УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДЕКСА ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ Российский патент 1995 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при измерениях характеристик сигналов с частотной модуляцией.

Известно устройство для измерения индекса частотной модуляции, содержащее звуковой генератор, исследуемый частотно-модулированный генератор, преобразователь, гетеродин, полосовой фильтр, пиковый детектор и индикатор, которое реализует метод определения нулей функции Бесселя нулевого порядка.

Однако данное устройство позволяет точно измерять значение индекса частотной модуляции лишь в фиксированном числе точек.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для измерения индекса частотной модуляции, содержащее звуковой генератор, исследуемый частотно-модулированный генератор, преобразователь, гетеродин, усилитель, три перестраиваемых фильтра, три сумматора, два пиковых детектора, делитель напряжения и индикатор, реализующее метод измерения, основанный на выражении для индекса частотной модуляции через функции Бесселя.

Данное устройство не позволяет реализовать максимальную точность измерения индекса частотной модуляции.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные звуковой генератор, исследуемый частотно-модулированный генератор, преобразователь и усилитель, а также гетеродин, три перестраиваемых фильтра, два пиковых детектора, сумматор, делитель напряжения, управляемый источник постоянного напряжения, умножитель и индикатор введены n-2 управляемых фильтра, n-1 пиковых детектора, коммутатор, решающее устройство, при этом выход гетеродина подключен ко второму входу преобразователя, выход усилителя соединен со входами n+1 полосовых фильтров, выходы которых соединены со входами n+1 пиковых детектора, выходы которых подключены ко входам коммутатора и входам решающего устройства, выходы которого соединены со входами управления коммутатором и входами управления источника постоянного напряжения, выход которого соединен со вторым входом умножителя, к первому входу которого подключен выход делителя, к первому входу которого подсоединен второй выход коммутатора, а ко второму выход сумматора, первый и второй входы которого соединены с первым и третьим выходами коммутатора, выход умножителя соединен со входом индикатора.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства для измерения индекса частотной модуляции (ЧМ).

Устройство содержит:
1. Генератор звуковой частоты.

2. Частотно-модулированный генератор.

3. Преобразователь, служащий для переноса спектра частотно-модулированного колебания на промежуточную частоту с помощью гетеродина.

4. Гетеродин, обеспечивающий генерирование гармонического сигнала с частотой f_г f_c f_пч.

5. Усилитель, усиливающий и выделяющий сигнал в диапазоне частот f_пч.

6.1-6. n+1 Перестраиваемые полосовыe фильтры, обеспечивающие выделение соответствующих гармоник ЧМ сигнала.

7.1-7.n+1 Пиковые детекторы, с помощью которых измеряется амплитуда соответствующих гармоник ЧМ сигнала.

8. Коммутатор, подключающий выходы трех из n+1 пиковых детекторов 7.1-7. n+1 ко входам соответственно сумматора 9 и делителя 10.

9. Сумматор, служащий для определения суммы напряжений на первом и третьем выходах коммутатора 8.

10. Делитель, определяет частное от деления напряжения со второго выхода коммутатора 8 на напряжение с выхода сумматора.

11. Умножитель, служащий для умножения напряжения на выходе делителя 10 на выходное напряжение управляемого источника постоянного напряжения 13.

12. Решающее устройство, определяющее номер пикового детектора, выходное напряжение которого максимально и в соответствии с этим выдает управляющие сигналы на коммутатор 8 и управляемый источник постоянного напряжения 13, может быть реализовано на базе цифровых и аналоговых микросхем. На фиг.2 приведена возможная структурная электрическая схема решающего устройства. Устройство содержат компараторы 12.1.1-n, сумматор 12.2, управляемый генератор напряжения 12.3, компаратор 12.4, элементы И 12.5.1-12.5.n, источник опорного напряжения 12.6, причем первые входы компараторов 12.1.1-12.1.n соединены соответственно с выходами пиковых детекторов 7.1-7.n, выходы компараторов 12.1.1-12.1.n подключены к первым входам элементов И 12.5.1-12.5.n, а также входам сумматора 12.2, вторые входы элементов И соединены с выходом компаратора 12.4, первый вход которого соединен с источником опорного напряжения 12.6, а второй с выходом сумматора 12.2, выход компаратора 12.4 подключен также ко входу разрешения блока 13 и ко входу остановки блока 12.3, выход которого подключен ко вторым входам компараторов 12.1.1-12.1.n, а вход соединен с выходом сумматора 12.2, выходы элементов И 12.5.1-12.5.n подключены к управляющим входам коммутатора и управляемого источника напряжения 13.

13. Управляемый источник напряжения может быть реализован на базе цифроаналогового преобразователя или наборе переключаемых источников постоянного напряжения.

14. Индикатор.

Работа устройства основана на измерении амплитуд спектральных составляющих исследуемого частотно-модулированного сигнала и использовании известных соотношений между ними. В частности, выражение для частотно-модулированного колебания (например, для напряжения) может быть представлено в виде
U(t) E cos(ω_ot + m_f,sin Ω t) (1) где Е амплитуда напряжения высокой частоты;
ω_о средняя частота колебания (в отсутствие модуляции);
m_f индекс модуляции;
Ω частота модуляции.

Индекс модуляции определяется выражением
m_f (2) где Δω девиация частоты.

Выражение (1) может быть преобразовано и записано в виде
U(t)=EI_o(m_f)cosω_ot +I_n(m_f)cos(ω_o+nΩ)t+(-1)ⁿcos(ω_o+nΩ)t (3)
где I_o(m_f) и
I_o(m_f) функции Бесселя, аргументом которых является индекс модуляции m_f.

n номер спектральных составляющих.

Воспользуемся pеккуpентным соотношением для функций Бесселя порядка n
I_n-1(m_f)+I_n+1(m_f) I_n(m_f) (4) где n 1,2,3,
Из последнего выражения
m_f (5)
Выражение (5) реализуется предлагаемым устройством.

При этом для получения минимального значения абсолютной погрешности определения Δ m_f n необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия
I_n(m_f) > (I_i(m_f) (i ≠ n), что следует из выражения абсолютной погрешности измерения
Δm_f2nΔI_n(m_f)+mI_n-1(m_f)+ΔI_n+1(m_f)
где Δ I_n(m_f), ΔI_n-1, Δ I_n+1 абсолютные погрешности измерения амплитуд спектральных составляющих соответственно n-й, n-1-й и n+1-й. С ростом значения m_f значение n увеличивается, например, при m_f ≈ 1, n 1; при m_f ≈ 4,3; n 3 и т.д.

Устройство работает следующим образом.

Частотно-модулированный сигнал, образованный в генераторе 2, поступает в преобразователь 3, на выходе которого выделяется разностная частота F fг_сг f_сигн, выделение и усиление осуществляется усилителем 5 с частотной характеристикой, обеспечивающей прохождение спектральных составляющих I_o, I₁, I_n-1, фильтры 6.1-6.n+1 обеспечивают фильтрацию составляющих I_o, I₁, I_n-1, пиковые детекторы 7.1-7.n+1 позволяет определить значения амплитуд спектральных составляющих на выходах фильтров 6.1-6.n+1 сигналы с выходов пиковых детекторов поступают на входы решающего устройства 12, которое определяет значение n следующим образом. Сигналы, соответствующие I₁, I₂,I_n поступают на первые входы компараторов 12.1.1-12.1.n, с помощью которых эти сигналы сравниваются с пороговым напряжением, подаваемым на вторые входы компараторов с выхода управляемого генератора напряжения 12.3, значение напряжения на выходе которого возрастает от нуля и останавливается по сигналу с выхода компаратора 12.4, при этом лишь в одном из компараторов 12.1.1-12.1.n амплитуда спектральной составляющей сигнала I_i превышает значение порогового уровня, на выходах компараторов устанавливается код с единственным единичным значением на позиции, соответствующей номеру n максимальной спектральной составляющей, а на выходе сумматора 12.2 устанавливается напряжение, соответствующее единице, которое меньше порогового напряжения, равного полутора единицам на втором входе компаратора 12.4, в этом случае выход компаратора устанавливается в единичное состояние и останавливает работу управляемого генератора напряжения 12.3, а также разрешает выдачу управляющего кода на коммутатор 8 через элементы И и на управляемый источник постоянного напряжения 13. В случае, если амплитуды сигналов превышают значение порогового напряжения в нескольких компараторах 12.1.1-12.1.n на выходе сумматора 12.2 напряжение больше двух условных единиц, что больше напряжения на втором входе компаратора 12.4, на выходе которого при этом присутствует значение логического нуля, которое запрещает выдачу управляющего кода через элементы И на коммутатор 8 и управляемый источник постоянного напряжения 13, а также разрешает возрастание напряжения на выходе генератора 12.3 до тех пор, пока не останется одна единица на выходах компараторов 12.1.1-12.1.n.

До момента установления в решающем устройстве 12 номера максимальной составляющей коммутатор 8 подключает к первому, второму и третьему выходам первый, второй и третий входы, на которых присутствует напряжение нулевой, первой и второй спектральных составляющих, на выходе управляемого источника напряжения 13 действует напряжение, соответствующее двум единицам. При установлении решающим устройством 12 максимальной спектральной составляющей управляющий код выдается на управляющие входы коммутатора 8 и источника напряжения 13, в соответствии с которым к первому, второму и третьему выходам коммутатора подключаются l_max 1, l_max и l_max + 1 входы коммутатора, где l_max номер составляющей с максимальной амплитудой, а на выходе источника напряжения 13 устанавливается напряжение, соответствующее 2 l_max единицам. Сигналы с первого и третьего выходов коммутатора 8 суммируются сумматором 9, делитель 10 делит напряжение со второго выхода коммутатора 8 на суммарное напряжение на выходе сумматора 9, выходное напряжение 10 умножается в умножителе 11 на напряжение, соответствующее 2 l_max единицам, результат умножения поступает на индикатор 14, таким образом сумматор 9, делитель 10 и умножитель 11 реализуют выражение (5) для определения m_f.

До установления Il_max оценка m_f производится по составляющим I_o, I₁ и I₂, а после установления Ilmax по составляющим Il_max+1, Il_max, Ilmax, Ilmax-1, обеспечивающим измерение с минимальной погрешностью.

Повышение точности измерения обеспечивается использованием гармоники с максимальной амплитудой I_lmax, что соответствует минимальному значению Δ m_f абсолютной погрешности, определяемой выра- жением (7).

Использование: для определения параметров частотно-модулированных сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит звуковой генератор 1, частотно-модулированный генератор 2, преобразователь 3, гетеродин 4, усилитель 5, (n + 1) перестраиваемых фильтров 6, (n + 1) пиковых детекторов 7, коммутатор 8, сумматор 9, делитель напряжения 10, умножитель 11, решающее устройство 12, управляемый источник постоянного напряжения 13, индикатор 14. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДЕКСА ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ, содержащее последовательно соединенные звуковой генератор, исследуемый частотно-модулированный генератор, преобразователь и усилитель, а также гетеродин, три перестраиваемых фильтра, два пиковых детектора, сумматор, делитель напряжения, управляемый источник постоянного напряжения и индикатор, отличающееся тем, что в него введены n 2 перестраиваемых фильтра, N 1 пиковых детекторов, коммутатор, решающее устройство, умножитель, при этом выход гетеродина подключен к второму входу преобразователя, выход усилителя соединен с входами n + 1 перестраиваемых фильтров, выходы которых соединены с входами n + 1 пиковых детекторов, выходы которых подключены к входам коммутатора и входам решающего устройства, выходы которого соединены с входами управления коммутатором и входами управления источника постоянного напряжения, выход которого соединен с вторым входом умножителя, к первому входу которого подключен выход делителя, к первому входу которого подсоединен второй выход коммутатора, а к второму выход сумматора, первый и второй входы которого соединены с первым и третьим выходами коммутатора, выход умножителя соединен с входом индикатора.