УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 1997 года по МПК H03D3/06 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения частоты и для демодуляции частотно-модулированных колебаний в СВЧ-диапазоне.

Наиболее близким к изобретению является устройство для детектирования частотно-модулированных сигналов, содержащее подключенные параллельно к входу устройства интегрирующую и дифференцирующую RC-цепи, к выходам которых подключены два амплитудных детектора, выходы которых подключены к выходам функционального делителя [1]
Благодаря практически линейной зависимости между частотой и выходным напряжением это устройство может использоваться также в качестве устройства для измерения частоты (частотомера).

Однако известное устройство обладает большой погрешностью измерения частоты. Эта погрешность объясняется недостатками амплитудных детекторов, особенно проявляющимися при работе в широком динамическом и частотном диапазоне. Погрешность обусловлена действием следующих факторов:
1. влиянием гармоник контролируемого СВЧ-сигнала, которые, детектируясь в амплитудном детекторе, вносят вклад в постоянную составляющую его выходного сигнала;
2. нелинейностью характеристик амплитудных детекторов, из-за которых изменяется коэффициент передачи амплитудного детектора в зависимости от амплитуды входного сигнала;
3. температурной погрешностью амплитудных детекторов;
4. погрешностью функционального делителя, которая достигает 0,25% при большом динамическом диапазоне изменения входных сигналов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении точности. Этот технический результат достигается тем, что в устройство для измерения частоты, содержащее подключенные параллельно входу интегрирующую и дифференцирующую RC-цепи, к выходам которых подключены два амплитудных детектора, выходы которых подключены к входам функционального делителя, введены генератор переменного напряжения и последовательно соединенные сумматор, генератор с резонатором на железо-иттриевом гранате, фазовый детектор, третий амплитудный детектор, синхронный детектор и усилитель, причем выходы функционального делителя, усилителя и генератора переменного напряжения соединены с входами сумматора, второй вход фазового детектора соединен с входом устройства, управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом генератора переменного напряжения, а вход генератора с резонатором на железо-иттриевом гранате является выходом устройства.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства для измерения частоты. На фиг. 2 представлены графики, поясняющие принцип действия устройства для измерения частоты. На фиг. 3 представлена зависимость напряжения синхронного детектора устройства для измерения частоты от девиации частоты Δf
Устройство для измерения частоты содержит подсоединенные параллельно к входу устройства дифференцирующую RC-цепь 1 и интегрирующую RC-цепь 2, выходы которых через амплитудные детекторы 3 и 4 соответственно подключены к входам функционального делителя 5. Выход функционального делителя 5 соединен с одним из входов сумматора 6, его выход подключен к входу генератора 7 с резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ). Выход генератора 7 соединен с одним входом фазового детектора 8, второй вход которого соединен с входом частотомера. Выход фазового детектора 8 через амплитудный детектор 9 подключен к входу синхронного детектора 10, выход которого через усилитель 11 соединен со вторым входом сумматора 6. Генератор 12 переменного напряжения подключен к третьему входу сумматора 6 и к управляющему входу синхронного детектора 10. Вход генератора 7 соединен с выходом устройства для измерения частоты. Следует заметить, что в качестве частотозависимых цепей 1 и 2 можно использовать не только RC-цепи; возможно использование LC-цепей и отрезков линий передачи.

Блоки 1, 2, 3, 4 и 5 могут быть выполнены так же, как и в [1]
Сумматор 6 может быть выполнен на операционном усилителе по схеме, приведенной в [2] на с. 26.

Генератор 7 с резонатором на ЖИГ может быть выполнен в соответствии со схемой и эскизом, приведенными на рис. 7.13 в монографии [3] на с. 195.

Фазовый детектор 8 может быть выполнен по схеме балансного фазового детектора, приведенной на рис. 4.8 в [3] на с. 106.

Амплитудный детектор 9 может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 5.2, а в учебнике [4] на с. 140.

Синхронный детектор 10 может быть выполнен по схеме балансного фазового детектора, приведенной на рис. 4,7 в [3] на с. 106.

Усилитель П может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1 10 в [2] на с. 128.

Генератор 12 может быть выполнен по схеме, приведенной в монографии [5] на рис. 5.18 на с. 142.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Измеряемая частота f_x с входа устройства поступает на дифференцирующую 1 и интегрирующую 2 RC-цепи. При изменении частоты f_x амплитуда колебаний на выходе дифференцирующей RC-цепи 1 будет увеличиваться с ростом частоты, а амплитуда колебаний на выходе интегрирующей RC-цепи 2 будет, напротив, уменьшаться с ростом частоты. Аналогичным образом постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора 3 будет увеличиваться с ростом частоты, а постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора 4 будет с ростом частоты уменьшаться. Следовательно, постоянное напряжение U₁ на выходе функционального делителя 5, пропорциональное отношению напряжения с выхода амплитудного детектора 3 к напряжению с выхода амплитудного детектора 4, будет также увеличиваться с ростом частоты. Как показано в описании основного изобретения, между измеряемой частотой f_x и выходным напряжением U₁ функционального делителя 5 получается строго пропорциональная зависимость
U₁=K₁•f_x (1)
Однако это имеет место лишь в идеальном случае. В действительности из-за влияния таких факторов, как гармоники измеряемой частоты, нескомпенсированные остатки нелинейности амплитудных детекторов, нескомпенсированные остатки температурной погрешности амплитудных детекторов и погрешность функционального делителя, строгая пропорциональность (1) нарушается. При этом погрешность измерения частоты с помощью этой схемы, состоящей из блоков 1, 2, 3, 4 и 5, может составлять 3 5% Дополнительно введенные блоки предназначены для существенного повышения точности измерения частоты. Для этого используется генератор 7 с резонатором на ЖИГ, у которого пропорциональность между входным напряжением и выходной частотой выдерживается с высокой точностью (±0,05%), ([3] с. 196).

f₀=K₂•U₂ (2)
Коэффициенты преобразования K₁ для устройства по основному изобретению и K₂ для генератора 7 должны быть обратными
K₁ 1/K₂ (3)
Если на вход генератора 7 поступает только напряжение U₁ с выхода делителя 5, то с учетом условия (3) в идеальном случае на выходе генератора 7 получается частота, совпадающая с f_x. Но из-за погрешности, присущей основному изобретению, частота f₀ на выходе генератора 7 будет отличаться от входной частоты f_x на величину
Δf = f_o-f_x (4)
Так как на входы фазового детектора 8 поступают частоты f₀ и f_x, то на его выходе получаем разностную частоту (4). Последующие элементы (амплитудный детектор 9 и синхронный детектор 10) формируют постоянное напряжение U₁₀, которое пропорционально величине Δf и имеет полярность, соответствующую знаку величины Δf. Формируется напряжение U₁₀ так. На выходе фазового детектора имеем сигнал переменного тока, частота которого равна Δf, а амплитуда изменяется в зависимости от Δf следующим образом. При малых значениях амплитуда максимальна, а при увеличении из-за влияния входящего в состав фазового детектора 8 сглаживающего конденсатора, включенного на его выходе, амплитуда уменьшается, стремясь асимпотически к нулю. Аналогичным образом постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора 9 будет наибольшим при Δf ≈0 и будет уменьшаться по мере увеличения . Зависимость напряжения U₉ от Δf приведена на фиг.2. Для того, чтобы определить, на какой ветви (восходящей или нисходящей) кривой, приведенной на фиг. 2, работает устройство в данный момент, введена дополнительная частотная модуляция сигнала. Для этого от генератора 12 переменного напряжения, например, треугольной формы через сумматор 6 на генератор 7 подается небольшое напряжение частотой F, под действием которого частота f₀ изменяется в небольших пределах, что, в свою очередь, приводит к изменению в небольших пределах постоянного напряжения на выходе детектора 9. На фиг. 2 показаны графики изменения частоты Δf и выходного напряжения U₉ от времени для трех случаев: Δf <0, Δf 0 и Δf >0. Как видно из временных зависимостей, при Δf <0 изменения Δf и U₉ совершаются в фазе, а при Δf >0 в противофазе. Переменная составляющая сигнала U₉ частоты F поступает на синхронный детектор 10, на управляющий вход которого подается от генератора 12 сигнал той же частоты F. В зависимости от фазы переменной составляющей сигнала U₉ на входе синхронного детектора получается постоянное напряжение U₁₀ той же полярности, что и знак величины Δf. То есть при работе на восходящей ветви (фиг. 2) получаем на выходе синхронного детектора 10 положительное напряжение, а при работе на нисходящей ветви отрицательное. Если мы работаем в точке Δf 0, то на выходе амплитудного детектора 9 получаем сигнал, не содержащий частоту F, поэтому на выходе синхронного детектора напряжение будет равно нулю. Зависимость выходного напряжения синхронного детектора 10 от Δf представлена на фиг.3.

Напряжение U₁₀ после усиления усилителем II поступает на сумматор 6, где суммируется с напряжением U₁ таким образом, что, если Δf > 0, то полученное напряжение U₁₁ вычитается из U₁, напряжение U₂ уменьшается, следовательно, уменьшается и f₀, что в итоге приводит к уменьшению Δf. Наоборот, если Δf <0, то U₁₁ изменяет знак на противоположный, т.е. теперь уже U₁ складывается с U₁₁, в результате чего растут U₂ и f₀, f₀ приближается к f_x, так что уменьшается. Из сказанного ясно, что элементы 6, 7, 8, 9, 10 и 11 образуют систему авторегулирования, стремящуюся путем изменения U₂ приблизить f₀ к f_x. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 11 расхождение между f₀ и f_x может быть доведено до уровня ± несколько десятых процента. Так как в соотношении (2) существует весьма точная пропорциональность между U₂ и f₀, а f₀ максимально приближена к f_x, используем постоянное напряжение U₂ в качестве напряжения, несущего информацию о измеряемой частоте f_x. Погрешность измерения частоты складывается из вышеупомянутого расхождения между f₀ и f_x и нелинейности характеристики генератора 7 на ЖИГ, т.е. составляет величину порядка нескольких десятых процента, что значительно меньше, чем погрешность устройства по основному изобретению (3 5%).

Таким образом, результаты анализа функциональной схемы предлагаемого устройства для измерения частоты показывают, что точность измерения частоты по сравнению с основным изобретением повышена не менее, чем на порядок.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 471651, кл. НОЗD 3/06, 1969.

2. М. И.Маклюков и др. Применение аналоговых микросхем в вычислительных устройствах. М. Энергия, 1980.

3. Л. Г.Гассанов и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М. РиС, 1988.

4. Н.Н.Буга и др. Радиоприемные устройства. М. РиС, 1986.

5. А. Г. Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. РиС, 1989.

Использование: радиоизмерительная техника; измерение частоты и демодуляция частотно-модулированных колебаний. Устройство для измерения частоты содержит дифференцирующую и интегрирующую RC-цепи 1 и 2, первый и второй амплитудные детекторы 3 и 4, функциональный делитель 5, сумматор 6, генератор 7 с резонатором на железо-иттриевом гранате, фазовый детектор 8, третий амплитудный детектор 9, синхронный детектор 10, усилитель 11 и генератор переменного напряжения 12. Использование в качестве выходного сигнала генератора 7, охваченного экстремальной системой регулирования, стремящейся максимально приблизить частоту генератора 7 к измеряемой частоте, причем на вход генератора 7 также воздействует напряжение с выхода функционального делителя 5, позволяет повысить точность измерения. 3 ил.

Устройство для измерения частоты, содержащее подключенные параллельно к входу устройства интегрирующую и дифференцирующую RC-цепи, к выходам которых подключены два амплитудных детектора, выходы которых подключены к входам функционального делителя, отличающееся тем, что в него введены генератор переменного напряжения и последовательно соединенные сумматор, генератор с резонатором на железо-иттриевом гранате, фазовый детектор, третий амплитудный детектор, синхронный детектор и усилитель, причем выходы функционального делителя, усилителя и генератора переменного напряжения соединены с входами сумматора, второй вход фазового детектора соединен с входом устройства, управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом генератора переменного напряжения, а вход генератора с резонатором на железо-итриевом гранате является выходом устройства.