ПРЕЦИЗИОННЫЙ ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР Российский патент 2017 года по МПК G01R23/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения частоты сигналов, отклонений частоты и фазы от номинального значения, временных интервалов, а также для получения статистических параметров, характеризующих стабильность частоты за различные периоды времени.

Известно достаточно большое количество цифровых частотомеров различных конструкций, в основу работы которых положен подсчет импульсов, возникающих в эталонный интервал времени. Такие частотомеры обладают низкой точностью при малых (не более секунды) эталонных интервалах времени и, кроме того, характеризуются наличием периода времени, называемого «мертвым», как, например, цифровой частотомер, содержащий порт приема импульса измерительного периода, порт приема образцового сигнала, схему синхронизации, счетчик, регистр чтения [Патент США №4984254].

Известен цифровой частотомер, включающий порт приема входного сигнала, преобразующий входной сигнал в последовательность счетных импульсов, первый счетчик, снабженный первым регистром чтения, порт приема импульса измерительного периода и первую схему синхронизации, через которую выход порта приема импульса измерительного периода соединен с входом управления первым регистром чтения, также он содержит образцовый генератор, формирующий образцовые импульсы, второй счетчик, снабженный вторым регистром чтения, средство обработки и индикации, а также инвертор и вторую схему синхронизации, при этом порт приема входного сигнала соединен через вторую схему синхронизации с тактовым входом первого счетчика, образцовый генератор соединен с тактовым входом второго счетчика, с тактовым входом второй схемы синхронизации и через инвертор с тактовым входом первой схемы синхронизации, вход управления вторым регистром чтения соединен с выходом первой схемы синхронизации, а выходы каждого счетчика соединены через соответствующие им регистры чтения со средством обработки и индикации [Патент РФ №2210785]. В этом частотомере введена сложная схема: второй формирователь импульса ошибки, второй канал измерения длительности и схема селекции несовпадения. Недостатком этого частотомера является сложность его конструкции.

Известен приемник-компаратор с фазовым детектором, включающий приемное устройство, фазометрическую систему и образцовый генератор [Справочник по радиоизмерительным приборам. Под ред. B.C. Насонова, Том 2 "Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы" – М.: Советское радио, 1977. - стр. 9, рис. 1.5]. Этот приемник-компаратор позволяет получать очень узкую полосу пропускания системы и высокое отношение сигнал/шум на выходе. Неопределенность знака отклонения частоты, очень узкий рабочий диапазон частот и большое время измерения являются его недостатками.

Наиболее близкими к заявленному техническому решению является частотомер, содержащий замкнутую систему авторегулирования, в которую входят фазовый детектор, генератор образцовой частоты, двоичный реверсивный счетчик, состояние выходов которого является двоичным представлением результата измерения, двоичный счетчик с управляемым коэффициентом деления [Патент США №4144489], который принят за прототип изобретения.

Частотомер, принятый за прототип, состоит из полностью цифровой замкнутой системы пропорционального регулирования с цифровым интегратором на двоичном реверсивном счетчике. На вход системы подается сигнал неизвестной частоты. Элементом сравнения является фазовый детектор. Выходные сигналы фазового детектора управляют состоянием реверсивного счетчика так, чтобы убрать различие в частоте между неизвестным сигналом и сигналом, полученным с выхода двоичного счетчика с управляемым коэффициентом деления. В свою очередь, двоичный параллельный код с выхода реверсивного счетчика поступает на выход как результат измерения и одновременно подается на управляющие входы счетчика с управляемым коэффициентом деления, изменяя тем самым его выходную частоту, а система регулирования постоянно приближает ее к входной неизвестной частоте. Зная коэффициент деления двоичного счетчика с управляемым коэффициентом деления и значение опорной частоты, легко получить значение его выходной частоты, а если система регулирования сравняла эти частоты, то на выходе получено условное значение входной неизвестной частоты.

Прототип имеет следующие недостатки:

- использование в работе исключительно фазового детектора с последующим фильтром нижних частот, что обуславливает его работу в сравнительно узком диапазоне входных частот (менее половины октавы) и полную непригодность как частотомера в широком диапазоне входных частот из-за наличия фильтра низких частот на выходе фазового детектора;

- наличие пропорциональной сигналу ошибки отрицательной обратной связи мешает быстродействию при высокой точности, в результате чего необходимо выбирать меньшую точность при высоком быстродействии или, наоборот, низкое быстродействие при большей точности;

- наличие единственного источника сигнала ошибки - фазового детектора - исключает возможность работы в октавном диапазоне и более, так как может привести к ошибке в несколько раз.

Заявляемое изобретение решает задачу создания цифрового частотомера, имеющего повышенную точностью измерений и сокращенное время измерения, а также работающего в октавном и более диапазоне частот.

Поставленная задача решается тем, что предлагается цифровой частотомер, включающий входной формирователь прямоугольных сигналов, фазовый детектор, генератор образцовой частоты, блок обработки информации, индикации и управления, который содержит также частотный компаратор, синтезатор, снабженный формирователем прямоугольных сигналов, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, причем входом частотомера является вход входного формирователя прямоугольных сигналов, а выход названного формирователя соединен с первым входом частотного компаратора и первым входом фазового детектора, названный частотный компаратор имеет два выхода, соединенных с первым и вторым входами микроконтроллера, синтезатор соединен своим выходом с входом формирователя прямоугольных сигналов синтезатора, а первым своим входом он соединен с первым выходом микроконтроллера, а вторым своим входом - с первым выходом генератора образцовой частоты, названный генератор образцовой частоты вторым своим выходом связан с третьим входом микроконтроллера, а названный микроконтроллер вторым своим выходом соединен с входом средства обработки управления и индикации, при этом выход формирователя прямоугольных сигналов синтезатора связан со вторыми входами частотного компаратора и фазового детектора, а выход фазового детектора связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, а выход блока обработки информации, индикации и управления связан с пятым входом микроконтроллера.

Блоком обработки информации, индикации и управления может являться ЭВМ.

Предлагаемый частотомер изображен на фиг. 1 , где: 1 - входной формирователь прямоугольных сигналов, 2 - частотный компаратор, 3 - формирователь прямоугольных сигналов синтезатора, 4 - синтезатор, 5 - фазовый детектор, 6 - генератор образцовой частоты, 7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 8 - микроконтроллер, 9 - блок обработки информации, индикации и управления.

На фиг. 2а и 2б показано соответственно выходное напряжение фазового детектора и выходное напряжение частотного компаратора при несовпадении частот на одной временной оси.

Устройство работает следующим образом.

На вход формирователя прямоугольных сигналов 1 поступает неизвестная частота Fx. Входной формирователь 1 из входного сигнала формирует прямоугольные импульсы той же частоты. Обычно это меандр. Прямоугольные импульсы далее поступают на первый вход частотного компаратора 2 и параллельно на первый вход фазового детектора 5, также параллельно на вторые входы частотного компаратора 2 и фазового детектора 5 поступают прямоугольные импульсы с выхода формирователя прямоугольных сигналов синтезатора 3, на вход которого подается сигнал с выхода синтезатора 4 с выходной частотой Fs (обычно меандр). С выхода "больше" и выхода "меньше" частотного компаратора 2 соответствующие сигналы сравнения, определяющие знак разности частот Fx и Fs, поступают на микроконтроллер 8. С выхода фазового детектора 5 аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 7 и также поступает на микроконтроллер 8. Необходимо отметить, что на вход синтезатора 4 подается сигнал образцовой частоты F с генератора образцовой частоты 6, а управление синтезатором производится тем же микроконтроллером 8. Кроме того, на микроконтроллер 8 подается эталонная частота для синхронизации таймеров, участвующих в формировании временных меток, необходимых для расчета поправки к частоте синтезатора для вычисления истинного значения частоты. Блок обработки информации, индикации и управления 9 совместно с микроконтроллером 8 обеспечивает оперативное управление работой частотомера, организует получение данных от аналого-цифрового преобразователя и частотного компаратора, обработку полученных данных и индикацию результатов, полученных в ходе проведенных измерений и вычислений, в наиболее удобном виде. Также в блоке обработки информации, индикации и управления 9 производится вычисление суммарного значения частоты - значения частоты синтезатора и значения поправки частоты, полученной в результате вычисления (приращение фазы за измеряемый период, деленное на значение временного интервала измерения).

Микроконтроллер 8 служит для управления процессом измерения в реальном масштабе времени.

Если входной сигнал выходит за пределы рабочих частот частотного компаратора и фазового детектора, а также частот, формируемых синтезатором, необходимо либо поделить один из сигналов, либо сдвинуть его по частоте в рабочую область - сделать так, чтобы входная частота Fx находилась в диапазоне частот, перекрываемом синтезатором, частотным компаратором и фазовым детектором.

В исходном состоянии значение частоты на выходе синтезатора устанавливается в середину измеряемого диапазона частот. Параллельно частотному компаратору 2 включен фазовый детектор 5. Частотный компаратор 2 формирует прямоугольные импульсы при проходе разности фаз сравниваемых сигналов через 0 градусов и через 180 градусов, либо на выходе "больше", либо на выходе "меньше", в зависимости от знака разности сравниваемых частот. Частота этих импульсов равна удвоенной разности сравниваемых частот. В промежутке между этими импульсами на этих выходах напряжение равно "0", что соответствует знаку "равно" (фиг. 2б).

Фазовый детектор 6 формирует пилообразное напряжение в промежутке между импульсами на выходе частотного компаратора 2, и оно соответствует мгновенной разности фаз между сравниваемыми сигналами (фиг. 2а).

Микроконтроллер 8 через аналого-цифровой преобразователь 7 последовательно производит несколько чтений значений напряжения на выходе фазового детектора 5 для быстрой оценки величины разности частот Fx (неизвестная частота) и Fs (частота, синтезированная из опорной частоты). Если микроконтроллер 8 успевает несколько раз прочитать из аналого-цифрового преобразователя 7 значения напряжений на выходе фазового детектора 5 (при отсутствии сигналов "больше" и "меньше"), то можно произвести оценку разности частот (без знания знака разности частот). Зная разность двух или нескольких усредненных последовательно считанных отсчетов фазы (dФ) и величину временного интервала между чтениями этих значений (dt), можно рассчитать величину разности частот Fx и Fs.

Получив значение разности двух частот, можно изменить частоту на выходе синтезатора, к примеру, на половину этой разности, произвольно в ту или иную сторону, вновь определить наклон пилы на выходе фазового детектора 5 и, соответственно, величину разности в значениях частот Fx и Fs.

Далее возможно получение разных результатов.

Если крутизна пилы на выходе фазового детектора уменьшилась (теоретически - в два раза), значит, произошел сдвиг по частоте в нужном направлении, и теперь известно, в каком направлении и как далеко от неизвестной частоты находится синтезатор и сама величина разности.

Если произошло движение в противоположном направлении от неизвестной частоты (крутизна пилы на выходе фазового детектора увеличилась, или аналого-цифровой преобразователь не успевает провести измерения, и формируется сигнал с выхода частотного компаратора), то известна величина и знак разности частот. Тогда можно сразу сделать сдвиг синтезатора 4 по частоте на величину оставшейся разности в частоте и добиться минимальной разности в частоте Fx и Fs.

Также можно последовательно приближаться синтезатором к неизвестной частоте по какому-либо закону.

Для выхода на прецизионный уровень измерений частоты необходимо еще несколько раз последовательно произвести измерения наклона пилы на выходе фазового детектора 5 и приблизиться к постоянной разности фаз между сигналами Fx и Fs, чему соответствует горизонтальное положение пилы на выходе фазового детектора или с минимальным наклоном - все определяется дискретностью изменения частоты синтезатора, временной и температурной нестабильностью, а также фазовыми шумами примененных компонентов.

Здесь необходимо всегда иметь в виду, что при скачках частоты можно попасть в нерабочую зону фазового детектора и постоянно контролировать это состояние. Также постоянно надо следить за тем, чтобы результаты измерения фазовым детектором проводились на одном из склонов пилы, и если произошел переход на другой склон пилы или через него, необходимо произвести измерения заново.

Описанный вариант работает при сравнительно небольшой разнице в частоте между сигналами Fx (неизвестный) и Fs (выход синтезатора). При большой разности в частоте микроконтроллер может не успеть сделать несколько измерений на одном наклоне пилы, тогда начинает работать частотный компаратор, формируя свои импульсы сравнения частот Fx и Fs. Это импульсы Fx больше Fs, либо импульсы Fx меньше Fs. Эти импульсы также говорят о том, что, возможно, сменился склон пилы на выходе фазового детектора и фазовые измерения необходимо начать заново.

По этим импульсам можно однозначно принять решение о знаке разности частоты и, соответственно, изменить частоту на выходе синтезатора в сторону сигнала Fx, приблизив ее к нему, например, по методу последовательных приближений. По временной разнице в приходе этих импульсов можно оценить величину разницы частот Fx и Fs и сделать шаг в частоте в нужную сторону на эту величину, сократив тем самым время измерения. Сигналы с выхода частотного компаратора имеют более высокий приоритет, так как аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер имеют меньшее быстродействие и не успевают отработать эту разницу в частоте. Кроме того, эти импульсы говорят о том, что фазовый детектор работает в нежелательной зоне и лучше всего изменением фазы или частоты синтезатора вернуть его середину линейной характеристики. По мере приближения частоты синтезатора Fs к частоте неизвестного сигнала Fx импульсы на выходе "больше" и на выходе "меньше" становятся реже (они пропорциональны разностной частоте), а скорость изменения пилы на выходе фазового детектора все меньше и меньше, приближаясь в конце концов к горизонтальной. При этом все чаще и чаще успевает работать канал АЦП измерения фазы. На конечном участке измерений желательно проводить измерения в середине линейной области фазового детектора.

Реально на практике частотный компаратор 2 и фазовый детектор 5 работают последовательно. Сначала работает частотный компаратор (разница в частоте большая - до сотен мегагерц), затем фазовый детектор (разница в частоте несколько килогерц и менее, в пределе достигает величины в несколько микрогерц). По окончании измерения (достигнута предельная точность установки частоты синтезатора) изменением фазы или кратковременными изменениями частоты синтезатора устанавливается рабочая точка фазового детектора - в середину его линейной характеристики, и синтезатор фиксирует свое состояние. Теперь на выходе фазового детектора виден дрейф фазы между неизвестным сигналом и сигналом с выхода синтезатора 4, частоту которого мы знаем довольно точно. Этот дрейф фазы после прохождения через аналого-цифровой преобразователь 7 поступает на микроконтроллер 8 и далее поступает на блок обработки информации, индикации и управления 9, где после соответствующей обработки используется для наблюдения дрейфа фазы и для расчета соответствующей поправки к частоте синтезатора (на величину наклона фазового дрейфа за фиксированный интервал времени dФ/dt), так как по графику дрейфа фазы легко рассчитать поправку по частоте, равную величине изменения фазы за время измерения. Для уточнения знака поправки необходимо увеличить или уменьшить частоту синтезатора на несколько минимальных шагов синтезатора и связать отклонения частоты и фазы по знаку. Можно наблюдать так называемое "мгновенное значение частоты" (что недоступно в других цифровых частотомерах), дрейф частоты (производная фазы по времени) и, собственно, изменения самой фазы сигнала Fx.

Испытания показали, что устройство обеспечивает точность измерения частоты входных сигналов за 1 с до значений лучше 1⋅10^-13 (девиация Аллана), а за интервал 100 с девиация Аллана составила величину 2⋅10^-15 при рабочей зоне входных частот от долей мегагерц до сотен мегагерц. В эксперименте использовался DDS синтезатор на базе микросхемы AD9912.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения частоты сигналов, отклонений частоты от номинального значения, временных интервалов, а также для получения статистических параметров, характеризующих стабильность частоты за различные периоды времени. Предложенный цифровой частотомер, включающий входной формирователь прямоугольных сигналов, фазовый детектор, генератор образцовой частоты, согласно изобретению содержит частотный компаратор, синтезатор, снабженный формирователем прямоугольных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и блок обработки информации, индикации и управления. Технический результат - повышение точности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Цифровой частотомер, включающий входной формирователь прямоугольных сигналов, фазовый детектор, генератор образцовой частоты, блок обработки информации, индикации и управления, отличающийся тем, что он содержит также частотный компаратор, синтезатор, снабженный формирователем прямоугольных сигналов, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, причем входом частотомера является вход входного формирователя прямоугольных сигналов, а выход названного формирователя соединен с первым входом частотного компаратора и первым входом фазового детектора, названный частотный компаратор имеет два выхода, соединенных с первым и вторым входами микроконтроллера, синтезатор соединен своим выходом с входом формирователя прямоугольных сигналов синтезатора, а первым своим входом он соединен с первым выходом микроконтроллера, а вторым своим входом - с первым выходом генератора образцовой частоты, названный генератор образцовой частоты вторым своим выходом связан с третьим входом микроконтроллера, а названный микроконтроллер вторым своим выходом соединен с входом средства обработки управления и индикации, при этом выход формирователя прямоугольных сигналов синтезатора связан со вторыми входами частотного компаратора и фазового детектора, а выход фазового детектора связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, а выход блока обработки информации, индикации и управления связан с пятым входом микроконтроллера.

2. Цифровой частотомер по п. 1, отличающийся тем, что блоком обработки информации, индикации и управления является ЭВМ.