Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Цель работы: изучение принципа действия дальномера и экспериментальное определение его характеристик.
Продолжительность работы - 4 часа.
В работе используется следующая аппаратура:
Измерение дальности в радиолокации. Следящий дальномер
Дальность объекта R до импульсной радиолокационной станции (РЛС) определяется путем измерения времени запаздывания сигнала, отраженного от объекта, относи-тельно зондирующего импульса (ЗИ) передатчика (рис.1):
,
где c - скорость распространения радиоволн. Обозначим буквой истинное значение времени задерж ки, а будем относить к измерен ному значению этой величины.
Для измерения координат объектов в РЛС и в других радиотехнических системах обычно используют следящие измерители, построенные как следящие системы. Подобные измерители состоят из двух элементов: дискриминатора и управляющего устройства (сглаживающей цепи), представленных на рис.2. В управляющем устройстве формируется оценка измеряемого параметра сигнала (в данном случае ). Эта величина в дискриминаторе сравнивается с истинным значением задержки входного сигнала . Разность (рассогласование)
управляет формированием оценки таким образом, что уменьшается. Если имеет постоянное значение или изменяется весьма медленно, то .
В дальномере оценкой времени запаздывания сигнала является время задержки специального импульса - так называемого расщепленного строба, состоящего из двух смежных импульсов (стробов), формируемых в управляющем устройстве. Стробы и импульс сигнала иллюстрируются далее.
Как следует из рис.2, функция дискриминатора заключается в выработке напряжения рассогласования (или соответствующего числа в цифровом устройстве), определяемого величиной . Зависимость выходного напряжения дискриминатора от рассогласования , показанная на рис.3, называется дискриминационной характеристикой. При малых рассогласованиях линейно зависит от :
. (1)
Величина kд, называемая крутизной дискриминационной характеристики, представляет собой коэффициент передачи дискриминатора. Его размерность в аналоговом дискриминаторе [kд] = В/с или чаще [kд] = В/мкс.
В цифровом дискриминаторе выражается в единицах числа на микросекунду. Дискриминатор - практически безынерционное звено измерителя. При малых рассогласо ваниях это звено в соответствии с формулой (1) можно считать линейным.
Величина kд зависит и от амплитуды сигнала на входе дискрими натора. Постоянство значения kд на практике обеспечивается путем стабили за ции амплитуды импульса с помощью автоматической регулировки усиления (АРУ) приемника.
Как следует из рис.3, при больших рассогласованиях напряжение (число) на выходе дискриминатора обращается в нуль, и следящий дальномер оказывается неработоспособным. Поэтому для нормальной работы дальномера необходимо предварительно грубо совместить строб с сигналом цели, т.е. выполнить целеуказание.
Управляющее устройство состоит из масштабирующего звена, интегрирующих звеньев и преобразователя (рис.4). Последний используется для преобразования напряжения (числа) в оценку временной задержки . Коэффициент передачи цифрового интегратора . Поэтому коэффициент передачи цифрового управляющего устройства равен , где и - соответственно коэффициенты передачи масштабатора и преобразователя. Поскольку последний используется для преобразования числа в задержку строба, имеет размерность мкс/ед.
Коэффициент передачи разомкнутой петли цифрового дальномера равен
. (2)
Его размерность , т.е. - безразмерная величина.
Имитатор сигналов и шума
В имитаторе формируются следующие напряжения:
последовательность импульсов сигнала в смеси с шумом на выходе фильтра, согласованного с одним импульсом сигнала (гнездо ВЫХ, рис.5,в). Длительность импульсов сигнала ≈ 6 мкс. Уровни сигнала и шума можно регулировать с помощью переменных резисторов СИГНАЛ, ШУМ. Напряжение шума появляется при установке тумблера П7 в положение ВКЛ.
Текущее значение временной задержки высвечивается на семисегментных индикаторах в виде трехразрядного десятичного числа (запятая после второго разряда игнорируется). Единица младшего разряда соответствует задержке 0,5 мкс (дальности 75 м).
На одно из гнезд на передней панели имитатора (СТРОБЫ) выведен расщепленный строб дальномера, формируемый микроЭВМ.
Управление задержкой сигнала осуществляется с помощью трех тумблеров и двух кнопок. Используя тумблер П4 (АВТ-РУЧ), можно выбрать один из двух режимов управления: автоматический или ручной. Если этот тумблер установить в положение АВТ, задержка сигнала будет изменяться с постоянной скоростью. Направление изменения задержки определяется положением тумблера П6. Если этот тумблер установить в положение УВ.R, задержка сигнала будет увеличиваться до максимального значения ≈ 100 мкс (дальность цели ≈ 15 км). Если тумблер П6 установлен в положение УМ.R, задержка сигнала будет уменьшаться до = 0.
Установив тумблер П4 в положение РУЧ, можно вручную управлять задержкой грубо или плавно (в зависимости от положения тумблера П1). Если П1 установлен в положение ГРУБО, то с помощью кнопок П2 и П3 (УВ.R, УМ.R) можно увеличивать или уменьшать задержку сигнала до нужной величины. Если же тумблер П1 установлен в положение ПЛАВНО, то при каждом нажатии кнопок П2, П3 задержка сигнала увеличивается или уменьшается на весьма малую величину - 0,125 мкс. Для того чтобы число на семисегментном индикаторе изменилось на единицу младшего разряда, нужно четыре раза нажать кнопку П2 или П3.
МикроЭВМ МП589М
Лабораторная микроЭВМ МП589М включает в себя две платы: собственно микроЭВМ и устройство ввода-вывода (УВВ) для обмена информацией с имитатором сигнала и пользователем. На рис.6 в схематическом виде представлены органы управления и индикации ЭВМ.
В микроЭВМ программно реализованы дальномеры первого и второго порядков. Также имеется программа снятия дискриминационной характеристики дальномеров.
В качестве устройств ввода информации в ЭВМ используются:
На 4-разрядном семисегментном индикаторе VD2 отображаются в десятичном коде текущие значения дискриминационной характеристики.
Вызов той или иной программы, записанной в ПЗУ ЭВМ, производится нажатием соответствующей клавиши в клавиатуре S2:
Перед вызовом той или иной программы нужно нажать клавишу R (сброс).
Дальномер можно выполнить в виде специализированного устройства, включающего в себя такие функциональные микросхемы, как сумматоры, умножители, счетчики, регистры, или в виде программируемого устройства. Хотя в лабораторной установке используется программируемый вариант, рассмотрим структуру и элементы специализированного устройства (с астатизмом первого порядка) как наиболее наглядного.
Блок-схема временного дискриминатора приведена на рис.7, а временные диаграммы - на рис.8. Аналого-цифровой преобразователь осуществляет временную дискретизацию и амплитудное квантование входного сигнала (рис.8,а). Выборки берутся в моменты прихода импульсов дискретизации (ИД) (рис.8,б, 8,в). Накапливающий сумматор, состоящий из арифметическо-логического устройства (АЛУ) и регистра (РГ), вырабатывает число, соответствующее временному рассогласованию . Для этого сумма выборок сигнала за время действия первого строба берется со знаком минус, а сумма выборок за время действия второго строба - со знаком плюс (рис.8,г,д). Разность , являющаяся функцией рассогласования , представляет собой выход дискриминатора. Эта величина обнуляется в момент формирования очередного зондирующего импульса (рис.8,е).
Для повышения отношения сигнал/шум число на выходе дискриминатора можно усреднять (накапливать) в течение М периодов следования зондирующих импульсов. По прошествии этого времени накопленное число делится на М и подается на вход интегратора. Сразу после этого регистр РГ обнуляется, и дискриминатор готов к работе в течение очередных М периодов следования. В данной лабораторной работе М = 128.
Число на выходе дискриминатора (дискриминационная характеристика) является ступенчатой функцией временного рассогласования середины расщепленного строба и середины импульса сигнала (рис.9). Иногда рассматривают сглаженную характеристику, показанную на рис.9 штриховой линией.
Цифровой интегратор представляет собой накапливающий сумматор, подобный использованному в дискриминаторе, но без сброса. Начальное значение числа в регистре накапливающего сумматора, соответствующее начальной задержке расщепленного строба, устанавливается в режиме целеуказания (перед переходом в режим слежения). В отличие от дискриминатора в интеграторе отсутствует управление полярностью входных чисел. Выходное число интегратора изменяется на величину поступающего на его вход очередного числа с выхода дискриминатора. Период тактирования интегратора, равный периоду поступления чисел с выхода дискриминатора, составляет
, (3)
где Tсл - период следования зондирующих импульсов.
Цифровое устройство управляемой временной задержки весьма просто реализуется с помощью двоичного счетчика. На его информационные входы подается управляющее число , на вход предварительной записи - импульс запуска передатчика, на вход обратного счета - импульсы кварцевого генератора с периодом следования T1.
Таким образом, в момент формирования ЗИ в счетчик записывается число . Затем это число уменьшается на единицу с приходом каждого импульса кварцевого генератора. Следовательно, содержимое счетчика обратится в нуль спустя время после очередного зондирующего импульса. При этом на одном из выходов счетчика формируется импульс с задержкой относительно ЗИ. Значит, задержка импульса, пропорциональная числу , изменяется с дискретом .
В данной лабораторной работе число устанавливается с помощью клавиатуры S1 (в ЭВМ), как целеуказание о начальной дальности, или это число снимается с выхода интегратора дальномера в режиме слежения.
Масштабирующее звено представляет собой умножитель с коэффициентом умножения
. (4)
Рассмотрим теперь работу дальномера первого порядка в целом (рис.10). Предположим, что середина расщепленного строба задержана относительно середины сигнала, как показано на рис.8. Тогда выходное число дискриминатора отрицательно. Вследствие этого число на выходе интегратора будет уменьшаться. Уменьшается и задержка строба до тех пор, пока рассогласование сигнала и строба не обратится в нуль. При этом выходное число интегратора перестанет изменяться (если цель не движется).
В случае движущейся цели задержка отраженного сигнала изменяется со скоростью
,
где - скорость движения цели. С такой же скоростью должна изменяться задержка строба. Для этого входное число интегратора должно быть пропорционально . Но это число может образоваться только при наличии рассогласования сигнала и строба. Подобное рассогласование называется динамической ошибкой измерения дальности (в микросекундах), поскольку причиной появления ошибки является динамика цели.
Дальномер с астатизмом второго порядка включает два каскадно соединенных интегратора, один из которых для обеспечения устойчивости устройства содержит корректирующую цепочку.
В лабораторной работе используется программная реализация дальномера на базе микроЭВМ МП589М.
Экспериментальная часть работы заключается в практическом ознакомлении с автодальномером и определении его характеристик.
1.1. Начальные установки.
Имитатор: П1 - ГРУБО, П4 - РУЧ, П5 - ИЗМ, П7 - ВЫКЛ.
Убедитесь в правильности подключения гнезд на панели имитатора к входным клеммам двухлучевого осциллографа. Гнездо ВЫХ должно быть подключено ко входу канала 1 осциллографа, гнездо СТРОБЫ - ко входу канала 2 осциллографа, гнездо ЗИ - ко входу синхронизации осциллографа. Установите режим внешней синхронизации и засинхронизируйте осциллограф.
Убедитесь также в том, что амплитуда сигнала на клемме ВХОД КАНАЛА 1 примерно равна (0,8 ÷ 1) В. Если величина сигнала выходит за пределы указанного диапазона, подрегулируйте ее с помощью ручки СИГНАЛ.
1.2. Наблюдение работы имитатора.
Нажимая попеременно кнопки П2 и П3 имитатора, наблюдайте движение импульса сигнала. Установите масштаб развертки осциллографа 10 мкс на клетку шкалы. Чтобы масштаб развертки соответствовал надписи на грубом переключателе скорости развертки, поверните ручку плавной регулировки развертки по часовой стрелке до упора. После этого, используя метки времени осциллографа, определите минимальную и максимальную задержку сигнала относительно зондирующего импульса. Измерьте скорость изменения задержки сигнала . Для этого определите перемещение импульса [мкс] за некоторое время (рекомендуется с). Тогда [мкс/с]. Величина связана со скоростью движения цели :
.
Далее переведите переключатель П4 в положение АВТ. Переводя переключатель П6 попеременно в положения УМ.R и УВ.R, определите минимальную и максимальную задержку импульса сигнала в автоматическом режиме.
1.3. Работа дальномера в режиме сопровождения цели.
В режиме РУЧ, ГРУБО имитатора установите минимальное значение задержки импульса сигнала цели. На клавиатуре S1 микроЭВМ установите значение начальной дальности стробов 1500 м (20 единиц дальности, двоичный код 00010100). Включите микроЭВМ. Затем включите дальномер с астатизмом первого порядка, последовательно нажимая клавиши R и LA клавиатуры S2. Наблюдайте появление строба на экране осциллографа. Нажимая и удерживая кнопку П2 имитатора, наблюдайте движение сигнала цели к стробу, а затем захват и сопровождение его стробами дальномера. Несколько раз измените направление движения цели, попеременно нажимая кнопки П3 и П2 имитатора. При этом можно наблюдать наличие динамической ошибки слежения, которая изменяет знак при изменении направления движения цели (т.е. при изменении знака скорости движения). Возможность наблюдения присутствия динамической ошибки связана с "проникновением" заднего фронта строба в первый канал осциллографа, где отображается сигнал цели.
Аналогично наблюдайте работу дальномера с астатизмом второго порядка. Переход к дальномеру второго порядка осуществите последовательным нажатием клавиш R и RD клавиатуры S2. Для захвата сигнала цели грубо совместите этот сигнал со стробами, манипулируя кнопками П2 или П3 имитатора. Затем несколько раз измените направление движения цели, попеременно нажимая и на несколько секунд удерживая кнопку П2 или П3. При этом убедитесь в том, что после окончания переходного процесса "проникающая" в канал цели часть строба остается в одном и том же месте сигнала цели, независимо от направления ее движения. Это свидетельствует об отсутствии динамической погрешности . Кстати, какова причина отсутствия ?
Результаты наблюдений запишите в отчет.
В соответствии с формулой (2)
.
Величина . Следовательно, для расчета величины нужно определить коэффициенты передачи дискриминатора и преобразователя (т.е. управляемой схемы задержки) .
2.1. Определение коэффициента передачи дискриминатора (крутизны дискриминационной характеристики).
Методика выполнения этой операции заключается в последовательной установке различных значений временного рассогласования сигнала и отсчета соответствующих величин дискриминационной характеристики. Установите на клавиатуре S1 начальную дальность 1125 м (15 единиц дальности, двоичный код 00001111). Вызовите программу снятия дискриминационной характеристики, нажимая последовательно клавиши R и RC клавиатуры S2. Используйте режим ручной регулировки задержки сигнала. Тумблер П1 установите в положение ГРУБО. Манипулируя кнопками П2, П3, подведите импульс цели к стробу так, чтобы строб был немного правее цели. Затем тумблер П1 переведите в положение ПЛАВНО. На семисегментном индикаторе микроЭВМ, показывающем выход дискриминатора, должно быть число нуль.
Нажимая кнопку П2, увеличивайте задержку сигнала цели. После нескольких нажатий кнопки П2 на индикаторе ЭВМ появится небольшое по абсолютной величине отрицательное число. Этот момент времени соответствует началу снятия дискриминационной характеристики. В дальнейшем, нажимая П2, продолжайте увеличивать задержку импульса цели ступенями по 0,5 мкс (единица младшего разряда числа на индикаторе имитатора). При каждом значении задержки сигнала отсчитывайте по индикатору ЭВМ число на выходе дискриминатора. Зависимость этого числа от задержки сигнала (при постоянном положении строба) представляет собой дискриминационную характеристику дальномера.
Определите крутизну дискриминационной характеристики в нуле. Для этого нужно взять два отсчета числа на выходе дискриминатора и в точках и , примерно симметричных относительно нуля (рис.11). Значения и рекомендуется выбрать такими, чтобы и были равны примерно 50 - 60. Крутизна дискриминационной характеристики
. (5)
2.2. Определение коэффициента передачи схемы управляемой задержки строба.
На клавиатуре S1 установите начальную дальность 1500 м (20 единиц дальности, двоичный код 00010100). Переключатель П4 установите в положение АВТ, а переключатель П6 - в положение УМ.R. Когда задержка сигнала цели станет примерно равной нулю (убедитесь по осциллографу), нажмите последовательно клавиши R и LA на клавиатуре S2. Используя метки времени, заметьте положение строба на экране осциллографа [в мкс]. Затем установите на клавиатуре S1 дальность 2250 м (30 единиц дальности, двоичный код 00011110) и снова нажмите клавиши R и LA на клавиатуре S2. Измерьте сдвиг строба по осциллографу относительно предыдущего положения [мкс]. Определите коэффициент передачи схемы задержки как
[мкс/ед.]. (6)
2.3. Рассчитайте коэффициент передачи разомкнутой петли дальномера первого порядка с помощью формул (2), (4) - (6).
2.4. Рассчитайте динамическую ошибку дальномера первого порядка по формуле
.
В соответствии с формулой (3) . Значения периода следования импульсов сигнала цели определите по осциллографу. Масштаб развертки подберите с помощью ступенчатого переключателя так, чтобы на экране укладывалось не менее двух импульсов сигнала.
Для определения нужно в режиме автосопровождения задать сигналу цели движение с известной скоростью , измеренной в пункте 1,б данного раздела, и определить по осциллографу смещение строба относительно сигнала цели. Для достаточно точного измерения масштаб развертки осциллографа должен быть крупным, например,
1 мкс на клетку шкалы времени. Однако при этом движущиеся "цель" и строб будут находиться в пределах экрана в течение примерно 1 с.
В результате наблюдатель не успеет оценить величину .
Простой способ избежать этой неприятности состоит в синхронизации осциллографа импульсом сигнала цели. При этом сигнал цели всегда будет находиться в начале развертки. Сделав масштаб ее крупным (1 мкс на клетку шкалы), можно достаточно точно определить величину смещения строба.
Знак зависит от знака . Поэтому измерить динамическую ошибку можно и по-другому. Поочередно нажимая кнопки П2 и П3 на имитаторе, можно изменять знак . При этом будет попеременно принимать положительное и отрицательное значения. Следовательно, расстояние между крайними положениями строба на экране равно удвоенной динамической ошибке.
Рекомендуемая методика измерения.
Масштаб развертки осциллографа сделайте равным 10 мкс на одну клетку шкалы. Запустите дальномер с астатизмом первого порядка. Переключатель П4 установите в положение РУЧ, переключатель П1 - в положение ГРУБО. Манипулируя кнопками П2, П3, совместите сигнал цели со стробом. Затем убедитесь в наличии автосопровождения, перемещая сигнал цели. Сделайте задержку сигнала примерно равной четверти ее максимального значения. Подключите вход синхронизации осциллографа к гнезду "С" имитатора. Сделайте масштаб развертки равным 1 мкс на клетку. Поочередно нажимая кнопки П2 и П3 и удерживая каждую в течение ≈ 5 с, определите расстояние между положениями заднего фронта строба. Половина этого расстояния равна .
Сравните рассчитанное и измеренное значения динамической погрешности.
Повторите измерение динамической ошибки для дальномера второго порядка. В отчете дайте объяснение полученным результатам.
На вход синхронизации осциллографа подайте напряжение с гнезда ЗИ имитатора. Осуществите захват сигнала цели дальномером с астатизмом первого порядка. Переключатель П4 установите в положение АВТ. Убедитесь в наличии автосопровождения сигнала дальномером, изменяя направление движения цели с помощью тумблера П6 (УВ.R - УМ.R).
Включите напряжение шума, установив тумблер П7 в положение ВКЛ. Продолжайте варьировать направление движения цели, наблюдая сопровождение сигнала на фоне шума. Постепенно увеличивайте уровень шума регулятором ШУМ до тех пор, пока не заметите уход сигнала от строба (срыв сопровождения). Измерьте отношение сигнал/шум, при котором произошел срыв слежения. Для этого измерьте милливольтметром напряжение шума на гнезде ВЫХ. Наличие сигнала на этом гнезде не внесет заметной погрешности в результат измерения, поскольку милливольтметр реагирует не на амплитуду импульса, а на среднее значение напряжения, которое гораздо меньше амплитуды . Последнюю можно измерить с помощью осциллографа, выключив шум. В качестве отношения сигнал/шум примите
.
В отчете нужно привести результаты всех расчетов и измерений, зарисовки наблюдавшихся осциллограмм, графики дискриминационной характеристики (исходной и сглаженной). Должны быть указаны размерности всех величин, фигурирующих в отчете. Каждый пункт отчета должен быть озаглавлен.
Примечание. При допуске к лабораторной работе задаются вопросы 1 - 7, а во время зачета может быть задан любой вопрос из приведенного списка.
31