 46 1,41 мс (7,1%)
0x07 48 1,46 мс (7,3%)
0x08 50 1,53 мс (7,7%)
0x09 52 1,59 мс (8,0%)
0x0A 54 1,65 мс (8,3%)
0x0B 56 1,71 мс (8,6%)
0x0C 58 1,77 мс (8,9%)
0x0D 60 1,83 мс (9,2%)
0x0E 62 1,89 мс (9,5%)
0x0F 65 1,98 мс (9,9%)

Результаты тестирования

На рисунке 15 показаны три примера сигналов управления сервоприводом, генерируемых микроконтроллером при передаче по интерфейсу UART значений, указанных красным шрифтом. Как видно из рисунка, минимальное и максимальное значения длительности импульса управления находятся в диапазоне 1…2 мс, чему соответствует установка ротора сервопривода в крайние левое (0°) и правое (180°) положения. При длительности импульса 1,5 мс ротор будет установлен приблизительно в середине диапазона вращения (около 90°).

Рис. 15. Сигнал управления сервоприводом

После компиляции исходного кода первоначальной версии проекта размер прошивки равен приблизительно 200 байт. Это означает, что в памяти программ остается еще достаточно места для реализации пользовательских приложений. Так, например, задействовав регистр TB0CCR2, можно реализовать управление двумя сервоприводами, подключив его к выводу P2.1. Если же нужно обеспечить более широкую функциональность, тогда необходимо использовать микроконтроллеры семейства MSP430™ с большим объемом памяти. Если управлять сервоприводом по интерфейсу UART нет необходимости, тогда модуль eUSCI можно отключить, что позволит получать ШИМ-сигналы также и на выводах P1.6 и P1.7.

Поскольку значение регистров CCR1 хранится в энергонезависимой памяти FRAM, то после сброса микроконтроллера, например, путем установки низкого уровня на выводе RST или в результате сбоя в цепи питания микроконтроллера, положение ротора сервопривода останется прежним. Если же необходимо, чтобы после сброса ротор сервопривода всегда устанавливался в некоторое исходное (начальное) положение, то исходный код базового проекта необходимо модифицировать.

RC-генератор REFO работает на частоте ACLK, равной 32 кГц, которая является, в том числе, и опорной частотой для приемопередатчика UART. Однако для повышения стабильности тактовой частоты во всем диапазоне рабочих температур рекомендуется использовать внешний кварцевый резонатор. Кроме этого, за счет использования во время простоя энергосберегающего режима LPM3 величина потребляемого тока составляет около 17 мкА при тактировании узлов от REFO, а при использовании генератора с внешним кварцевым резонатором (LFXT) ток потребления микроконтроллера можно уменьшить до 1 мкА.

Контроллер шагового двигателя


(Stepper Motor Control Using MSP430™ MCUs)

Шаговые двигатели являются разновидностью бесколлекторых (бесщеточных) двигателей постоянного тока, особенностью которых является перемещение ротора на строго фиксированную величину. Это позволяет с высокой точностью позиционировать в пространстве подвижные элементы устройств, что в совокупности с высокой надежностью, малым временем отклика, а также широким диапазоном крутящих моментов и скоростей вращения способствует широкому распространению приводов данного типа в самых различных приложениях, начиная от бытовой электроники и заканчивая промышленными автоматизированными системами.

Для подключения шаговых двигателей к микроконтроллеру используют специальные микросхемы – драйверы, выполняющие функции не только усилителей мощности, но и преобразователей алгоритмов. Так, например, микросхема DRV8825, задействованная в данном проекте, уже содержит узлы, формирующие необходимую последовательность подачи напряжений на обмотки двигателя, в результате чего для управления шаговым двигателем необходимо сформировать всего два простых сигнала, отвечающих за направление вращения и количество шагов перемещения подвижной части привода. В базовом варианте проекта, исходные коды которого можно загрузить с официального сайта Texas Instruments, сигналы управления драйвером DRV8825 формируются микроконтроллером семейства MSP430™, при этом ШИМ-сигнал, определяющий количество шагов, формируется с помощью таймера, а сигнал направления вращения – обычным портом ввода/вывода общего назначения. Благодаря простоте формируемых сигналов размер прошивки не превышает 512 байт, что позволяет использовать в данном проекте микроконтроллеры MSP430FR2000, обладающие наименьшим объемом памяти программ.

Реализация

В микросхеме DRV8825 уже реализованы все защитные функции, необходимые для безопасной работы шагового двигателя, поэтому микроконтроллеру для начала работы необходимо сгенерировать всего лишь два сигнала: направление вращения и количество шагов. Выводы RESET и SLEEP драйвера не используются, поэтому напряжения на них имеют уровень логической единицы. Кроме этого, высокий логический уровень присутствует также и на выводе M2, поскольку в данном проекте режим микрошага (1/16 шага) также не реализован. Необходимо помнить, что диапазон рабочих напряжений питания, максимальное значение токов, требования к синхронизации, допустимые режимы работы и многие другие технические параметры зависят от конкретной модели шагового двигателя, поэтому перед подключением шагового двигателя, отличающегося от модели, используемой в базовой версии проекта, необходимо внимательно изучить его техническую документацию. В оригинальной версии проекта шаговый двигатель подключается к микроконтроллеру с помощью популярной платы на основе драйвера DRV8825, хотя сейчас уже существуют более современные микросхемы, например, DRV8886AT, содержащая кроме обновленных и улучшенных базовых функций возможность автоматической настройки и интегрированные узлы для измерения токов обмоток (рисунок 16).

Рис. 16. Схема подключения шагового двигателя

Для генерации ШИМ-сигнала, подаваемого через вывод P2.0 на контакт STEP драйвера DRV8825, используется таймер Timer_B0. Тактовый генератор микроконтроллера инициализируется на частоте 16 МГц, которая затем для исключения необходимости добавления задержек при доступе к сегнетоэлектрической памяти FRAM делится на 2. Результирующая частота MCLK, равная 8 МГц, с помощью подсистемы распределения тактовой частоты SMCLK подается ко всем периферийным устройствам микроконтроллера, в том числе к таймеру Timer_B0, работающему в режиме инкрементирующего счета. Значение регистра TB0CCR0 определяет частоту ШИМ-сигнала, а следовательно – и частоту вращения двигателя, в то время как информация в регистре TB0CCR1 рассчитывается таким образом, чтобы коэффициент заполнения импульсов управления был максимально близким к 50%, что необходимо для нормальной работы драйвера DRV8825.

Для связи с компьютером используется модуль асинхронного приемопередатчика eUSCI_A0, который конфигурируется для работы в режиме UART, при этом информация с компьютера, полученная в последовательном коде через вывод P1.6, сохраняется в регистре UCA0RXD. В базовом варианте проекта используется отладочная плата MSP-TS430PW20 на основе микроконтроллера MSP430FR2000 и программатор-отладчик MSP-FET. По умолчанию информация по UART передается со скоростью 9600 бод с одним стоповым битом и без использования бита четности, однако эти параметры могут быть легко изменены в зависимости от требований конкретного приложения. Для изменения параметров вращения шагового двигателя микроконтроллеру по интерфейсу UART необходимо передать число в диапазоне 0x00…0x0A. Передача значения 0x00 приведет к остановке двигателя, а 0x0A – к инверсии сигнала на выводе P2.1, который подключен к входу DIR драйвера DRV8825 и определяет направление вращения двигателя. Передача значений в диапазоне 0x01…0x09 приведет к изменению скорости вращения двигателя, причем чем больше число, тем больше скорость вращения. Реальное значение скорости вращения во многом зависит от конкретных моделей драйвера и шагового двигателя. Параметры сигналов, используемых в базовом проекте, приведены в таблице 10.

Таблица 10. Соответствие длительности импульса данным, полученным по UART

Значение принятого байта Значение регистра TB0CCR1 Частота сигнала управления, кГц
0x00 0 0
0x01 8000 1
0x02 4000 2
0x03 2000 4
0x04 1000 8
0x05 500 16
0x06 250 32
0x07 125 64
0x08 64 125
0x09 32 250

Результаты тестирования

На рисунке 17 показаны три примера сигналов управления шаговым двигателем, генерируемых микроконтроллером при передаче по интерфейсу UART значений, указанных на рисунке красным шрифтом, которые подтверждают правильность таблицы 10. Работа двигателя на более высоких скоростях не тестировалась из-за ограниченного значения максимально допустимого тока, потребляемого от источника питания.

Рис. 17. Сигнал управления шаговым двигателем

После компиляции исходного кода базовой версии проекта размер прошивки равен приблизительно 250 байт. Это означает, что в памяти программ остается еще достаточно места для реализации пользовательских приложений. Так, например, задействовав регистр TB0CCR2, можно реализовать управление двумя шаговыми двигателями, подключив вход STEP второго драйвера к выводу P2.1 (в этом случае за направление вращения должен отвечать другой порт). Если же необходимо обеспечить более широкую функциональность, тогда нужно использовать микроконтроллеры из семейства MSP430™ с большим объемом памяти. Если необходимости управления по интерфейсу UART нет, то модуль eUSCI можно отключить, что позволит получать ШИМ-сигналы также и на выводах P1.6 и P1.7. Но поскольку таймер (Timer_B0) содержит всего два свободных регистра захвата/сравнения (CCR1 и CCR2), то количество одновременно генерируемых ШИМ-сигналов ограничено.

Поскольку источником опорного сигнала для таймера является подсистема распределения тактовой частоты (SMCLK), то при простое системы можно использовать только энергосберегающий режим LPM0, при котором среднее значение потребляемого тока будет равно приблизительно 300 мкА. Если же использовать частоту 8 кГц и менее, то тактирование периферийных модулей можно осуществить от вспомогательного тактового генератора (ACLK). Использование ACLK совместно с энергосберегающим режимом LPM3 позволит при использовании RC-генератора (REFO) уменьшить ток потребления системы до величины 17 мкА, а при использовании генератора с внешним кварцевым резонатором (LFXT) – 1 мкА.

Двухканальный цифро-аналоговый преобразователь


(Dual-Output 8-Bit PWM DAC Using Low-Memory MSP430™ MCUs)

Генерация аналоговых сигналов необходима во многих приложениях, начиная от детских игрушек и заканчивая музыкальными проигрывателями и различными генераторами. Обычно для этого используются специализированные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), которые не всегда входят в комплект периферийных устройств недорогих микроконтроллеров. Однако при добавлении всего нескольких пассивных компонентов сформировать сигналы небольшой частоты можно с помощью обычных таймеров, поддерживающих режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это наглядно продемонстрировано в данном проекте, исходные коды которого можно загрузить с официального сайта Texas Instruments, на примере генерации сигналов постоянного и переменного токов. Данный метод можно также использовать для формирования самых различных сигналов, в том числе и произвольной формы. Перед началом работы с проектом также рекомендуется изучить руководство «Использование таймера в качестве цифро-аналогового преобразователя» (“Using PWM Timer_B as a DAC Microcontrollers”).

В этом проекте показан пример реализации двухканального восьмиразрядного ЦАП, один канал которого генерирует синусоидальное напряжение с частотой 250 Гц, а второй – постоянное напряжение. Синусоидальное напряжение формируется на основании табличных значений отсчетов значений синуса, обновляемых каждый раз после завершения периода ШИМ-сигнала, частота которого в 16 раз больше, чем требуется для сигнала с такими параметрами. Для устранения высокочастотных пульсаций сгенерированного напряжения, неизбежных при таком методе формирования, к выходам микроконтроллера подключены RC-фильтры нижних частот, поэтому повышенная частота ШИМ-сигнала также способствует лучшей фильтрации выходного напряжения.

В базовом варианте проекта ЦАП реализован на основе микроконтроллера MSP430FR2000, имеющего в семействе MSP430™ наименьшую стоимость и объем памяти программ – всего 512 байт. Однако при необходимости формирования более сложных сигналов или реализации ЦАП с расширенным функционалом можно использовать и более мощные микроконтроллеры семейства MSP430™.

На рисунке 18 видно, что коэффициент заполнения импульсов ШИМ-сигнала при формировании синусоидального напряжения изменяется в каждом цикле, в то время как при формировании постоянного напряжения он остается постоянным. Также на приведенных диаграммах можно заметить наличие небольших высокочастотных пульсаций напряжений на выходе RC-фильтров.

Рис. 18. Диаграммы работы ЦАП

Реализация

Разрешающая способность ЦАП определяется разрядностью счетчика таймера. При использовании 8-разрядных данных это значение равно 256 (28 = 256). Необходимую частоту дискретизации, равную частоте выходного ШИМ-сигнала, можно определить по формуле 1, задавшись максимальным количеством отсчетов, используемым для формирования сигналов. Для синусоидального сигнала с частотой 250 Гц, генерируемого на основе таблицы из 32 отсчетов, частота ШИМ-сигнала будет равна 8 кГц:

$$32\:отчета\times 250\:(Гц)=8\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Для понимания сути происходящих процессов необходимо просто вспомнить, что выходной RC-фильтр фактически выделяет среднее значение периодического напряжения прямоугольной формы. Таким образом, частота дискретизации является ничем иным как количеством циклов ШИМ-сигнала, необходимых для генерации периодического напряжения с частотой 250 Гц по 32-м отсчетам.

Необходимое значение опорной частоты таймера получается путем умножения частоты дискретизации на разрешающую способность таймера (формула 2):

$$f_{CLOCK}=f_{PWM}\times 2^N=8\times 2^8=2.048\:МГц,\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где N = 8 – разрешающая способность ЦАП.

В приведенном примере для получения сигнала с частотой fCLOCK был использован внутренний генератор с цифровым управлением (DCO), выходная частота которого была выбрана равной 16 МГц. После этого с помощью делителя с коэффициентом деления 4 была получена системная тактовая частота (MCLK), которая в свою очередь была поделена на 2 подсистемой распределения тактовых импульсов (SMCLK). В результате частота импульсов на выходе SMCLK, являющаяся опорной для таймера Timer_B, равна 16: 4 : 2 = 2 МГц. Теперь для получения необходимой длительности периода осталось только единожды установить значение регистра CCR0 равным 255.

При генерации синусоидального сигнала обновление значения регистра CCR1, определяющего коэффициент заполнения ШИМ-сигнала, происходит в обработчике прерывания, генерируемого каждый раз при совпадении значений основного регистра таймера и CCR0. Каждый раз при возникновении данного прерывания происходит увеличение на единицу индекса активного элемента таблицы из 32 записей до тех пор, пока его значение не выйдет за ее границы и не будет обнулено. Поскольку второй канал ЦАП формирует постоянное напряжение, то значение регистра CCR2 в прерывании не изменяется.

Микроконтроллер настроен таким образом, что регистры CCR1 и CCR2 подключены непосредственно к выводам микроконтроллера P1.6/TB0.1 и P1.7/TB0.2 соответственно, хотя в качестве альтернативы для этих целей можно использовать также выводы P2.0 и P2.1. Выходы регистров CCR1 и CCR2 настроены для работы в триггерном режиме: при достижении таймером значения, записанного в регистре CCR0, происходит установка выходов CCR1 и CCR2 в состояние логической единицы, а при достижении значений, записанных в регистрах CCR1 (CCR2) – в состояние логического нуля. Такой метод формирования выходного сигнала обеспечивает положительную полярность импульсов ШИМ-сигнала без инверсии.

Для фильтрации высокочастотной составляющей ШИМ-сигнала в канале, формирующем синусоидальное напряжение, применен двухзвенный RC-фильтр второго порядка, значения R и C которого можно определить по формуле 3:

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \sqrt{RC}},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где R⋅C = R1⋅C1 = R2⋅C2.

Частота среза fC данного фильтра (в данном случае – 795 Гц) выбирается таким образом, чтобы она находилась достаточно далеко от верхней границы полосы пропускания, что уменьшает ослабление полезного сигнала, но была ниже, чем частота ШИМ, ведь его высокочастотную составляющую необходимо подавить. Для лучшего отклика на переходные процессы рекомендуется выполнение условия R2 >> R1. Схема пассивного фильтра второго порядка была выбрана в первую очередь из-за ее простоты, хоть она и требует более высокой частоты дискретизации, чем при использовании фильтров нижних частот более высоких порядков.

В канале постоянного напряжения функция фильтра фактически сводится к поддержанию постоянного заряда на выходном конденсаторе, поэтому в этой части схемы использован простейший однозвенный фильтр низких частот первого порядка.

Итоговая схема ЦАП показана на рисунке 19. В проекте была использована отладочная плата MSP-TS430PW20 с микроконтроллером MSP430FR2000, а два RC-фильтра низких частот были реализованы с помощью внешних компонентов.N,\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где N – порядок фильтра.

Альтернативным способом уменьшения уровня пульсаций является увеличение частоты среза, например, путем увеличения емкости конденсатора C2 до 420 пФ (рисунок 19). Однако в этом случае формула 3 для расчета частоты среза уже становится некорректной (поскольку R1C1 ≠ R2C2), и необходимо использовать формулу 5:

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \sqrt{R_{1}C_{1}R_{2}C_{2}}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

В данном случае fС = 549 Гц.

Кроме того, выходной уровень канала постоянного напряжения можно регулировать путем изменения коэффициента заполнения ШИМ-сигнала (рисунки 19 и 21). Без учета ослабления в фильтре нижних частот выходное напряжение канала постоянного тока VDC определяется по формуле 6:

$$V_{DC}=D\times V_{CC},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

где VCC – напряжение питания микроконтроллера, D – коэффициент заполнения импульсов ШИМ-сигнала.

Рис. 21. Диаграммы работы ЦАП при C2 = 420 пФ и 100% ШИМ при Uвых канала постоянного тока = 3,32 В

Возможности предложенного ЦАП не ограничиваются только формированием простых сигналов. Так, например, сигналы постоянного и переменного токов могут суммироваться с помощью специализированного усилителя, что позволит формировать сложные пульсирующие сигналы с регулируемым смещением по постоянному току. Для генерации линейно изменяющихся сигналов, в том числе и треугольной формы, вместо хранения таблицы отсчетов можно использовать вычисление коэффициента заполнения «на лету» – в прерывании, например, с помощью следующего кода:



/**
* Обработчик прерывания таймера TimerB0 *
**/
#pragma vector=TIMER0_B0_VECTOR
__interrupt void TIMER0_B0_ISR( void)
{
 //Увеличение коэффициента заполнения на 8
 //Для изменения частоты сигнала измените величину приращения
 dutyCycle+=8;
 //Установка значения регистра CCR1 с ограничением максимального значения на уровне 255
 TB0CCR1 = dutyCycle & 0x0FF;
}

Результат выполнения приведенного кода показан на рисунке 22. Более детально эти вопросы рассмотрены в руководстве «Использование таймера в качестве цифро-аналогового преобразователя».

Также можно заметить, что теоретически табличный метод формирования сигналов позволяет генерировать сигналы любой сложности и длительности, естественно, при наличии таблицы с правильно рассчитанными значениями отсчетов. А если размер таблицы превышает 500 байт, то всегда можно взять микроконтроллер семейства MSP430™ с большим объемом памяти.

Рис. 22. Результат формирования пилообразного напряжения. Верхние диаграммы приведены в более мелких масштабах

Преобразователь «напряжение-частота»


(Analog Input to PWM Output Using the MSP430™ MCU Enhanced Comparator)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) используется во многих приложениях, например, в системах управления освещением и электродвигателями. При этом в некоторых случаях источником сигнала связи, определяющим длительность импульса или частоту выходного напряжения, является непрерывно изменяющееся напряжение или ток. Обычно преобразование непрерывного (аналогового) напряжения в цифровую форму осуществляется с помощью специализированных узлов – аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Однако в наборе периферийных устройств некоторых недорогих микроконтроллеров семейства MSP430™, в частности – MSP430FR2000, такого узла может не оказаться. Тем не менее, отсутствие АЦП не означает, что данный микроконтроллер нельзя использовать для решения данной задачи, ведь оцифровать аналоговое напряжение можно и другими способами, например, с помощью компаратора.

В этом проекте, исходные коды которого можно скачать с официального сайта Texas Instruments, показан пример реализации шестиразрядного АЦП на основе модуля компаратора с расширенными возможностями (eCOMP), содержащего программируемый источник опорного напряжения. Особенностью данного проекта является ультрамалый размер прошивки, что позволяет реализовать его на основе микроконтроллера MSP430FR2000, имеющего наименьший в семействе MSP430™ объем памяти программ – всего 512 байт.

Реализация

Логическое значение выходного сигнала модуля компаратора eCOMP зависит от разницы напряжений на неинвертирующем (V+) и инвертирующем (V–) входах. В данном проекте неинвертирующий вход компаратора подключен к выводу микроконтроллера, и на него подается подлежащий оцифровке аналоговый сигнал Vinput, а инвертирующий – к выходу встроенного программируемого шестиразрядного источника опорного напряжения, фактически являющегося цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Кроме модуля eCOMP, в проекте задействован также порт ввода/вывода общего назначения (GPIO) P1.3 (рисунок 23), к которому подключена кнопка. Нажатие на нее запускает процесс оцифровки. Для устранения возможных наводок и помех между выводом P1.3 и общим проводом включен конденсатор. Базовый вариант проекта реализован на отладочной плате MSP-TS430PW20 с микроконтроллером MSP430FR2000. Все соединения платы с источником аналогового сигнала, кнопкой и выходным устройством осуществляется с помощью проводов.

Рис. 23. Структурная схема преобразователя

Источником опорного напряжения для ЦАП является интегрированный стабилизатор с выходным напряжением 1,5 B. Оцифровка входного сигнала начинается с установки выходного напряжения ЦАП, равного половине опорного напряжения (0,75 В). Для этого в регистр CPDACDATA модуля eCOMP записывается значение 0x20, и его значение устанавливается на 32-м из 64 возможных уровней. После этого, в зависимости от состояния компаратора, содержимое регистра CPDACDATA изменяется до тех пор, пока методом деления отрезка пополам выходное напряжение ЦАП не будет установлено максимально близко к измеряемому напряжению. Поиск осуществляется по следующему алгоритму: если выходной бит компаратора находится в состоянии логического нуля (опорное напряжение больше измеряемого напряжения), то от содержимого регистра CPDACDATA отнимается половина его текущего значения, в противном случае, когда опорное напряжение меньше измеряемого напряжения, половина текущего значения CPDACDATA будет добавлена к его текущему содержимому. Несмотря на простоту и достаточно малую скорость подобного итеративного процесса, его вполне можно использовать в большом количестве приложений, не требующих высокой точности управления. После оцифровки, содержимое регистра CPDACDATA используется для расчета параметров выходного ШИМ-сигнала, которое генерируется таймером Timer_B0, подключенным к выводу P2.0 микроконтроллера. В общем случае информацию из CPDACDATA можно использовать для установки значения регистра TB0CCR0, отвечающего за длительность периода (частоту), или TB0CCR1, содержащего информацию о длительности импульсов выходного ШИМ-сигнала.

Для запуска базовой версии проекта подключите оборудование в соответствии с принципиальной схемой и запрограммируйте микроконтроллер с помощью программатора-отладчика MSP-FET. После включения питания измените управляющее напряжение на входе Vinput и запустите процесс преобразования, нажав на кнопку.

Максимальное количество уровней шестиразрядного ЦАП и, соответственно, количество состояний выходного сигнала, равно 64. В данном примере частоту выходного сигнала при заданном напряжении на входе и частоте тактирования таймера fCLK можно определить по формуле 7:

$$f_{PWM}=\frac{f_{CLK}}{(Значение\;регистра\:CPDACDATA)\times 128}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Коэффициент заполнения импульсов ШИМ-сигнала в базовой версии этого проекта фиксирован и составляет 50%. Частота выходного сигнала для некоторых значений входного напряжения Vinput при тактовой частоте fCLK = 1,048 МГц приведена в таблице 11. При необходимости закон изменения частоты и длительности импульсов выходного ШИМ-сигнала можно легко изменить в соответствии с требованиями конкретного приложения.

Таблица 11. Значения частоты выходного сигнала при различных значениях Vinput

Vinput, В Значение регистра CPDACDATA Выходная частота, кГц
0 1 8000
0,5 23 340
1 43 181
1,5 63 124

Результаты тестирования

На рисунке 24 показан пример работы преобразователя. Согласно результатам измерений, время оцифровки входного напряжения составляет приблизительно 5,95 мс. При этом, благодаря постоянному количеству итераций алгоритма оцифровки, это время не зависит от уровня входного напряжения. В приведенном примере вход преобразователя был подключен к источнику питания с напряжением 1,09 В. После завершения работы алгоритма оцифровки значение регистра, отвечающего за выходное напряжение ЦАП, стало равно 47. Минимальное разрешение полученного АЦП равно 1,5 В/64 = 0,023 В, поэтому при таком значении регистра выходное напряжение ЦАП будет равно (1,5 В * 47)/64 = 1,10 В. Таким образом, величина погрешности оцифровки равна 1,10 В – 1,09 В = 0,01 В, что меньше минимального разрешения.

Рис. 24. Результаты работы преобразователя

После компиляции размер прошивки преобразователя равен приблизительно 380 байт, что позволяет использовать оставшееся место для реализации дополнительных функций, например, обработки состояния порта GPIO или таблицы значений параметров ШИМ. Дальнейшее увеличение функционала, скорее всего, потребует увеличения необходимого объема памяти программ и перехода на более мощные контроллеры из семейства MSP430™. Поскольку источником опорного сигнала для таймера является подсистема распределения тактовой частоты (SMCLK), то при простое системы можно использовать только энергосберегающий режим LPM0. При необходимости дальнейшего уменьшения потребляемой мощности, что возможно, например, при использовании энергосберегающего режима LPM3, необходимо тактировать таймер от другого системного источника.

Список ранее опубликованных глав

•••

Наши информационные каналы
Основы работы с радиолокаторами

Основы работы с радиолокаторами Основные сведения о радаре



A. ВВЕДЕНИЕ:

РАДАР — это аббревиатура от Radio Detection And Ranging. В целом радаров, которые использовались (и используются) NWS, потребовалось гораздо больше, чем просто «обнаружение» и «определение дальности». место. За прошедшие годы технологический прогресс в материалах, схемотехника, быстродействующие устройства, возможности обработки и наблюдения объединились, чтобы позволить радиолокационным системам значительно улучшен.

Хорошим примером является WSR-57, долгое время являвшийся общенациональная сеть метеорологических радиолокационных систем NWS. Номер модификации WSR-57 продлили срок его службы и позволил ему работать так, как никогда не могли задумал. Например, ’57 был преобразован в интерфейс с технологией цифровой обработки и современными системами связи которые позволяют отображать и передавать данные радара далеко за пределы три оригинальных консольных ЭЛТ и фотоаппарат.

В начале 1960-х Х. В. Хизер писал: «В будущем это вероятно, что небольшие, твердотельные, готовые к использованию аппаратные средства цифровые компьютеры будет использоваться для оперативного анализа данных на радаре в режиме реального времени для локальных использование и для временного хранения цифровых данных на магнитной ленте до к передаче в другое место ».

Кажется, мы подошли к моменту времени (и технологии) в котором мы могли бы сказать, что у нас есть радиолокационная система, подобная той, что Hiser описан почти тридцать лет назад.Эта система — WSR-88D, радар и система связи, буквально рожденная в головах Hiser и другие.

Чтобы обеспечить прочную основу для изучения Система WSR-88D, мера знания фундаментальных принципов радар — это необходимость. Обсуждения в этом наборе предварительных условий Уроки по работе с радарами призваны дать обзор этих основ. Включенные темы будут отраженными волнами, импульсными волнами, шириной луча радара, распространение, длительность импульса, частота следования импульсов, поляризация, цель разрешение, траектория луча, количество импульсов и количество эхосигналов.

B. СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ:

Принципы работы радаров, (NWSTC MRRAD410, 1988)
Основы метеорологических радиолокационных систем, (NWSTC MRRAD420, 1990)
Радиолокационная метеорология, (Х.В. Хисер, третье издание, 1970 г.)

C. ОБСУЖДЕНИЕ:

Обычные радио- и телевизионные волны, которые передаются в атмосфера имеет вид непрерывных волн.»Несущая» волна передается, на который накладывается определенный модулирующий сигнал которые мы слышим или видим на нашем приемном оборудовании. С целью нашего обсуждения отраженных волн, модулирующих сигналов, которые частью волны CW можно пренебречь. Мы будем «модулировать» в радаре, а не обычным способом, будет передаваться радиолокационная волна время от времени. Пока радиолокационный передатчик включен, излучаемая волна может рассматриваться как непрерывная волна и, следовательно, будет соответствуют принципам, изложенным в следующем обсуждении.

Электромагнитная волна может быть представлена ​​в пространстве, как показано на рисунке ниже. Также показан радиопередатчик, приемник и препятствие для волны. (Позже мы обратимся к это препятствие как «цель»).



Если излучение направлено в сторону препятствия, волны ударяются о него и определенная часть энергии (намного меньше, чем полная энергия, падающая на препятствии) отражается обратно в сторону передатчика.В на самом деле происходит то, что волны «разбросаны» во многих направлениях с поверхностей препятствия, на которое ударила волна.

Если препятствием на чертеже было облако капель воды, прошедшая (падающая) волна была бы «рассеяна» почти во всех направлениях каждой из капель. Можно сказать что каждая капля воды будет «повторно излучать» полученную энергию. от прошедшей волны.Кроме того, каждая капля действует как малая дипольная антенна. Если капли различаются по размеру, их соответственно меняются электрические характеристики антенны. Некоторые капли будет излучать больше энергии, чем другие. Максимальное количество это переизлучение, конечно, будет определяться размером капли и длиной волны падающего излучения. Должное до сферической формы капель переизлучение происходит во всех направления (рассеяние).Самолет на чертеже будет производить рассеянное переизлучение. Его форма и размер, конечно, будут определить картину рассеяния.

Общее количество отраженной энергии (в любом направлении) равно зависит от нескольких факторов, некоторые из которых будут обсуждаться в этом Блок. Здесь достаточно сказать, что если мы передаем обычные электромагнитные волны, которые ударяют о какое-то препятствие, очень небольшое количество этого энергия будет отражаться (повторно излучаться) обратно к точке передачи.

В системе с непрерывной волной, такой как описанная выше, Казалось бы, любые отраженные волны, которые возвращаются к передатчику будут отменены или заслонены помехами от исходящих волн. Если это произойдет, не может быть никакого метода обнаружения отраженная энергия может быть достигнута. Чтобы разрешить использование одиночной антенны, и для измерения расстояния от антенна к отражающей поверхности (-ам), «импульсная» волновая радиолокационная система был разработан и будет исключительной темой нашего обсуждения.

В импульсной радиолокационной системе излучаются электромагнитные волны от антенны короткими очередями. То есть волны прерываются на время, чтобы волна достигла отражающей цели и часть энергии может вернуться к той же антенне до следующего всплеск волн передается. Если соответствующие устройства времени и схем, можно определить расстояние до цель в подходящих единицах измерения.Эти единицы измеряются в время увеличивается, но поскольку волны распространяются с известной скоростью, мы можем легко конвертировать измеренное время в значения расстояния (диапазона).

На рисунке ниже изображены «импульсные» волны радиолокационной системы. Обратите внимание, что здесь одна антенна. Эта цифра, хотя и сильно преувеличена. во временной области показывает «интервал» между волновыми импульсами и длительность самого импульса.


Длительность импульса называется «длительностью импульса» и измеряется в микросекундах (одна микросекунда — одна миллионная секунды).Пульс Длина обычно называется ШИРИНОЙ ИМПУЛЬСА в радиолокационных системах.

Интервал между импульсами или время от начала одного импульса к началу следующего, определяется количеством импульсов, которые передаются в заданный период времени. В радаре мы измеряем все время в секундах (или долях секунд). В результате уравнение для измерения длительности интервала между импульсами составляет ….

Одна секунда
Интервал повторения импульсов = __________________
Количество импульсов в секунду

Если бы мы передавали 1000 импульсов в секунду, интервал время от начала одного импульса до начала следующего будет быть…

1
Интервал повторения импульсов = ___________ = 0,001 секунды
(PRI) 1000

Временной интервал известен как «PRI», его также часто называют «PRT». Количество импульсов, передаваемых за одну секунду, называется «частота», и чаще всего ее называют «PRF» (повторение импульсов частота).

«Коэффициент заполнения» (часто называемый рабочим циклом) — это коэффициент от ширины импульса (PW) до частоты повторения импульсов (PRF), и составляет предоставлено …

Рабочий цикл = PW * PRF

… где PW в секундах, а PRF в импульсах в секунду.

Рабочий цикл выражает отношение времени «ВКЛ» передатчика. к общему доступному времени (PRI).Если мы воспользуемся нашим примером PRF выше (1000 импульсов в секунду), и каждый излучаемый импульс длился одну микросекунду (0,000001 секунды), значение рабочего цикла будет …

Рабочий цикл = 0,000001 * 1000 = 0,001

Это означает, что наш передатчик действительно включен на одну тысячную от общего измеренного времени. Один метод понимания значение «рабочего цикла» действительно интересно. Взгляните на свои часы, и, когда секундная стрелка проходит точное начало любого ЧАСА (1 час, 2 часа и т. д.), крик в верхней части ваши легкие ровно на 3,6 секунды. Затем подождите в тишине, пока не наступит точный начало СЛЕДУЮЩЕГО ЧАСА, а затем повторите 3,6-секундный крик. Соотношение вашего крика и тишины будет точно таким же. как наша частота повторения импульсов 1000 Гц и длительность импульса 1 микросекунда выше.

Что на самом деле означает коэффициент заполнения для радиолокационной системы? Поскольку каждый из переданных импульсов содержит определенное количество энергии (и в каждом импульсе содержится одинаковое количество энергии), рабочий цикл это значение, которое позволяет нам вычислить энергию (мощность) одного импульс, как если бы мощность была равномерно распределена в течение всего времени от начала одного импульса до начала следующего.

Опять же, рассмотрим свой почасовой «крик». Если ваш 3.6 энергия второго крика должна была быть «усреднена» за весь час, как громким был бы шум? Конечно, небольшой «гул» такие результаты может быть довольно трудно услышать.

Аналогично, если наш импульс в 1 микросекунду содержит миллион ватт мощности, какая средняя мощность получится, если ее усреднить по период времени, разрешенный нашей частотой повторения импульсов 1000 Гц?

Ответ находится путем умножения мощности в импульсе на рабочий цикл (пиковая мощность * рабочий цикл)…

1000000 Вт * 0,001 = 1000 Ватт

(пиковая мощность) * (постоянный ток) = (Средняя мощность)

Должно быть очевидно, что рабочий цикл — это «соотношение» между ПИКОВАЯ энергия в импульсе радара и СРЕДНЯЯ затраченная энергия в течение определенного периода времени. Поскольку устройства мы для измерения радиолокационных волн используются «усредняющие» устройства, нам необходимо способность выразить ПИКОВУЮ мощность в СРЕДНЕЙ мощности, что дает от включения и выключения пульсирующей энергии.Это относится к цепям как в радаре. передатчик и в приемнике радара.

Необходимо учитывать еще один важный фактор, касающийся радиолокационных волн. В наших современных радиолокационных системах мы передаем волны «лучами». Этот показано на рисунке ниже.


«Луч» энергии достигается с помощью антенны, которая фокусирует энергию радара на параболическом отражателе.Общая аналогия к этому можно отнести обычный фонарик. Полированный отражатель найденный в фонарике, имеет эффект направления световых волн в концентрированный «пучок». Луч света может быть направлен в любое желаемое направление, чтобы мы могли «осветить» объекты ярким (мощная) энергия, излучаемая фонариком. Если вы направите фонарик на стене, вы увидите яркое «пятно» в центре «луч света. Очевидно, что большая часть световой энергии сосредоточены на этой небольшой области.

И так с радаром «Луч». Параболическая антенна отражатель оказывает такое же влияние на радиочастотные электромагнитные волны. испускается передатчиком. Намерение состоит в том, чтобы сосредоточить энергию в узкий луч, чтобы большее «освещение» интересующих объектов могло быть выполненным. Это большее «освещение» дает больше энергии. отражаясь обратно в исходную точку. В случае фонарика, вы видите гораздо больше света, отраженного от «пятна», а в случае радар, гораздо больше энергии отражается от самой сильной концентрации волн (центр луча).

Теоретически параболоидная форма отражателя антенны должна получится «карандашный» пучок. Однако дифракция на краях антенная тарелка (в зависимости от длины волны) заставляет луч слегка становиться «конической», и приводит к небольшому расширению луча, поскольку энергия уходит от антенны. Это распространение вызывает линейное изменение в физической ширине луча по мере распространения переданного импульса.

Ширина энергетического «луча» радара является критическим фактором многие расчеты, необходимые для определения суммы энергии, которая обнаруживается в импульсах, отраженных от погодных «целей». Поскольку параболическая антенна не может сфокусировать всю волну энергия в точном центре луча, часть передаваемой мощности волны распространяется от центральной оси пучка. Некоторые расстояние (и угол) от оси луча, эта мощность может быть найдена как половина мощности, измеренной на оси. Это расстояние или угол, называется точкой ½ мощности. Есть бесконечное количество точек ½ мощности, расположенных вокруг центра луча. Теоретически каждая из этих точек должна содержать уровень мощности, равный половине этого в центре.Поскольку ½-степень также может быть представлена термин -3 дБ, эти точки часто называют точками -3 дБ. Ширина луча относительно двух из этих точек, расположенных на 180 кроме того, называется шириной луча 1/2 мощности (или -3 дБ). Ширина луча выражается как угол theta (), определяемый как …

71,6 Длина волны
Ширина луча (0) = ___________________
Диаметр антенны (d)

…где 0 в градусах ( o ), длина волны и диаметр антенны указаны в одних и тех же единицах измерения (футы, дюймы, метры, сантиметры и т. д.). Если мы будем использовать сантиметры как наши эталонная длина волны в формуле, тогда мы также должны использовать сантиметры как диаметр антенны (d) в формуле.

Например, длина антенны WSR-57 составляет 12 футов (3,657 метра). в диаметре, а длина волны составляет (для 2885 МГц) 10,3986 сантиметра. Расчет ширины луча по формуле даст …

71,6 * 10,3986
0 = ______________ = 2,036 или
365,7

Повторение расчетов для гораздо более крупной РЛС WSR-88D диаметр антенны (@ 28 футов) и длина волны (все еще «S» диапазон) приводят к очень узкая ширина луча ½ мощности (0) около 0.95 o .

Для сравнения, радиолокационная система WSR-74C (5625 МГц и 8 ножная антенна) имеет ширину луча () около 1,6 o .

Еще один момент, касающийся концепции ширины луча, должен быть считается. Поскольку ширина луча — это просто угол (0 ), а пучок расширяется в зависимости от дальности, физический размер волновой фронт становится фактором, когда измерение «целевых» эхо-сигналов должно быть выполненным.Например, балка WSR-57 (2,0 o ) распространяется до размеров, указанных в таблице ниже.

Диапазон (миль) 2 o Диаметр луча
______________ _________________

25 5307 футов
50 10,613 футов
75 15 920 футов
100 21 227 футов
125 26,534 футов
150 31 840 футов
200 42 454 футов
250 53067 футов

Следует отметить, что разброс удваивается как диапазон удваивается.Эта линейная зависимость верна для всех значений ширины луча радара.

Наконец, из-за дифракции луча только около 80% передаваемой энергии содержится в области -3 дБ, которую мы имеем называется шириной луча. То же действие, которое вызывает расширение луч также вызывает излучение некоторой части энергии (около 20%) (в меньшей концентрации) под еще более широкими углами от антенны. Эти области энергии излучения называются боковыми лепестками.Поскольку балка трехмерная, так же как и боковые лепестки, как показано на рисунке ниже.


Вспомните нашу аналогию с «фонариком». Если вы указали фонарик по направлению к стене вы можете увидеть центральное яркое пятно, вызванное дальним светом, как и ожидалось. Однако вы также должны увидеть рваный, относительно тусклый «кольцо» света вокруг центрального яркого пятна. Это боковой лепесток. Антенны всепогодных радаров имеют несколько боковых лепестков, разделенных определенными углы относительно центра дальнего света.Сила в этих лепестков значительно меньше мощности, сфокусированной в главный луч (первичный лепестка), но все же достаточно, чтобы вызвать нежелательные радиолокационные эхо от цели, особенно те, которые находятся близко к антенне РЛС.



На рисунке выше показан один из всплесков электромагнитного волны, которые могут излучаться радиолокационным передатчиком. Энергия представляет собой высокочастотные колебания, точное количество которых зависят от частоты передатчика и ширины импульса (PW).

В радаре WSR-57, используя ширину импульса 4 мксекунды, энергетический всплеск содержит около 11 540 колебаний радиочастотного энергия. Если мы отобразим пакет на осциллографе, мы сможем только просмотреть огибающая импульса, содержащая высокочастотные колебания. В наших радарах NWS мы можем видеть огибающую радиочастотного всплеска. подключив кристаллический детектор и осциллограф к одному из волноводов порты в радиолокационном передатчике.Мы можем только посчитать количество колебаний в периоде импульсов.

Действие импульсной энергии радара можно просто изобразить на диаграмме ниже. В данном случае наша цель — метеорологические. в природе (гроза).
Пока мы не будем обсуждать детали множества вариаций. Возможны в природе радиолокационные «цели». Эти предметы (в отношении метеорологический радар) будут включены в последующие информационные листы.


Сигналы синхронизации в радаре указывают точное время когда цепи радиолокационного передатчика должны генерировать всплеск электромагнитного энергия. В то же время синхронизируются схемы отображения.

Энергия полной мощности покидает антенну радара и перемещается (удерживается лучом) в направлении цели осаждения. В цель, мощность импульса была существенно снижена. Некоторые энергии, которая поражает капли воды во время грозы, повторно излучается в направлении антенны. Опять же, во время обратного пути мощность в пульсе убывает. Антенна собирает «отраженную» энергию, что составляет крошечную долю от силы исходного переданного импульса.

В приемнике радара полученное «эхо» усиливается, смешивается с сигналом гетеродина, усиленным еще больше, а затем преобразованным в напряжение «видео» для отображения на прицеле (ах) радара.Положение видео напряжение в области измеренного времени после передатчика Импульс определяет расстояние до цели, от которой отражена энергия. В радаре это время называется дальностью.

    Скорость распространения Электромагнитные волны
Электромагнитные волны распространяются (распространяются) с «c» (скорость свет). Эта скорость составляет 299,8 миллиона метров в секунду, или около 161 784 метра в секунду. морские мили в секунду.Для простоты радиолокационных расчетов «округляем» указанные выше скорости до …

c = 300000000 метров в секунду (300000 км в секунду)
161,800 морских миль в секунду
186 420 статут миль в секунду
984 300 000 футов в секунду

В наших обсуждениях преобразование скорости должно выполняться в обоих метров и морских миль, поскольку в системе WSR-88D используются оба устройства в измерении и отображении погодных эхосигналов.Старые радарные системы NWS (WSR-57) измеряется в морских милях, в то время как системы серии WSR-74 на основе метровых и километровых расстояний.

Скорость распространения волны имеет решающее значение для работы любой радиолокационной системы, поскольку измерения времени, прошедшего между передатчиком импульсы и принятые «эхо» сигналы являются единственным методом определения расстояние между радаром и целью (целями). В таблице ниже указаны расстояния, пройденные радиолокационной волной в различных единицах времени.




Для точного измерения временных интервалов в радаре мы больше озабочены временем полного прохождения импульсной волны. Это время в правом столбце таблицы на страница 11, которая представляет время с момента, когда волна покинет передающей антенны, пока отраженная волна не вернется к той же антенне.Другими словами, интервал отражения (время в правый столбец) ровно вдвое превышает время, необходимое волне, чтобы достичь цель. Если наша радиолокационная система настроена на измерение (отображение) радиолокационную информацию с шагом в морских милях, мы будем ссылаться на время интервала отражения 12,36 µСекунды в правом столбце как «единица радар морская миля ». С другой стороны, если радар настроен на километр шаг отображения, мы бы использовали 6.67 мкСекундное значение (снова с столбец отраженного интервала), и на этот раз будет называться «один радар километр ».

На этом этапе одно из основных соображений при проектировании радара должны быть представлены в математических терминах. Эта концепция известна как формула радиолокационной дальности. Математическое выражение это …

ct где … c = скорость света
R = _____ t = PRI (интервал между импульсами)
2 R = дальность от передатчика

В качестве примера рассмотрим WSR-88D PRI (интервал повторения импульсов) из 3066.66 мксекунд. Выражение Range будет следующим …

300 000 000 * .00306666
R = _______________________ = 460 000 метров
2

Обратите внимание (из таблицы на странице 11), что время интервала отражения 3066.66 µSeconds соответствует диапазону (расстояние до цели) 460 000 метров. Это тоже 460 километров, что, по неслучайному совпадению, также является максимальной дальностью действия WSR-88D.

Еще один термин, который часто используется в этом отношении: однозначный диапазон. Проще говоря, однозначный диапазон — самый большой. расстояние, на которое импульс радара может пройти и вернуться к антенне радара ДО передачи следующего импульса. Мы обнаружим, что WSR-88D должен уметь исправлять двусмысленность (сомнительная или недостоверная информация) в диапазоне во время выполнения задачи от импульса к импульсу сбора и обработки метеорологических Информация.Мы обнаружим, что некоторые специальные методы (уникальные для ’88D) используются для разрешения неоднозначности диапазона.


    Длина импульса и его повторение Частота
Учтите, что работа радара в чем-то похожа. функция пулемета, стреляя «брызгами» пуль (энергетические всплески) как стрелок (антенна радара) медленно поворачивает направление прицеливания. В обеих ситуациях существует дискретный промежуток времени между «пулями», и есть также дискретная длина, связанная с «пулей», поскольку она едет к цели.Хотя скорости двух «пули» существенно различаются, остается четкая взаимосвязь (функционально) в схемах стрельб. Рассмотрим рисунок ниже …




Здесь, как на рисунке на стр. 4, «стрельба» частота »(PRF), длина« пули »(ширина импульса) и интервал МЕЖДУ «выстрелами» (PRI) можно легко различить.Кроме того, все энергия (мощность) содержится в ПУЛЕ, количество поставленной мощности к цели зависит от ДЛИНЫ пули, а также от ЧИСЛА УДАРОВ в цель за заданный период времени (PRF). PRI (пуля интервал) — это время, отсчитываемое от начала одной пули до начало следующего.

Если стрелок заряжает БОЛЬШИЕ (и более длинные) пули, то энергия, достигающая его цели, будет пропорционально увеличиваться, если он будет стрелять по та же частота.Что касается радара, если ширина импульса (PW) увеличивается (без изменения PRF), метеорологическая цель аналогично получит больше энергии в течение определенного периода времени. Этот именно то, что происходит в WSR-88D. Доступны две ширины импульса для передачи. Эти значения составляют 1,57 мкСм и 4,5 мкСм.

Кроме того, в отличие от стандартного пулемета, 88D может также варьировать PRF. Как указано в приложении «PRIs» (стр.26), Частоты PRF в настоящее время

доступен для WSR-88D в диапазоне от 321 Гц до 1282 Гц. Вариация PRF и PW в передатчике 88D обеспечивает превосходную гибкость в поддержании контроля над властью, которая в конечном итоге поступает от антенна. Это очень важно при измерении интенсивности штормов, а также будет иметь жизненно важное значение для способности 88D извлекать дополнительные данные от метеорологической цели (ей).

Как следует из термина «электромагнитное излучение», радиолокационные волны состоят из электрического и магнитного полей.Когда волна передается в свободное пространство от антенны, ориентация электрического Поле [E] относительно плоскости земной поверхности определяет поляризация волны. Если волна ориентирована так, что поле «Е» перпендикулярна Земле, волна называется вертикально поляризованной. Если поле «E» параллельно поверхности земли, волна горизонтальна. поляризованный. В обоих случаях поляризация волны остается всегда в одной и той же ориентации, и поэтому именуется линейная поляризация.

РЛС NWS WSR-57 использует горизонтальную линейную поляризацию, Чертеж этого типа волновой ориентации показан ниже …





Обратите внимание на то, что поляризация магнитного поля «M» меняется на противоположную. с каждым ½-циклом, но остается ориентированным вертикально относительно к поверхности земли. Поскольку капли дождя имеют тенденцию становиться сплюснутыми наружу) по мере их падения в метеорологических радиолокационных системах традиционно использовались горизонтальные линейная поляризация.Этот метод позволяет улучшить возврат сигнала от погодные цели.

Альтернатива вертикальной или горизонтальной линейной поляризации был опробован в ранних системах WSR-88D. Эта техника называется круговая поляризация. В этом виде электромагнитного излучения поле «E» больше не ограничено одной плоскостью, а состоит из равноамплитудные компоненты с горизонтальной и вертикальной поляризацией, которые сдвинуты по фазе на 90 o .См. Схему ниже …




Легко видеть, что векторы как «E», так и Поля «M» вращаются по часовой стрелке (если смотреть сзади антенна). Это вращение называется правой круговой поляризацией. На чертеже показана только длина волны (). Обратите внимание, что поля повернуты на 45 o .После ¼ , поворот будет на 90 o , а после одного полного векторы поля совершат полное вращение на 360 o . Итак, для каждого цикла прошедшей волны поля «E» и «M» равны повернулся на 360 ° ° °. Наблюдатель (стоит за антенна) «увидит» вектор вращения на этом рисунке, вращающийся в круговое движение по часовой стрелке. Это причина использования терминологии «круговая поляризация».

Направление по часовой стрелке или против часовой стрелки может быть контролируется конструкцией узла антенного питания. Чаще это не так, вращение по часовой стрелке называется правой поляризацией, а против часовой стрелки вращение называется левой поляризацией. Ранние модели систем WSR-88D использовал устройство, называемое датчиком ортогонального режима (OMT), установленное в антенна. ОМТ обеспечивал правую поляризацию. Этот циркуляр схема поляризации не дала желаемого результата, и все производственные Системы ’88D оснащены антенными системами, использующими горизонтальную ЛИНЕЙНУЮ поляризация.

Если передается правая круговая поляризация, волны которые отражаются от целей осадков, аналогичны «зеркальное отражение». То есть энергия возвращается к антенне как левая поляризация. Поскольку радар использует одну и ту же антенну для передачи и прием, антенна гораздо меньше реагирует на противоположный смысл вращения. В результате прямые отражения от сферических целей (например, как круглые капли дождя) с трудом проходят через поляризатор приемник.Однако такая сложная цель, как самолет, будет вернуть немного энергии с правильной поляризацией. Энергия от самолет может быть возвращен за один «отскок» (как от плоского, так и сферического поверхность), или может совершать два или более «отскока» между различными частями цель перед возвращением к антенне радара. Сигналы, которые делают одиночные отражения (или любое нечетное число) обычно отклоняются антенна с круговой поляризацией.

С другой стороны, сигналы, которые «отскакивают» дважды (или даже количество раз) будут довольно легко приняты.Круговая поляризация, поэтому традиционно использовался как решение проблемы подавление эхо-сигналов от симметричных целей. Целевые показатели осадков обычно имеют сфероидальную (следовательно, симметричную) форму и имеют традиционно были отклонены с круговой поляризацией.

Способность подавлять эхо дождя зависит от степени кругообразность поляризации, которую можно создать с помощью практической антенны и от формы частиц преципитации.На практике, относительно легко добиться высокого (~ 20 дБ) интегрированного подавления коэффициент (ICR) на одной частоте, но это довольно сложно сделать диапазон частот. ICR — это «показатель качества» для циркулярной поляризованная антенна, учитывающая поляризацию всей луч радара, а не поляризация только на оси или пике луч. По сути, это средневзвешенное значение коэффициентов отмены. в каждой точке балки.Один фактор, который имеет тенденцию уменьшать или ограничивать эффективность круговой поляризации — это энергия, отраженная от земли, что фактически изменяет поляризацию.

Радиолокационное сечение воздушной цели, как правило, составляет меньше с круговой поляризацией, чем с линейной поляризацией. Следует отметить, что разница в отражении эха при круговой а линейная поляризация сильно зависит от аспекта (угла обзора) цели.Поскольку было показано, что поляризованные по кругу эхосигналы самолета где-то между 3 и 6 дБ меньше, чем при линейном поляризационные радары управления воздушным движением (УВД) используют конструкции антенн которые можно переключать между двумя методами поляризации. Если диспетчер УВД хочет видеть осадки на своем телескопе, он может переключить РЛС в режим линейной поляризации, несколько за счет уменьшения (хотя бы временно) его способность обнаруживать самолеты.

В ранней конструкции 88D в радиолокационной системе WSR-88D использовалась OMT и отдельные волноводы для режимов передачи и приема, что позволяет традиционная теория (как подробно описано в обсуждении на стр. 15 и 16) реверсивное обнаружение с круговой поляризацией.В Эти ’88Ds, зеркальные левополяризованные эхо-сигналы передавались легко в секцию приемника, а все остальные поляризации (включая правую волны) были сильно ослаблены. Намерение состояло в том, чтобы позволить поляризации WSR-88D устройство для простого ограничения эхо-сигналов от самолетов и других неметеорологических цели.

    Цель Рекомендации по разрешению диапазона
Ссылаясь на рисунок на стр. 13, вы Напомним, что мы изобразили действие радиолокационного передатчика по аналогии к пулемету, который стреляет «очередями» с интервалом времени определенного длительность между каждым всплеском.Тот же рисунок (вместе с нашим обсуждением) указывает, что один всплеск энергии радара займет дискретное расстояние в пространство, расстояние, которое будет зависеть от длины (длительности) импульса. Кроме того, таблица на странице 11 показывает, что если пульс 1 мкСм, всплеск волны займет расстояние 300 метров. (984 фута) в пространстве в направлении распространения. Если 4,5 мкСм импульса (как в режиме длинных импульсов WSR-88D), РЧ-пакет будет занимают 1350 метров, что эквивалентно 4 430 футам.

Обратите внимание, что (с импульсом 1 мкСм) любой цель, находящаяся на расстоянии менее 150 метров от антенны, не могла быть обнаружен радаром. Это связано с тем, что передняя кромка отраженной волны вернется в антенну ДО того, как задняя кромка испускается. Ширина импульса (H) определяет минимальный диапазон, при котором цели могут быть обнаружены. Этот минимальный диапазон составляет приблизительно ½ длины всплеска волны. В случае с 4.5 мкСм импульс, минимальная дальность будет 675 метров (2215 футов). Это также составляет примерно 0,36 морской мили. С участием импульс 1,57 мкСм (как в режиме коротких импульсов WSR-88D) минимум дальность будет около 235 метров. На практике минимальный дальность действия радара несколько больше, чем указанные выше значения, потому что небольшой задержки, возникающей при включении приемника после переданный импульс очистил антенну.

В радарах старых моделей эта задержка связана с временем восстановления трубки T / R (дуплексер).В WSR-88D компьютер управляет как срабатывание передатчика (каждый импульс), так и защита приемника во время пакетов передатчика. Почувствовав, что в волноводе уменьшилась энергия большой мощности, компьютер позволяет приемник, который нужно активировать.

В том же направлении рассмотрим, что две (2) цели очень близки друг к другу и примерно по одному азимуту от радар.Предположим далее, что эти цели намного превышают минимальные дальность действия радара, как описано на странице 17. Используемая ширина импульса составляет 1 мкс. См. Рисунок ниже …



Если расстояние между двумя целями меньше ½ длительности импульса (в нашем случае менее 150 метров) отраженные волны от обеих целей будут объединены в одну (1) составную волну.Только относительно крупная цель будет видна на индикаторе радара. Если, на с другой стороны, расстояние между двумя целями превышает ½ ширины импульса, полученная энергия вернется двумя (2) пакетами, и две отдельные цели будут обнаружены на индикаторе радара. Должно быть очевидно, что ширина импульса оказывает решающее влияние на целевое разрешение в области дальности. Отсюда следует, что по логике чем короче ширина импульса, тем выше разрешение цели.

Однако более длинные импульсы имеют определенное заметное преимущество, особенно в метеорологических приложениях. Длительный импульс 4,5 мкс ширина будет содержать примерно в 4½ раза больше энергии, чем 1 мкСм пульс. Это увеличение энергии (мощности) позволяет обнаруживать цели. на больших дальностях и приведет к обнаружению более слабых целей на короткое расстояние, чем импульс 1 мкс. Кроме того, более длинный пульс компенсирует некоторое затухание коротких пульсовых волн, что предотвращает полное освоение целей со значительной глубиной дальности.Эти эффекты легко наблюдаются на современных радиолокационных системах NWS, которые имеют двойной импульсный возможность ширины (WSR-57 и WSR-74S). Хотя целевое определение несколько страдает в режиме длинных импульсов, преимущества часто перевешивают недостатки.

    Разрешение целевой ширины луча (азимута) Соображения
Рассмотрим радар, который передает импульсные волны от «изотропного» излучатель (теоретическая антенна, излучающая волны одновременно во всех направлениях).Приемная радиолокационная система будет обнаруживать и усиливать эхо-сигналы от целей. во всех направлениях, но не сможет правильно отобразить цели на прицеле радара или различать различные отражения. Способствовать, при изотропном излучении электромагнитная энергия быстро исчезнет. рассеивается во всех направлениях, и максимальная дальность, на которой цели могут быть обнаруженным будет резко сокращено.

В начале этого обсуждения было заявлено, что электромагнитные волны (как световые волны) могут быть преобразованы в «лучи».Обычный фонарик был использован в качестве примера излучаемой энергии. Другие примеры могут быть автомобильные фары, прожекторы и т. д. За счет использования подходящих антенных отражателей (параболоидов), мы обнаружили, что это возможно чтобы сконцентрировать большую часть энергии передатчика в одном луче. Далее, вращая отражатель по горизонтали (азимуту), как и в вертикальных (вертикальных) плоскостях, можно управлять направлением балки. Направление любой оси луча (горизонтальное или вертикально) может отображаться на соответствующем радиолокационном прицеле в любом заданном мгновенно, что позволяет отображать цели, освещенные лучом, на ОБЕИ правильное время (диапазон) и азимут (направление).Снова, однако вопрос о дифференциации (разрешении) цели (целей) необходимо адресовать. Напомним, что когда излучаемая энергия уходит от антенна ширина луча расширяется. Если антенна радара вращается по азимуту (по горизонтали), одиночная цель будет казаться растянутый (вытянутый) по ширине. Это связано с тем, что энергия отражается, как только передний край луча попадает в цель, и энергия продолжает отражаться до тех пор, пока задний край луча прошел цель.Подтверждение любой цели будет функция ширины луча.

В качестве примера см. Таблицу диаметров балки WSR-57 на стр. 8. При ширине луча 2 ФИЗИЧЕСКАЯ ШИРИНА луча составляет 21 227 футов на расстоянии 100 морских миль. Эта ширина составляет почти четыре (4) миль. Отраженная энергия, которая вернется от «точечной» цели (самолет и т. д.) приведет к отображению цели быть почти четыре (4) мили в ширину.
Если бы целью был ливневый дождь, он также был бы растянут по ширине луча. Поскольку ливневый дождь не является точечной целью, ошибка в видимой ширине было бы не так драматично. Однако ширина луча эффект добавит четыре (4) мили к фактической ширине душа.

Такое же растяжение происходит по вертикальной оси (высоте). Напомним, что балка симметрична в трех измерениях. Когда WSR-57 операторы радара сканируют вертикально сквозь грозу, чтобы определить высоты «верхушек» осадков, в них необходимо добавить поправку для компенсации для разницы между фактической высотой и кажущейся высотой, которая вызвано шириной луча.(Обратите внимание, что поправка применена должен быть настроен на дальность сканирования цели.)

Теперь рассмотрим ту же антенну, направленную на два (2) самолета. которые расположены близко друг к другу (в пределах одного луча). Это легко видно, что энергия, которая отражается от каждой цели, сливается в составная волна, которая будет отображаться на экране радара как одна (1) цель. Чтобы радар обнаружил наличие двух (2) целей, самолеты должны быть разделены расстоянием, превышающим ширину луча на заданном расстоянии.Еще раз, этот пример предполагает «точечная» цель. Однако следует понимать, что тот же эффект имеет место с любыми целями, которые находятся в пределах ширины луча друг друга и на одном расстоянии от радара. Очевидный вывод в этом отношении заключается в том, что узкая ширина луча будет способствовать увеличению разрешающая способность обнаружения данной РЛС. Антенна РЛС WSR-88D имеет ширину луча 0,95 градуса и, следовательно, обеспечивает значительную улучшение по сравнению со старыми системами с более широкими балками.Напомним, что ширина луча удваивается в зависимости от дальности. В WSR-88 эффект растяжения будет вдвое меньше, чем у WSR-57.

Еще одним преимуществом антенны с узким лучом является ее увеличенная прирост. Если ширина луча относительно узкая, может потребоваться больше энергии. быть сконцентрированным в одном направлении распространения. Это означает более сильную энергетическая волна будет направлена ​​на любую цель, и результат будет что больше энергии будет отражено целью обратно в сторону радара. «Коэффициент усиления» антенны радара является мерой ее концентрированной энергии (в луч) относительно энергии, которая могла бы упасть на цель, если бы такая же передаваемая энергия излучалась изотропной антенной.

В случае антенны WSR-57 (@ 2 o ширина луча), коэффициент усиления составляет примерно 6460: 1. Это означает, что любая заданная цель попадающий в луч радара получит в 6460 раз больше мощность, чем была бы получена, если бы радар использовал изотропный (всенаправленный) радиатор.Этот коэффициент усиления является отношением и может быть выражен в децибелах. как усиление 38,1 дБ. РЛС WSR-88D (ширина луча 0,95 o ) концентрирует еще больше мощности передатчика в

луч, чем WSR-57. Коэффициент усиления антенны 88D составляет около 45,5 дБ. Это соотношение 35 480: 1, более чем в пять раз. эффективность WSR-57.

Значение усиления антенны необходимо учитывать для ОБЕИХ переданных волна и полученная энергия.Другими словами, относительно изотропного антенна, антенна WSR-88D имеет эффект усиления передатчика мощность на 45 дБ, а также усиление отраженной энергии, падающей на антенна на 45 дБ. Как правило, узкие лучи обеспечивают большую дальность действия. Однако, если радар сканирует пространство очень узким лучом, — это повышенный шанс того, что некоторые цели могут быть пропущены. Эта ситуация зависит от цели, дальности, PRF радара и скорость вращения антенны.В WSR-88D движение антенны полностью контролируется упомянутыми схемами охвата объема (VCP) на стр. 26. Эти выкройки (которые находятся под компьютерным control) убедитесь, что антенна сканирует указанный азимут и угол места последовательности так, чтобы атмосфера в пределах диапазона действия радара наблюдалась и отобраны таким образом, чтобы свести к минимуму возможность «пропуска» значимых цель возвращается.

Совершенно очевидно, что параболический отражатель в любом радаре играет важную роль в способности радара обнаруживать намеченный цели.

Хотя ранее отмечалось, что электромагнитная волна распространение приближается к тем же физическим правилам, что и световые волны, есть некоторые вариации. Это изменение связано с Дело в том, что радиолокационные волны имеют гораздо большую длину волны, чем световые. Все электромагнитные волны распространяются за счет взаимодействия электрических и магнитные силовые поля, которые связаны друг с другом и с их направление движения.Распространение волн в вакууме происходит по прямой линия.

Однако в атмосфере колебания влажности и температуры с высотой приводят к изменению скорости распространения волн. При изменении скорости волны волна «изгибается», и направление волны изменяется соответственно. Эти изменения направления связаны с «показатель преломления», который является мерой скорости света в вакуум, деленный на скорость распространения волны в атмосфере. Подразумевается, что показатель преломления связан с параметрами атмосферы. Однако сама функциональная связь зависит от длины волны. распространяемой энергии.

Обычно на микроволновых частотах «преломляющая способность» выражается как …

N = (n-1) * E + 6

… и следующее уравнение является допустимым приближением в Атмосфера…



Поскольку p и p быстро уменьшаются с высотой, а T уменьшается медленно, N будет уменьшаться с высотой. В результате скорость распространения волны увеличивается с высотой, и волна искривляется немного назад к земле. Кривизну траектории (C) можно рассчитать используя уравнение C = — скорость изменения n по высоте. В результате в «нормальной» атмосфере радар «прямой видимости» (траектория луча) представляет собой дугу с радиусом приблизительно 1.В 34 раза больше радиус земли. См. Рисунок ниже …




При значительных отклонениях от «стандартной» атмосферы (экстремальные инверсии температуры и влажности) луч радара может погнуться более резко к земле или может перемещаться внутри слоя (канала) из-за отражение на верхней и нижней границах. Когда это происходит, заземлите цели могут наблюдаться на дисплее радара дольше, чем обычно (иногда фантастические) диапазоны.Это явление известно как «аномальное распространение», и может представить оператору радара очень сложную интерпретацию объема ситуация.

Как описано ранее в наших обсуждениях радара, радар Луч — это путь, по которому распространяется выброс электромагнитной энергии. Изображение одиночного импульса показано ниже …



Импульс имеет определенную физическую длину в пространстве и содержится в точках луча -3 дБ (как по горизонтали, так и по вертикали). поперечные сечения).Форма импульсного объема — усеченная конус. Объем импульса будет увеличиваться в размере с увеличением дальности из-за расширения ширина луча. В результате растекания удельная мощность в любой части объем уменьшается по мере увеличения дальности от радара. Энергия (WSR-88D) присутствует в течение 1,57 мксекунд. импульс или импульс 4,5 мксек. Следовательно, при 1,57 мксекунды При настройке пульс занимает 471 метр (1545 футов) диапазона вдоль луч.Пульс составляет 0,3 мили.

Объем отраженного эха — это объем атмосферы, о котором говорят. чтобы радар мгновенно регистрировал их. Как этот объем относятся к (и отличаются от) описанным выше импульсным объемом? Теоретически громкость отраженного сигнала является наименьшим разрешаемым элементом атмосфера в пределах досягаемости радара. Это означает, что это один (1) ширина луча в диаметре и ½ длины импульса в диапазоне (вспомните разрешение обсуждение на страницах с 17 по 19).В тогда у ’88D объем эха «короткого импульса» будет 235,5 метра в длину. и одну ширину луча. В режиме «длинный импульс» громкость эха составляет 675 метров в длину.

В РЛС WSR-57 и WSR-74 полученная энергия «дискретизируется» цифровым видеопроцессором (DVIP) с частотой один раз за каждые 1,67 мксекунды.

Этот интервал выборки начинается в момент электромагнитного импульс покидает антенну радара и продолжается через всю дальность действия радара.Выбор времени для образцов означает, что практический «отражающийся объем» — это элемент атмосферы, который представляет собой километр дальности и, конечно же, один (1) луч в диаметре. В обоих этих старых радарах используются четыре (4) ¼ километра выборки. сначала суммируется, а затем усредняется до значения, представляющего полный километр дальности действия РЛС. Результирующее разрешение дисплея тогда составляет один (1) километр по дальности и один (1) луч по азимуту.

Чтобы быть полезной, радиолокационная информация должна быть доступна для анализа.В большинстве радиолокационных систем принимаемые цели усиливаются, преобразованы в видеочастотные сигналы, а затем представлены оператору на различных типах дисплеев с электронно-лучевой трубкой. Основной дисплей типы показаны ниже.





Эти дисплеи синхронизируются одними и теми же базовыми сигналами синхронизации. которые управляют срабатыванием радиолокационного передатчика. В то же мгновение Электромагнитная волна покидает передатчик, цепи в радаре блок индикации находится под напряжением.

Индикация развертки «А» имеет ту же форму, что и у знакомого осциллографа. отображать. Расстояние между радаром и целью отображается на горизонтальная ось (X), а интенсивность цели отображается на вертикальная (Y) ось. Расположение радара обычно находится слева стороны дисплея, а максимальный диапазон представлен справа край.

Сканирование «P», обычно называемое «PPI» (положение в плане индикатор), вероятно, самый известный и универсальный из всех на экране радара.Расположение радара находится в центре тубус дисплея, а максимальный диапазон представлен краем круглого путь, все точки которого одинаково удалены от центра экрана. «Развертка» PPI вращается вокруг центра (начала координат) ЭЛТ в совпадении. с физическим положением передающей антенны. Дисплей PPI показывает радиолокационные цели в обоих диапазонах (расстояние от центра трубы) и направление (угловое положение от центра трубки).В дисплей использует позиционирование в «полярных координатах» (от 0 до до 360 o азимута) относительно местоположения радара. Сканирование «E», также называемое «RHI» (индикатор высоты диапазона), отображает радиолокационные цели как в диапазоне от радара, так и на высоте над землей. Как и PPI, развертка RHI вращается вертикально в соответствии с перемещение угла антенны РЛС. В этом случае угол стреловидности представляет угол антенны по горизонтали (0 o ) и вертикальное (90 o ) положения.

В системе WSR-88D не используется ни один из этих традиционных радаров. отображает. Вместо этого используется развертка «B» (дисплей телевизионного типа). Мониторы сканирования «B» похожи на осциллографы PPI, но гораздо более гибкие. в их способности отображать различные степени форматов данных.

Показан пример отображения типа «телевизор» (B-развертка). ниже …





Радиолокационная система WSR-88D использует специальные «стратегии» сканирования в чтобы собрать информацию об отражательной способности и доплеровском режиме.Эти Стратегии сканирования называются «шаблонами охвата тома» (VCP). Два из этих VCP в настоящее время предназначены для режима работы, называемого «Режим чистого воздуха» и два других ПДС используются в «Режиме осаждения». VCP режима «Precip» (также «A») называются VCP # 11 и VCP # 21. Они облегчают выборку четырнадцати (14) и девяти (9) уникальных высот. углы соответственно. VCP 11 имеет 16 «разрезов» (только 14 углов, так как два самых низких угла повторяются) через пять минут, и VCP 21 выполняет 11 «сокращений» за шесть минут.VCP 11 показан в табличной форме ниже. Обратите внимание на ШЕСТНАДЦАТЬ поворотов антенны («разрезов»). Также обратите внимание, что Скорость PRF и скорость нарастания антенны изменяются на разных высотах.



Режим «A» (Precip VCP 11) Короткий импульс (1,57 с) Delta C PRI


ВЫСОТА СКАНИРОВАТЬ 360 WF PRF ИМПУЛЬСЫ
«ВЫРЕЗАТЬ» ПОКАЗАТЕЛЬ ВРЕМЯ ТИП # по или
___________ ______ ______ ______ ____ ________
Ø.5 Ø 3.11 19,28 CS 321 17
Ø.5 Ø 3.20 18,73 CD — # — — * —
1,45 3,31 17,27 CS 321 16
1,45 3.20 18,73 CD — # — — * —
2,4 Ø 2,69 22,34 B 321 6
3,35 2,98 20.12 B 446 6
4,3 Ø 2,98 20.11 B 446 6
5,25 2,91 20,62 B 643 10
6,2 Ø 2,91 20,61 B 643 10
7,5 Ø 4,19 14.30 CD — # — — * —
8.7Ø 4,23 14,17 CD — # — — * —
1 Ø. Ø Ø 4,24 14,16 CD — # — — * —
12. ØØ 4,24 14,14 CD — # — — * —
14. ØØ 4.45 13,58 CD — # — — * —
16,7 Ø 4,27 13,55 CD — # — — * —
19,5 Ø 4,28 13,49 CD — # — — * —

EL угол Антенна Slew Surv. PRF Бобовые
за каждую Скорость Время Допп. Показатель за
Вращение (Об / мин) (Сек) Партия (ппс) Град. AZ

Приложение … «PRIs»

Широтно-импульсная модуляция — узнать.sparkfun.com

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Широтно-импульсная модуляция (PWM) — это причудливый термин для описания типа цифрового сигнала. Широтно-импульсная модуляция используется во множестве приложений, включая сложные схемы управления. Обычно мы используем их в SparkFun для управления затемнением светодиодов RGB или для управления направлением сервопривода. Мы можем достичь ряда результатов в обоих приложениях, потому что широтно-импульсная модуляция позволяет нам изменять, сколько времени сигнал находится на высоком уровне аналоговым способом.Хотя сигнал может быть только высоким (обычно 5 В) или низким (земля) в любое время, мы можем изменить пропорцию времени, в течение которого сигнал является высоким, по сравнению с тем, когда он низкий в течение согласованного временного интервала.

Роботизированная клешня, управляемая серводвигателем с использованием широтно-импульсной модуляции

Рекомендуемая литература

Некоторые справочные руководства, которые вы можете рассмотреть в первую очередь:

Рабочий цикл

Когда сигнал высокий, мы называем это «вовремя».Для описания количества «вовремя» мы используем понятие рабочего цикла. Рабочий цикл измеряется в процентах. Процент рабочего цикла конкретно описывает процент времени, в течение которого цифровой сигнал остается включенным в интервале или периоде времени. Этот период обратно пропорционален частоте сигнала.

Если цифровой сигнал проводит половину времени включенным, а другую половину — выключенным, мы бы сказали, что цифровой сигнал имеет рабочий цикл 50% и напоминает идеальную прямоугольную волну. Если процентное значение выше 50%, цифровой сигнал проводит больше времени в высоком состоянии, чем в низком, и наоборот, если рабочий цикл меньше 50%.Вот график, иллюстрирующий эти три сценария:

Примеры рабочего цикла 50%, 75% и 25%

100% рабочий цикл будет таким же, как установка напряжения на 5 В (высокое). Рабочий цикл 0% будет таким же, как заземление сигнала.

Примеры

Яркость светодиода можно регулировать, регулируя рабочий цикл.

ШИМ используется для управления яркостью светодиода

С помощью светодиода RGB (красный, зеленый, синий) вы можете контролировать, какое количество каждого из трех цветов вы хотите в смешении цветов, уменьшая их яркость с различной степенью.

Основы смешивания цветов

Если все три горят в равной степени, в результате будет белый свет различной яркости. Синий, равно смешанный с зеленым, станет бирюзовым. В качестве немного более сложного примера попробуйте полностью включить красный, зеленый — 50% рабочего цикла и синий — полностью выключить, чтобы получить оранжевый цвет.

PWM можно использовать для смешивания цветов RGB

Частота прямоугольной волны должна быть достаточно высокой при управлении светодиодами, чтобы получить надлежащий эффект затемнения.Волна 20% рабочего цикла при 1 Гц будет очевидна, что она включается и выключается для ваших глаз, в то время как 20% рабочий цикл при 100 Гц или выше будет выглядеть более тусклым, чем полностью включенным. По сути, период не может быть слишком большим, если вы стремитесь к эффекту затемнения с помощью светодиодов.

Вы также можете использовать широтно-импульсную модуляцию для управления углом серводвигателя, прикрепленного к чему-то механическому, например, манипуле робота. Сервоприводы имеют вал, который поворачивается в определенное положение в зависимости от его линии управления. Наши серводвигатели имеют диапазон около 180 градусов.

Частота / период зависят от управления конкретным сервоприводом. Ожидается, что типичный серводвигатель будет обновляться каждые 20 мс с импульсом от 1 до 2 мс, или, другими словами, от 5 до 10% рабочего цикла на форме волны 50 Гц. С импульсом 1,5 мс серводвигатель будет в естественном положении на 90 градусов. С импульсом 1 мс сервопривод будет в положении 0 градусов, а с импульсом 2 мс сервопривод будет в положении 180 градусов. Вы можете получить полный диапазон движения, обновив сервопривод промежуточным значением.

ШИМ используется для удержания серводвигателя под углом 90 градусов относительно его кронштейна

ресурсов и дальнейшее развитие

Широтно-импульсная модуляция используется в различных приложениях, особенно для управления. Вы уже знаете, что его можно использовать для затемнения светодиодов и управления углом наклона серводвигателей, и теперь вы можете начать исследовать другие возможные применения. Если вы чувствуете себя потерянным, не стесняйтесь проверить SparkFun Inventor’s Kit, в котором есть примеры использования широтно-импульсной модуляции.Если вы готовы сразу перейти к кодированию и иметь Arduino, посмотрите здесь пример кодирования PWM.

Не стесняйтесь исследовать:

RP Photonics Encyclopedia — длительность импульса, ширина импульса, длина, измерение, автокоррелятор, полосовая камера, пикосекунда, фемтосекунда

Энциклопедия> буква P> длительность импульса

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics.Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на наш

Вас еще нет в списке? Получите свою запись!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием продукта.

Обратитесь в RP Photonics за советом о том, какой лазерный источник лучше всего подходит для генерации импульсов с заданными параметрами или о том, как характеризовать оптические импульсы.

Определение: длительность оптического импульса

Немецкий: Pulsdauer, Pulslänge

Категории: обнаружение и определение характеристик света, оптическая метрология, световые импульсы

Обозначение формулы: τ p

Единицы: s

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/pulse_duration.html

Длительность световых импульсов (также называемая шириной импульса или длительностью импульса ) может варьироваться в огромном диапазоне:

  • Путем модуляции источника непрерывного света, например, с помощью электрооптического модулятора, можно генерировать импульсы длительностью от нескольких десятков пикосекунд до произвольно высоких значений.
  • Переключение усиления например лазерных диодов приводит к импульсам длительностью до нескольких наносекунд или даже до нескольких сотен пикосекунд.
  • Длительность импульса лазеров с модуляцией добротности обычно варьируется от 100 пс до сотен наносекунд.
  • Лазеры с синхронизацией мод могут генерировать импульсы длительностью от ≈ 5 фс до сотен пикосекунд.
  • Генерация высоких гармоник позволяет формировать одиночные аттосекундные импульсы или последовательности аттосекундных импульсов с длительностью импульсов в несколько сотен аттосекунд или даже менее 100 ас.

Вот обзор распространенных префиксов:

  • 1 мс (миллисекунда) = 10 −3 с
  • 1 мкс (микросекунда) = 10 −6 с
  • 1 нс (наносекунда) = 10 −9 с
  • 1 пс (пикосекунда) = 10 −12 с
  • 1 фс (фемтосекунда) = 10 −15 с
  • 1 как (аттосекунда) = 10 −18 с

Определение длительности импульса

На самом деле существуют разные определения длительности импульса:

  • Наиболее часто используемое определение основано на полной ширине на полувысоте (FWHM) оптической мощности в зависимости от времени.Это не чувствительно к некоторым слабым пьедесталам, как это часто наблюдается с оптическими импульсами.
  • Для расчетов, касающихся солитонных импульсов, обычно используется параметр длительности τ, который приблизительно равен длительности на полувысоте, деленной на 1,76, потому что временной профиль тогда может быть описан как постоянное время sech 2 ( t / τ).
  • Для сложных профилей импульсов более подходящим является определение, основанное на втором моменте временного профиля интенсивности.
  • В частности, в контексте повреждения, вызванного лазером, иногда используется эффективная длительность импульса , которая определяется как энергия импульса, деленная на пиковую мощность.

Произведение времени и полосы пропускания

Произведение длительности импульса и ширины спектральной полосы называется произведением времени и ширины полосы . Обычно рассчитывается с использованием значений FWHM длительности и полосы пропускания (см. Выше). Оно не может быть намного меньше ≈ 0,3, в зависимости от формы импульса и точного определения длительности импульса и его ширины. Это означает, например, что импульс длительностью 10 фс должен иметь полосу пропускания не менее 30 ТГц, а аттосекундные импульсы должны иметь такую ​​широкую полосу пропускания, что их центральная частота должна быть намного выше, чем у любого видимого света.

См. Также статью о пределе преобразования.

Измерение длительности импульса

Длительность импульса примерно до 10 пс может быть измерена с помощью самых быстрых доступных фотодиодов в сочетании с быстродействующими осциллографами. Для измерения более коротких длительностей импульсов можно использовать стрик-камеры. Другой подход — оптическая выборка (или взаимная корреляция) с использованием другого источника, генерирующего еще более короткие импульсы. Однако в большинстве случаев используются оптические автокорреляторы.Обратите внимание, что существуют также такие методы, как FROG или SPIDER (→ спектральная фазовая интерферометрия ), которые можно использовать для получения гораздо большей информации об импульсах, чем, например, просто длительность импульса и энергия; см. статью о характеристике импульса.

Пространственная ширина импульса

Пространственная ширина импульса в направлении распространения определяется умножением групповой скорости на временную ширину импульса. Несмотря на высокую скорость света, ультракороткие импульсы также могут быть очень короткими в пространственной области.В то время как, например, импульс длительностью 1 нс по-прежнему имеет длину ≈ 30 см в воздухе, самые короткие импульсы, которые могут быть сгенерированы непосредственно с помощью лазера — длительностью примерно 5 фс — имеют пространственную длину всего 1,5 мкм в воздухе или в вакууме. Это соответствует только нескольким длинам волн или нескольким временным оптическим циклам ( импульсов с несколькими периодами, ). В качестве поперечных размеров, характеризующих, например, с радиусом луча, как правило, намного больше этого, импульсы с несколькими периодами можно представить себе как световые пули в форме блинов.Этот аспект важен; это объясняет, например, почему кажущаяся длительность импульса, измеренная с помощью автокоррелятора интенсивности, может быть увеличена, если в этом измерительном устройстве импульсы пересекаются друг с другом под некоторым значительным углом.

Эффекты, влияющие на длительность импульса

В то время как импульсы длительностью наносекунды и более практически не изменяют длительность импульса во время распространения даже на большие расстояния, ультракороткие импульсы чувствительны к различным воздействиям:

  • Хроматическая дисперсия может привести к значительному уширению импульса, которое, однако, можно обратить вспять, применив впоследствии противоположный вид дисперсии (→ компенсация дисперсии ).
  • Нелинейность обычно не влияет напрямую на длительность импульса, но может, например, расширяют оптический спектр, что делает импульсы более чувствительными к хроматической дисперсии при последующем распространении.
  • Оптический фильтр любого типа, включая усиливающую среду с ограниченной полосой усиления, может влиять на ширину спектра или форму ультракороткого импульса. Когда спектральная ширина уменьшается, это может привести к расширению во времени, даже если есть случаи, когда сильно чирпированные импульсы становятся короче, когда их спектр сужается.

В установившемся режиме работы лазера с синхронизацией мод циркулирующие импульсы испытывают различные эффекты, которые влияют на длительность импульса, но эти эффекты уравновешены, так что длительность импульса восстанавливается после каждого обхода. В некоторых фемтосекундных лазерах длительность импульса претерпевает существенные изменения при каждом обходе резонатора.

Пространственно-временные эффекты

Определение и измерение длительности импульса значительно усложняются в случаях, когда пространственные и временные свойства импульса связаны друг с другом.Примером является явление наклона фронта импульса, когда локально измеренная длительность импульса может быть меньше длительности, основанной на всем профиле луча.

Поставщики

Руководство покупателя RP Photonics содержит информацию о 21 поставщиках устройств для измерения длительности импульсов. Среди них:

Swamp Optics

Длительность импульса и многие другие свойства ультракоротких импульсов можно удобно измерить с помощью наших приборов FROG и GRENOUILLE. Доступно несколько готовых лягушек и GRENOUILLE для импульсов от 10 фемтосекунд до нескольких пикосекунд.С возможностью настройки эти устройства покрывают диапазон от 4 фс до 4 нс и от УФ до ИК. Мы также предлагаем OEM-решения по разумным ценам и в короткие сроки.

Fastlite

Продукты Wizzler обеспечивают высококонтрастные и однократные измерения спектральной фазы и интенсивности почти сжатых сверхбыстрых лазерных импульсов. Они чрезвычайно просты в установке и эксплуатации и стали эталонным инструментом для сообщества пользователей физики высокоинтенсивных лазеров. Основанный на запатентованной методике саморегулирующейся спектральной интерферометрии (SRSI), Wizzler также легко комбинируется с нашим формирователем импульсов Dazzler для автоматической оптимизации сжатия импульсов сверхбыстрых усилителей.

Sphere Ultrafast Photonics

D-shot — это компактная система для комплексного определения характеристик сверхбыстрых лазерных импульсов, включая измерение длительности импульсов. Он поддерживает оптические спектры, соответствующие длительности импульса около 10–70 фс, и работает с частотой следования импульсов от субгерц до сотен кГц или даже МГц. Связывание лазерного луча с d-снимком легко достигается менее чем за пять минут, а полное измерение (включая извлечение) обычно занимает менее 10 секунд.

Интуитивно понятная трассировка d-shot обеспечивает мгновенную визуальную обратную связь для оптимизации вашего источника. Эта система d-shot представляет собой практичный инструмент для настройки и оптимизации вашего компрессора или формирователя импульсов в реальном времени.

D-цикл — это версия для самых требовательных сверхбыстрых импульсов, вплоть до сверхширокополосных спектров и одноцикловых (от 3 фс до 12 фс) длительностей импульсов.

APE

Автокорреляторы APE используются для измерения длительности импульса фемтосекундных и пикосекундных лазерных систем.Технология основана на принципе обнаружения генерации второй гармоники (ГВГ) или двухфотонного поглощения (ДФП).

APE Autocorrelator Модели:

  • pulseCheck: универсальный для любых задач
  • Mini TPA: компактный и не требует настройки
  • Mini PD: стандартные задачи с фиксированным диапазоном длин волн
  • Carpe: первый выбор для многофотонной микроскопии

Thorl

Настольный интерферометрический автокоррелятор FSAC производства Thorlabs разработан для измерения сверхбыстрых импульсов длительностью от 10 до 1000 фс в диапазоне 650–1100 нм.Этот автокоррелятор для использования с фемтосекундными лазерами дополняет наше сверхбыстрое семейство лазеров, усилителей и специализированную оптику, включая чирпированные зеркала, зеркала / светоделители с малой GDD и оптоволокно с компенсацией дисперсии.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев.По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: световые импульсы, ультракороткие импульсы, характеристика импульсов, наклон фронта импульса, генерация импульсов, фотодиоды, автокорреляторы, оптическое стробирование с частотным разрешением, полосовые камеры
и другие статьи в категориях: обнаружение и определение характеристик света, оптическая метрология, световые импульсы

Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.грамм. в соцсетях:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья о продолжительности импульса

в
Энциклопедия фотоники RP

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку выше):

   
alt = "article">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/pulse_duration.html 
, статья «Длительность импульса» в энциклопедии RP Photonics]

% PDF-1.4 % 93 0 объект > эндобдж xref 93 267 0000000016 00000 н. 0000006477 00000 н. 0000006558 00000 н. 0000006690 00000 н. 0000008549 00000 н. 0000008597 00000 н. 0000008645 00000 н. 0000008693 00000 п. 0000008742 00000 н. 0000008791 00000 н. 0000008840 00000 н. 0000008889 00000 н. 0000008938 00000 н. 0000008987 00000 п. 0000009036 00000 н. 0000009085 00000 н. 0000009134 00000 п. 0000009183 00000 п. 0000009232 00000 н. 0000009281 00000 п. 0000009330 00000 н. 0000009379 00000 п. 0000009428 00000 н. 0000009477 00000 н. 0000009526 00000 н. 0000009575 00000 н. 0000009624 00000 н. 0000009673 00000 п. 0000009722 00000 н. 0000009771 00000 п. 0000009820 00000 н. 0000009869 00000 н. 0000009918 00000 н. 0000009967 00000 н. 0000010016 00000 п. 0000010065 00000 п. 0000010114 00000 п. 0000010217 00000 п. 0000010266 00000 п. 0000010315 00000 п. 0000010364 00000 п. 0000010413 00000 п. 0000010462 00000 п. 0000010511 00000 п. 0000010560 00000 п. 0000010609 00000 п. 0000010658 00000 п. 0000010707 00000 п. 0000010756 00000 п. 0000010806 00000 п. 0000010856 00000 п. 0000010906 00000 п. 0000010956 00000 п. 0000011005 00000 п. 0000011054 00000 п. 0000011104 00000 п. 0000011154 00000 п. 0000011204 00000 п. 0000011254 00000 п. 0000011304 00000 п. 0000011353 00000 п. 0000011402 00000 п. 0000011451 00000 п. 0000011500 00000 н. 0000011549 00000 п. 0000011598 00000 п. 0000011647 00000 п. 0000011696 00000 п. 0000011745 00000 п. 0000011794 00000 п. 0000011843 00000 п. 0000011892 00000 п. 0000011941 00000 п. 0000011990 00000 н. 0000012039 00000 п. 0000012088 00000 п. 0000012137 00000 п. 0000012186 00000 п. 0000012235 00000 п. 0000012284 00000 п. 0000012333 00000 п. 0000012382 00000 п. 0000012431 00000 п. 0000012480 00000 п. 0000012530 00000 п. 0000012579 00000 п. 0000012628 00000 п. 0000012677 00000 п. 0000012726 00000 п. 0000012775 00000 п. 0000012824 00000 п. 0000012873 00000 п. 0000012922 00000 п. 0000012972 00000 п. 0000013022 00000 н. 0000013072 00000 п. 0000013122 00000 п. 0000013172 00000 п. 0000013221 00000 п. 0000013271 00000 п. 0000013321 00000 п. 0000013370 00000 п. 0000013420 00000 н. 0000013470 00000 п. 0000013520 00000 п. 0000013570 00000 п. 0000013620 00000 п. 0000013668 00000 п. 0000013718 00000 п. 0000013768 00000 п. 0000013818 00000 п. 0000013868 00000 п. 0000013918 00000 п. 0000013968 00000 п. 0000014018 00000 п. 0000014068 00000 п. 0000014117 00000 п. 0000014167 00000 п. 0000014215 00000 п. 0000014264 00000 п. 0000014314 00000 п. 0000014363 00000 п. 0000014413 00000 п. 0000014462 00000 п. 0000014512 00000 п. 0000014561 00000 п. 0000014610 00000 п. 0000014659 00000 п. 0000014708 00000 п. 0000016668 00000 п. 0000016801 00000 п. 0000017207 00000 п. 0000017311 00000 п. 0000051701 00000 п. 0000051963 00000 п. 0000052472 00000 п. 0000052640 00000 п. 0000052980 00000 п. 0000053329 00000 п. 0000053672 00000 п. 0000054000 00000 п. 0000054322 00000 п. 0000054629 00000 п. 0000054936 00000 п. 0000055240 00000 п. 0000055502 00000 п. 0000055797 00000 п. 0000055993 00000 п. 0000056258 00000 п. 0000056523 00000 п. 0000056797 00000 п. 0000057044 00000 п. 0000057309 00000 п. 0000057580 00000 п. 0000057872 00000 п. 0000058149 00000 п. 0000058400 00000 н. 0000058677 00000 п. 0000058954 00000 п. 0000059249 00000 п. 0000059512 00000 п. 0000059771 00000 п. 0000060015 00000 п. 0000060277 00000 п. 0000060548 00000 п. 0000060804 00000 п. 0000061079 00000 п. 0000061350 00000 п. 0000061594 00000 п. 0000061834 00000 п. 0000062036 00000 п. 0000062306 00000 п. 0000062586 00000 п. 0000062881 00000 п. 0000063186 00000 п. 0000063497 00000 п. 0000063787 00000 п. 0000064160 00000 п. 0000064493 00000 п. 0000064879 00000 п. 0000065308 00000 п. 0000065720 00000 п. 0000066106 00000 п. 0000066482 00000 п. 0000066858 00000 п. 0000067271 00000 п. 0000067683 00000 п. 0000068075 00000 п. 0000068541 00000 п. 0000068949 00000 п. 0000069232 00000 п. 0000069512 00000 п. 0000069807 00000 п. 0000070108 00000 п. 0000070415 00000 п. 0000070734 00000 п. 0000071011 00000 п. 0000071282 00000 п. 0000071580 00000 п. 0000071863 00000 п. 0000072134 00000 п. 0000072438 00000 п. 0000072751 00000 п. 0000073082 00000 п. 0000073431 00000 п. 0000073762 00000 п. 0000074102 00000 п. 0000074424 00000 п. 0000074749 00000 п. 0000075053 00000 п. 0000075387 00000 п. 0000075733 00000 п. 0000076079 00000 п. 0000076464 00000 н. 0000076855 00000 п. 0000077237 00000 п. 0000077610 00000 п. 0000077989 00000 п. 0000078365 00000 п. 0000078720 00000 п. 0000079066 00000 н. 0000079430 00000 п. 0000079800 00000 п. 0000080308 00000 п. 0000080789 00000 п. 0000081504 00000 п. 0000081970 00000 п. 0000082469 00000 п. 0000082767 00000 п. 0000083338 00000 п. 0000083822 00000 п.% & ̎P ރ f [߉ Ri — 50 y

Счетчик / Таймер

Счетчик / Таймер

Счетчик / Таймер

ME 459 Расширенные темы в области проектирования и производства

ЧАСТЬ I. СЧЕТЧИК / ТАЙМЕР ОСНОВЫ

ЧАСТЬ II. СЧЕТЧИК ВЕБ-РУКОВОДСТВО

ЧАСТЬ III. ТАЙМЕР ВЕБ-РУКОВОДСТВО

ЧАСТЬ IV. КОММЕРЧЕСКИЙ БРЕНДЫ


ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ СЧЕТЧИКА / ТАЙМЕРА

Функция счетчика / таймера заключается в измерении времени нарастания, время спада, частота, период, рабочий цикл, фазовый угол, событие подсчет, временной интервал и длительность импульса.Счетчик / Таймер выполняет вышеуказанные функции за счет использования канала A, канал B и входы Gate / Arm.

  • ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ НАРАСТЕНИЯ / ВРЕМЕНИ ПАДЕНИЯ:
    Счетчик / таймер может измерять время нарастания или время спада от входного сигнала. Входной сигнал должен быть подключен к каналу А. Измерения с временной корреляцией могут выполняться с использованием ручного ввода. Счетчик / таймер не начинать измерение до тех пор, пока не будет получен сигнал ТТЛ. уровень обнаружен.Если используется опция EXT-ARM, рука сигнал должен быть подключен к входу Gate / Arm. В Измерения времени нарастания и спада проводятся с помощью Счетчик / таймер только в режиме автоматического запуска. 10% и 90% точек входного сигнала будут использоваться для расчета время подъема или спада.
  • ЧАСТОТА, ПЕРИОД и ЧАСТОТА ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ (PRF) ИЗМЕРЕНИЯ:
    Счетчик / таймер может определять частоту, период и частоту повторения импульсов. измерения.Эти измерения в основном одинаковы кроме инженерных единиц (т. е. Гц, сек и PPS соответственно). Эти функции могут использовать автоматический режим триггера или программируемый уровень триггера указано. Измерения, которые запускаются автоматически требуется непрерывный входной сигнал.
  • ИЗМЕРЕНИЯ РАБОЧЕГО ЦИКЛА:
    Все измерения рабочего цикла запускаются автоматически и постоянным током. спаренный; следовательно, форма волны должна быть непрерывной и повторяющийся.Середина ведущей и замыкающей края сигнала будут использоваться в качестве триггеров для Счетчик / Таймер. Рабочий цикл измеряется как отношение ширины импульса, деленной на период формы волны, выражается в процентах.
 DutyCycle = (PulseWidth / Period) * 100% 
  • ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ФАЗЫ:
  • СОБЫТИЯ ИЗМЕРЕНИЯ:
    Счетчик / таймер может выполнять подсчет событий. измерения с использованием одно- или двухканального измерения техники.Если одноканальный метод измерения используется, входной сигнал должен быть подключен к каналу A Вход. Подсчет включен и отключен при прямом программное управление. Если двухканальный метод измерения используется, основной входной сигнал должен быть подключен к канал A, в то время как сигнал включения / выключения может быть подключены к входам канала B или GATE / ARM. В Преимущество двухканального подхода состоит в том, что ввод связь и точка срабатывания программируются для канала B.
  • ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ:
    Временной интервал — это время, прошедшее между возникновение одного условия и возникновение второе условие. Счетчик / таймер может отсчитывать время интервальные измерения между двумя точками на одном и том же форма волны (одноканальное измерение) или между двумя точки на двух отдельных осциллограммах (двухканальный измерение). Автоматический запуск можно использовать только на непрерывная форма волны.
  • ИЗМЕРЕНИЕ ШИРИНЫ ИМПУЛЬСА:
    Счетчик / таймер может измерять ширину импульса. при повторяющемся входном сигнале. Сделать ширину импульса измерения неповторяющихся импульсов, используйте время интервальная функция. Измерение ширины импульса всегда срабатывает автоматически. Программисту нужно только указать крутизна срабатывания (POS-SLOPE или NEG-SLOPE). Счетчик / Таймер автоматически найдет правильные триггерные точки (в середина) и измерьте время между указанными наклон и противоположный склон.

ЧАСТЬ II. СЧЕТЧИК WEB Учебник

ЧАСТЬ III. ТАЙМЕР ВЕБ-РУКОВОДСТВО

ЧАСТЬ VI. КОММЕРЧЕСКИЕ БРЕНДЫ

Поставщики счетчиков / таймеров веб-каталог

   
   

Стандартные измерения | Программное обеспечение для многоканальных измерений | Галстук

В окне курсора каждого графика и в метрах можно выбрать различные измерения.Эти измерения включают:

В этом разделе дается краткое описание стандартных измерений измерителя и курсоров.

Измерения рассчитаны для диапазона выборки . При использовании окна курсора с включенными вертикальными курсорами диапазон выборки равен выборкам в между левым и правым курсором. Когда вертикальные курсоры выключены, или в объекте-измерителе, диапазон сэмплов равен пост-сэмплам.

Некоторые измерения объясняются формулой.В этих формулах применяется следующее:

  • м соответствует индексу первой выборки в диапазоне выборки
  • n соответствует индексу последней выборки в диапазоне выборки
  • N — количество отсчетов в диапазоне отсчетов, равное n — m + 1
  • x i соответствует i th образца

Максимум

Измерение Максимум — это максимальное значение в диапазоне выборки.

Минимум

Измерение Минимум — это наименьшее значение в диапазоне выборки.

Максимум-Минимум

Измерение максимум-минимум , также известное как пик-пик — это максимальное значение в диапазоне выборки за вычетом самого низкого значения.

Среднеквадратичное значение (RMS)

Измерение RMS равно квадратному корню из среднего квадратов всех выборок в диапазоне выборки:

Среднее

Измерение Среднее — среднее значение для всех выборок в диапазоне выборки.

Разница

Измерение Дисперсия — это мера того, как значения распределяются вокруг среднего значения.

Стандартное отклонение

Измерение Стандартное отклонение (σ) равно квадратному корню из дисперсии. Стандартное отклонение равно среднеквадратичному значению для сигналов с нулевым средним значением (сигналы переменного тока).

Частота

Измерение Frequency определяет частоту сигнала, основанного на времени.Частота определяется путем поиска нарастающих наклонов в сигнале и измерения времени между ними.

Для правильного измерения в диапазоне пробы должны присутствовать как минимум два подъема.

Период

Измерение Period определяет период времени сигнала, основанного на времени. Время периода определяется путем поиска нарастающих наклонов в сигнале и измерения времени между ними.

Для правильного измерения в диапазоне пробы должны присутствовать как минимум два подъема.

Рабочий цикл

Измерение Рабочий цикл определяется как отношение времени, в течение которого сигнал на выше , чем половина амплитуды. и период. Выражается в процентах.

Инвертированный рабочий цикл

Измерение Инвертированный рабочий цикл определяется как отношение времени, в течение которого сигнал ниже , чем половина амплитуды и периода. Выражается в процентах.

Пик-фактор

Герб коэффициент равен пиковой амплитуде сигнала, деленной на среднеквадратичное значение.

Пик-фактор можно использовать, чтобы получить представление о качестве сигнала. Сигнал с большим количеством пиков будет иметь более высокий пик-фактор. В следующей таблице перечислены некоторые пик-факторы для некоторых идеальных стандартных сигналов.

Тип сигнала Пик-фактор
Синус √2 ≈ 1.414
Треугольник √3 ≈ 1,732
Блок 1
DC 1

Время нарастания

Восстание time — это время, за которое сигнал поднимается с 10% до 90% от его верхнего-нижнего значения. Используется первая крутизна нарастания в диапазоне выборки.

Время падения

Падение года time — это время, за которое сигнал упадет с 90% до 10% от его верхнего-нижнего значения.Используется первая крутизна спада в диапазоне выборки.

Скорость нарастания

Slew Скорость определяется как изменение напряжения в единицу времени и выражается в В / с. Используется первый край в диапазоне выборки.

дБм

дБм — коэффициент мощности в децибелах измеренной мощности относительно одного милливатта. Используется следующая формула, в которой регулируемый виртуальный эталонный резистор R ref используется для преобразования измеренного напряжения в мощность.Значение по умолчанию для R ref составляет 600 Ом.

Мощность

Power показывает количество электроэнергии, рассеиваемой в виртуальном эталонном резисторе измеряемым сигналом. Используется следующая формула, в которой регулируемый виртуальный эталонный резистор R ref используется для преобразования измеренного напряжения в мощность. Значение по умолчанию для R ref составляет 600 Ом.

Количество периодов

Счетчик периодов определяет количество периодов в сигнале.Он использует пересечения среднего уровня в сигнале для определения количества периодов.

Для правильного измерения в диапазоне выборки должно быть не менее трех переходов среднего уровня.

Счетчик импульсов (положительный)

Счетчик импульсов (положительный) определяет количество нарастающих импульсов в сигнале. Он использует пересечения средних уровней сигнала для определения количества импульсов.

Для правильного измерения в диапазоне выборки должно быть не менее двух переходов среднего уровня.

Счетчик импульсов (отрицательный)

Счетчик импульсов (отрицательный) определяет количество падающих импульсов в сигнале. Он использует пересечения средних уровней сигнала для определения количества импульсов.

Для правильного измерения в диапазоне выборки должно быть не менее двух переходов среднего уровня.

Ширина импульса (положительный)

Ширина импульса (положительный) определяет ширину нарастающих импульсов в сигнале. Он использует пересечения средних уровней сигнала для определения ширины импульсов.

Для правильного измерения в диапазоне выборки должно быть не менее двух переходов среднего уровня. Когда в диапазоне выборки происходит несколько импульсов, отображается средняя ширина всех обнаруженных импульсов.

Ширина импульса (отрицательная)

Ширина импульса (отрицательная) определяет ширину падающих импульсов в сигнале. Он использует пересечения средних уровней сигнала для определения ширины импульсов.

Для правильного измерения в диапазоне выборки должно быть не менее двух переходов среднего уровня.Когда в диапазоне выборки происходит несколько импульсов, отображается средняя ширина всех обнаруженных импульсов.

Количество нарастающих фронтов

Счетчик нарастающих фронтов определяет количество нарастающих фронтов в сигнале. Он использует пересечения среднего уровня в сигнале для определения количества фронтов.

Для правильного измерения в диапазоне выборки должно быть не менее двух переходов среднего уровня.

Количество падающих кромок

Счетчик спадающих фронтов определяет количество спадающих фронтов в сигнале.Он использует пересечения среднего уровня в сигнале для определения количества фронтов.

Для правильного измерения в диапазоне выборки должно быть не менее двух переходов среднего уровня.

Полный коэффициент гармонических искажений (THD)

Полный коэффициент гармонических искажений (THD) определяется как отношение мощности гармоники. частоты выше базовой частоты и мощность базовой частоты. Это соотношение отображается в дБ. Это мера искажения сигнала.

THD рассчитывается по следующей формуле:

где V 1 — среднеквадратичная амплитуда базовой частоты, а От V 2 до V n — среднеквадратичные амплитуды каждой высшей гармоники.

Измерение THD можно использовать только для частотных сигналов или спектров.

Левый

Измерение Слева можно использовать в окне курсора. Это значение сигнала в позиции левого курсора.

Правый

Измерение Right можно использовать в окне курсора. Это значение сигнала в позиции курсора справа.

Правый-Левый

В окне курсора можно использовать значение Right-Left . Это разница между величиной сигнала в положении правого и левого курсора.

Наклон

Склон сигнала — это изменение величины, деленное на прошедшее время.Наклон измерения определяет наклон сигнала между левым и правым курсором.

Верх

Измерение Верх можно использовать в окне курсора. Он представляет значение сигнала в позиции верхнего курсора.

низ

Измерение Bottom можно использовать в окне курсора. Он представляет значение сигнала в позиции нижнего курсора.

Верх-низ

Измерение Top-Bottom можно использовать в окне курсора.Он представляет собой разницу между величинами сигнала в положениях верхнего и нижнего курсора.

ширина импульса, интенсивность стимула, расположение электродов и полярность при оценке нервно-мышечного блока | Анестезиология

Взаимодействие между силой тока, шириной импульса, расположением электродов и полярностью электродов определяли для вызванных реакций, измеренных с помощью трансляции силы (FTR), акселерографии (ACG) и электромиографии (EMG).Для FTR и ACG нейростимуляция проводилась анестезированным пациентам, чтобы избежать влияния непреднамеренного движения мышц на амплитуду вызванного сокращения. В качестве альтернативы, для мониторинга ЭМГ, нейростимуляция проводилась бодрствующим добровольцам, чтобы обеспечить одновременное измерение вызванной стимулом боли и амплитуды ЭМГ.

Трансляция

Force была использована у пяти анестезированных пациентов. Большой палец, ипсилатеральный по отношению к стимулирующим электродам, помещали в кольцо монитора датчика силы (APM-L, Professional Instruments, Хьюстон, Техас) с предварительной нагрузкой 300 г.Нейростимуляция осуществлялась через стимулирующий канал многоканального монитора ЭМГ Quantum 84 (Cadwell Laboratories, Inc., Кенневик, Вашингтон). Амплитуда вызванной сократительной реакции (измеренная в миллиметрах) отображалась и регистрировалась на подключенном мониторе (Datascope 2000 A / RS, Datascope Corp, Парамус, Нью-Джерси), в котором сила приведения большого пальца (мм рт. записывающее перо (1 мм рт. ст. = отклонение 1 мм). Каждая из четырех различных значений силы тока (20, 40, 60 и 70 мА) была спарена с каждой из четырех различных длительностей импульса (0.05, 0,1, 0,2 и 0,4 мс) для доставки 16 различных стимулов с диапазоном заряда от 1 до 28 мкКл. Каждый заряд подавался в каждой из четырех возможных ориентаций размещения / полярности, в результате получалось в общей сложности 64 различных шаблона стимулов. . Они были доставлены в случайном порядке, и амплитуды вызванных ответов были записаны.

Акселерография была выполнена второй группе из пяти пациентов под наркозом. Кисть, ипсилатеральная по отношению к стимулирующим электродам, была иммобилизована на подлокотнике, а большой палец оставлен в свободном движении.Акселерографическая пьезоэлектрическая пластина (Biometer INMB Monitor, Biometer, Odense, Дания) была прикреплена к большому пальцу, продольная ось которого проходила вдоль плоскости отведения большого пальца. Амплитуда вызванного ответа отображалась на встроенном мониторе. Каждая из четырех значений силы тока (20, 40, 50 и максимальный доступный ток 60 мА) была спарена с каждой из двух различных длительностей импульса, доступных для этого устройства (0,2 и 0,3 мс), при каждом из четырех размещений электродов / полярность ориентации.Эти комбинации привели к получению в общей сложности 32 различных моделей стимулов, которые подавались в случайном порядке, в то время как амплитуды вызванных ответов регистрировались.

Электромиография была выполнена двум группам пациентов. Электроды для регистрации ЭМГ размещали на коже над животом приводящей мышцы большого пальца (активный электрод), над мышечным сухожилием приводящей мышцы большого пальца (эталон) и на тыльной стороне кисти (земля).В одной группе из пяти добровольцев монитор ЭМГ подавал стимулирующие токи 20, 40, 60 и 70 мА с шириной импульса 0,05, 0,1, 0,2 и 0,4 мс. Это обеспечило те же 16 комбинаций силы тока / ширины импульса, которые использовались для FTR. Каждый заряд доставлялся с каждой из четырех возможных ориентаций размещения электродов / полярности, в общей сложности 64 различных образца стимула. Вызванные ЭМГ-ответы (в микровольтах) отображались на встроенном мониторе и количественно оценивались как отклонения максимальной амплитуды, измеренные от изоэлектрической линии (базовой линии) до пикового отклонения.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *