ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01R23/04 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к автоматическим измерителям девиации частоты.

Известны устройства измерения девиации частоты. Наиболее распространенными из них являются устройства, основанные на преобразовании переменной частоты частотно-модулированных (ЧМ) колебаний в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна девиации частоты, с последующим измерением величины этой амплитуды. Однако узкодиапазонность и большая погрешность измерения девиации частоты (>5%) не позволяют использовать это устройство там, где необходимы измерения с большой точностью.

Известно устройство измерения девиации частоты, принцип работы которого основан на частотном детектировании ЧМ-сигнала и одновременной калибровке частотного детектора с помощью эталонного генератора. Оно позволяет путем попеременной подачи на вход демодулиpующего устройства исследуемого сигнала и эталонного гармонического сигнала с известной перестраиваемой частотой при помощи электронного коммутатора получать на экране осциллографического индикатора переменное напряжение, пропорциональное девиации частоты, и частотную метку. Перестраивая эталонный генератор, можно передвигать частотную метку и измерять величину девиации частоты. Однако погрешность измерения девиации частоты этим способом также не может быть получена менее 5-10%.

Известны также устройства измерения девиации частоты с помощью электронносчетного частотомера. Большинство из них основано на методе, использующим гетеродинирование ЧМ-колебаний и измерения электронно-счетным частотомером переменной частоты сигнала на выходе смесителя. Если частота вспомогательного гетеродина точно равна средней частоте ЧМ-сигнала и, следовательно, промежуточная частота равна нулю, то на выходе частотомера U (t) = U_m^. sin ϕ (t). Показание частотомера зависит от числа импульсов, формируемых этим напряжением за единицу времени.

N = ent ω(t)dt , где F_мод - частота модулирующего сигнала.

К недостаткам этих приборов следует отнести то обстоятельство, что высокая точность измерений обеспечивается только при больших индексах модуляции m > 10...20. При этом время измерения должно быть существенно больше периода минимальной модулирующей частоты. Поскольку время измерения определяется прибором, то накладываются дополнительные ограничения на минимальную частоту модуляции (t _изм max _приб. = 10 с). Кроме того, при низких модулирующих частотах существенно увеличивается время измерения.

Дополнительные погрешности измерения девиации частоты таким прибором возникают при отклонении формы частотной модуляции от известного закона.

За прототип устройства измерения девиации частоты взято устройство, основанное на преобразовании ЧМ-сигнала во временной сдвиг и сравнении результата преобразованного с эталонным сигналом с помощью управляемого электронного коммутатора. Данное устройство предоставляет возможность работы в широком диапазоне модулирующих частот с высокой точностью ( ≈ 1%) при сравнительно простом его техническом решении.

Однако недостатком данного устройства является большая сложность автоматизации процессов измерения, что резко снижает его возможности при использовании в составе систем автоматизированного контроля.

Эти недостатки устранены путем того, что в устройство, содержащее входное устройство с входящими в него формирователем импульсов ЧМ-периодов и формирователем импульсов нуль-переходов модулирующего сигнала, выходы которых подключены соответственно к входам схемы совпадения, эталонный генератор и измеритель, выполненный на базе осциллографического индикатора с электронным коммутатором на его входе, дополнительно введено устройство формирования сигналов начала и конца измерения, содержащее первую, вторую и третью линии задержки, первую схему совпадения, формирователь импульсов начала измерения, вторую схему совпадения, первый и второй формирователи импульсов N-го периода ЧМ-колебаний с входящими в них ключом, триггером, делителем с переменным коэффициентом деления, формирователем импульсов, схемой совпадения, а измерительное устройство на базе осциллографического индикатора и эталонного генератора заменено на измерительное устройство с входящими в него и последовательно соединенными через первые входы коммутатором, измерителем, вычислителем и регистратором, вторые входы которых соединены через регистры, входящие в состав соответственно первого и второго формирователей импульсов N-го периода, с вторым входом делителя с переменным коэффициентом деления, выход которых подключен к входу формирователей импульсов, при этом первый и третий входы коммутатора соединены соответственно с выходами схем совпадения первого и второго формирователей импульсов N-го периода, четвертый вход соединен с третьим входом вычислителя и выходом второй схемы совпадения устройства формирования сигналов начала и конца измерения, первый вход которой подключен к первому выходу формирователя импульсов начала измерения, а второй - к выходу первой линии задержки, и вторым входом схем совпадения соответственно первого и второго устройств формирования импульсов N-го периода, а пятый и шестой входы коммутатора подсоединены соответственно к входу формирователя нуль-переходов и входу формирователя импульсов ЧМ-периодов входного устройства, выход которого подключен через первую, вторую и третью линии задержки устройства формирования импульсов начала и концы измерений соответственно к второму входу второй схемы совпадения, вторым входам ключей соответственно первого и второго формирователей импульсов N-го периода; второму входу первой схемы совпадения, первый вход которой подключен к выходу схемы совпадения, первый вход которой подключен к выходу схемы совпадения входного устройства, а выход - к входу формирователя импульсов начала измерения, второй и третий выходы которого соединены с первым входом триггеров соответственно первого и второго формирователей импульсов N-го периода, и вторые входы которых соединены с выходом формирователя импульсов и первым входом схемы совпадения, а выход - с первым входом ключей, выходы которых подключены к входу делителей с переменным коэффициентом деления.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство измерения девиаций частоты содержит входное устройство 1, включающее в свой состав формирователь 2 импульсов ЧМ-периодов 2 и формирователь 3 импульсов нуль-переходов модулирующего сигнала, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам схемы 4 совпадения; устройство 5 формирования сигналов начала и конца измерения 5, включающее первую 6, вторую 7 и третью 8 линии задержки, первую схему 9 совпадения, формирователь 10 импульсов начала измерения, первый 12 и второй 13 идентичные формирователи N-го периода ЧМ-колебания с входящими в них ключами 14 и 21, триггерами 14 и 20, делителями 16 и 22 с переменным коэффициентом деления, формирователями 18 и 24 импульсов и схемами 19 и 25 совпадения; измерительное устройство 26, содержащее последовательно соединенные через первые входы коммутатор 27, измеритель 28, вычислитель 29 и регистратор 30, вторые входы которых соединены через регистры 17 и 23, входящие в состав формирователей 12 и 13, с вторым входом делителей 16 и 22, выход которых подключен к входу формирователей 18 и 24, при этом первый и третий входы коммутатора 27 соединены соответственно с выходами схем 19 и 25 совпадения первого 12 и второго 13 формирователей; четвертый вход соединен с третьим входом вычислителя 29 и выходом второй схемы 11 совпадения устройства 5, первый вход которой подключен к первому выходу устройства 5, первый вход которой подключен к первому выходу формирователя 10, а второй - к выходу первой линии 6 задержки и вторым входом схем 19 и 25 совпадения формирователей 12 и 13, а пятый и шестой входы коммутатора 27 подсоединены соответственно к входу формирователя 3 и входу формирователя 2 устройства 1, выход которого подключен через первую 6, вторую 7 и третью 8 линии задержки устройства 5 соответственно к второму входу второй схемы 11 совпадения, вторым входам ключей 15 и 21 формирователей 12 и 13, и второму входу первой схемы 9 совпадения, первый вход которой подключен к выходу схемы 4 совпадения входного устройства 1, а выход - к входу формирователя 10, второй и третий выходы которого подключены к первым входам триггеров 14 и 20 соответственно первого 12 и второго 13 формирователей, вторые входы которых соединены соответственно с выходами формирователей 18 и 24 и с первыми входами ключей 15 и 21, выходы которых подключены к входу делителей 16 и 22.

В основу принципа работы предлагаемого устройства положен способ измерения девиации частоты, при котором информация о величине девиации частоты преобразуется в информативный унифицированный параметр - интервал времени, начало и конец которого отмечаются определенным образом, и используемого в дальнейшем в качестве промежуточного в процессе преобразования информации из одной формы в другую. Для решения данной задачи используется временной сдвиг N-го периода несущей частоты ЧМ-колебания, равный разнице временных положений этого периода в режиме ЧМ и в отсутствии его.

Теоретически показана возможность такого преобразования девиации частоты ЧМ-сигнала во временной интервал (сдвиг), при сравнении ЧМ-сигнала с немодулированным гармоническим сигналом вида a_o = A sin(ω t+ϕ_o) получено выражение для набега времени Δt между сигналами a и a_o при одинаковом значении их функций (a = a_o)
Δt = Δt(t) + Δt ϕ , где Δt(t) = - составляющая набега времени за время t;
Δtϕ = - составляющая набега времени за счет начальных фаз сигналов и неоднозначности отсчета периодов.

При допущении, что Δ t ϕ = 0 (временная привязка фаз) набег времени определяется выражением
Δt = Δt(t) = , откуда следует, что набег времени между сигналами a = a_o при их временной привязке (фаз) и при выполнении измерений за определенный промежуток времени t = τ будет вполне определенной величиной
Δt = · ω(t)dt-τ Данное выражение устанавливает связь между законом изменения частоты ω (t) и набегом времени Δ t при выполнении допущений A = A_о (равенство амплитуд) и Δt ϕ = 0 (исключение неоднозначности измерений Δt за счет начальных фаз сигналов), что является обязательным.

При гармоническом законе изменения частоты ЧМ-сигнала [ω (t)=ω_o+Δ ω sin Ω t ] набег времени определяется выражением
Δt = (1-cosΩτ) , где Δt - временный сдвиг N-го периода несущей частоты ЧМ-колебания (при ЧМ по отношению к временному положению этого периода в отсутствии модуляции);
Δ ω - девиация частоты ЧМ-колебания;
ω_o - несущая частота ЧМ-колебания,
Ω - частота модулирующего колебания;
τ - временная задержка N-го периода несущей частоты ЧМ-колебания по отношению к моменту совпадения фаз.

При выборе τ , равной половине периода модулирующей частоты (τ = ), выражение упрощается )так как в этом случае cos Ωτ = -1), Δt_τ = а набег времени максимален ( Δt_max).

На фиг.2,а показана зависимость набега времени от величины задержки выбираемого периода (N-го) ЧМ-колебания по отношению к моменту совпадения его начальной фазы с моментом нуль-перехода фазы модулирующего колебания. Выражение для Δ t_τ устанавливает однозначную связь набега времени Δt с величиной девиации частоты Δ ω - параметром, который должен быть измерен.

Измеряя величину сдвига Δt_max с помощью измерителя определяют величину девиации частоты
Δf = Δt_max ( π˙f_o˙F_Ω), f_o и F_Ω - величины известные.

Алгоритм работы измерителя следующий.

При подаче на первый вход устройства исследуемого сигнала, а на второй вход модулирующего колебания в момент перехода нуля фазой модулирующего колебания осуществляется временная привязка этой фазы с начальной фазой модулируемого колебания - формируется импульс начала измерительного процесса.

С помощью измерителя (ЭСЧ) определяются значения f_o и F_Ω. Данные вводятся в вычислитель 29.

Определяется номер периода ЧМ-колебания при задержке τ =
N = · = · = · и значение временной задержки этого периода ЧМ-колебания в отсутствии модуляции
τN_o= N·T_o=
Одновременно формируется команда на установку требуемого коэффициента деления в делителях 16 и 22 с переменным коэффициентом деления для выделения N-го периода ЧМ-колебания.

Выделяется N-й период ЧМ-колебаний в формирователях периода 12 и 13.

Измеряется значение временного сдвига Δt_max. Для этого на вход измерителя 28 подается (автоматически) импульс, соответствующий временному положению N-го периода ЧМ-колебания при ЧМ и значение временной задержки этого периода в отсутствии модуляции. Разница этих значений равна
Δt_max = τ_No-τ_Nизм.

Результат подается на вычислитель.

Поступившие в вычислитель 28 данные о Δt_max, f_о и F_Ω используются для определения величины девиации частоты ЧМ-колебания по приведенному выражению.

Результат измерения и вычислений выводится на регистратор 30.

Аппаратная реализация этого алгоритма заключается в следующем: с помощью формирователей 2 и 3, схемы 4 совпадения, входящих во входное устройство 1, первой схемы 9 совпадения, формирователя 10, входящих в устройство 5, формируется импульс начала измерительного процесса.

Для решения этой задачи короткие импульсы, сформированные из периодов ЧМ-колебания в формирователе 2, подаются на первый вход схемы 4 совпадения, на второй вход которой поступают широкие импульсы с выхода формирователя 3. При их временном совпадении на выходе схемы 4 совпадения формируется импульс временной привязки - момент совпадения начальных фаз двух несинхронных сигналов с частотами F_Ω и f_о.

Для исключения неустойчивых моментов совпадения, возникающих при попадании импульса ЧМ -периодов на фронт (спад) импульса нуль-перехода, используется другая схема 9 совпадения, на выходе которой формируется устойчивый по амплитуде и временному положению импульс. На второй вход этой схемы подаются импульсы с формирователя 2 через линию 9 задержки, сдвигающую их в зону устойчивого совпадения.

С выхода схемы 9 совпадения сигнал временной привязки поступает на формирователь 10. С его первого выхода импульс, определяющий момент начала измерительного процесса, через схему 11 совпадения поступает через коммутатор 27 на вход измерительного устройства 28; с второго и третьего выходов формирователя 10 импульсы поступают на первые входы триггеров 14 и 20, входящих в состав формирователей 12 и 13.

На их выходах формируются импульсы, временное положение которых соответствует временному положению N-го периода ЧМ-колебания - с выхода формирователя 12 импульс поступает на вход измерителя 28 через коммутатор 27 в конце положительной полуволны модулирующего колебания; с выхода формирователя 13 - в конце отрицательной полуволны.

В измерителе 28 временное положение N-го периода сравнивается с расчетным значением временного положения этого периодов в отсутствии ЧМ (τ_No), вводимого с вычислителя 29.

Работают формирователи 12 и 13 следующим образом.

При поступлении импульса с выхода формирователя 10 на первый вход триггера последний перебрасывается и открывает ключ 15 или 21, через который поступает последовательность импульсов ЧМ-периодов с выхода формирователя 2 через линию 7 задержки. Последняя компенсирует паpазитную задержку импульса начала измерения, возникающую в процессе его формирования.

Через ключ 15 или 21 импульсы ЧМ-периодов поступают на входы делителей 16 и 22, коэффициент деления которых установлен по команде с вычислителя 29, поступающей через регистры на второй управляющий вход делителя.

С выхода делителей 16 и 22 импульс, соответствующий временному положению N-го периода ЧС-колебания, подается через формирователи 18 и 24 импульсов на первые входы схем 19 и 25 совпадения и на вторые входы триггеров 14 и 20: последние перебрасываются при поступлении этого импульса и заключают ключи 15 и 21, прекращая подачу импульсов ЧМ-периодов на вход делителей 16 и 22.

Для более четкой временной привязки импульсов начала и конца измерений сформированные сигналы на первом выходе формирователя 10 (начало измерений) и выходах формирователей 18 и 24 подаются на первые входы идентичных схем 11, 19 и 25 совпадения, на вторые входы которых подаются импульсы ЧМ-периода с линии 6 задержки.

Изобретение может быть использовано для измерения девиации частоты ЧМ-сигналов путем преобразования частотных отклонений во временной сдвиг с последующим измерением этого сдвига электронно-счетным частотомером, сравнением результата измерения с эталонным значением и определением величины девиации частоты логическим устройством по введенной в него формуле и значения измеренных величин.

Вся процедура измерения проводится без участия оператора - автоматически (с использованием программы контроля, заводимой в вычислитель), за короткое время и с высокой точностью, в широком диапазоне индексов модуляции и модулирующих частот, что позволяет использовать данное устройство в составе автоматизированных систем контроля РЭА.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для автоматического измерения девиации частоты. Автоматический измеритель девиации частоты содержит входное устройство, содержащее формирователь 2 импульсов, формирователь импульсов нуль-переходов, схему совпадения, устройство формирования, включающее три линии задержки, схему совпадения, формирователь импульсов, два формирователя N-периода частотно-модулированных колебаний, с входящими в них двумя ключами, двумя триггерами, двумя делителями, двумя формирователями импульсов, двумя схемами совпадения, измерительное устройство, содержащее коммутатор, измеритель, вычислитель, регистратор. 2 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащий входное устройство, включающее в себя схему совпадения, формирователь импульсов частотно-модулированных периодов и формирователь импульсов нуль-переходов модулирующего сигнала, выходы которых подключены соответственно к второму и первому входам схемы совпадения, и измерительное устройство, включающее в себя осциллографический индикатор с электронным коммутатором на входе его и эталонный генератор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены устройство формирования сигналов начала и конца измерения, включающее в себя первую - третью линии задержки, первую схему совпадения, формирователь импульсов начала измерения, первый и второй идентичные формирователи N-го периода частотно-модулированных колебаний с входящими в него ключом, триггером, делителем с переменным коэффициентом деления, формирователем импульсов и схемой совпадения, причем осциллографический индикатор и эталонный генератор заменены на измерительное устройство, содержащее последовательно соединенные через первые входы коммутатор, измеритель, вычислитель и регистратор, вторые входы которых соединены через регистры, входящие в состав формирователей N-го периода, с вторым входом делителя с переменным коэффициентом деления, выход которых подключен к входу формирователей импульсов, при этом первый и третий входы коммутатора соединены соответственно с выходами схем совпадения первого и второго формирователей N-го периода, четвертый вход соединен с третьим входом вычислителя и выходом второй схемы совпадения устройства формирования начала и конца измерения, первый вход которой подключен к первому выходу формирователя импульсов начала измерения, а второй - к выходу первой линии задержки и вторым входам схем совпадения устройств формирования N-го периода, а пятый и шестой входы коммутатора подсоединены соответственно к входу формирователя нуль-переходов и входу формирователя частотно-модулированных периодов входного устройства, выход которого подключен через первую, вторую и третью линии задержки устройства формирования начала и конца измерения соответственно к второму входу второй схемы совпадения, вторым входам ключей формирователей импульсов N-го периода, второму входу первой схемы совпадения, первый вход которой подключен к выходу схемы совпадения входного устройства, а выход - к входу формирователя импульсов начала измерения, второй и третий выходы которого подключены к первым входам триггеров соответственно первого и второго формирователей импульсов N-го периода, вторые входы которых соединены с выходом формирователя импульсов, а выход - с первым входом схемы ключей, выходы которых подключены к входу делителей с переменным коэффициентом деления.