Устройство для измерения кратковременной нестабильности частоты Советский патент 1984 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в измерительной технике. По основному авт.св. № 779896 известно устройство для измерения крат ковременной нестабильности частоты, содержащее частотомер, последователь но соединенные опорный генератор, смеситель, умножитель,последовательн соединенные синхрогенератор, кипп-; реле и ключ последовательно соедине ные первый генератор задержанных импульсов, первый временной селектор и второй временной селектор, а также второй генератор задержанных импульсов, вход которого подключен к первому выходу синхрогенератора, второй выход последнего соединен с входом пер вого генератора задержанных импульсов, при этом выход второго генератора задержанных импульсов подключен к второму входу второго временного селектора, вьпсод которого соединен с первым входом частотомера, второй вход последнего подключен к выходу первого временного ceлeктopaj второй вход которого соединен с выходом умножителя tl Однако известное устройство имеет недостаточную точность измерения кратковременной нестабильности частоты, проявляющуюся в том, что при измерении кратковременной нестабильности частоты после окончания переходного режима установления колебани накладывается нестабильность частоты обусловленная медленньми ее уходами за счет влияния окружакнцей температу ры и нестабильности питающего напряж нйя на исследуемый кварцевый генератор. Кратковременная нестабильность частоты, измеренная с задержкой посл момента подачи питающего напряжения на исследуемый кварцевый генератор, складывается из самой кратковременно нестабильности частоты, обусловленно различными шумовыми характеристиками генератора, и из нестабильности част ты, обусловленной температурным влия нием и изменением питающего напряжения на элементы кварцевого генератора. Цель изобретения - повышение точности измерения кратковременной наст бильности частоты. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерений кратковременной нестабильности часто ты, содержащее частотомер, последовательно соединенные опорный генератор, смеситель, умножитель, последовательно соединенные синхрогенератор, кипп-реле и первый ключ, последовательно соединенные первый генератор задержанных импульсов, первый временной селектор и второй временной селектор, а также второй генератор задержанных импульсов, вход которого подключен к первому выходу синхрогенератора, второй выход последнего -соединен с входом первого генератора задержанных импульсов, при этом выход второго генератора задержанных импульсов подключен к второму входу второго временного селектора, выход которого соединен с первым входом частотомера, второй вход последнего подключен к выходу первого временного селектора, второй вход которого соединен с выходом умножителя, введены последовательно соединенные детектор, усилитель постоянного тока (УПТ), триггер, ключ и блок управления, а также последовательно соединенные эталонный генератор и фазовый детектор, причем выход фазового детектора соединен с вторым входом ключа, а второй вход фазового детектора соединен с входом детектора и выходом умножителя, второй вход которого подключен к выходу эталонного генератора, при этом второй вход триггера соединен с вторым выходом синхрогенератора, а выход блока управления соединен с входом опорного генератора. На чертеже изображена схема устрой ства. Синхрогенератор 1 соединен с входом кипп-реле 2, выход которого соединен с первым входом первого ключа 3, к второму входу последнего подсоединен источник 4 питания, выход ключа 3 подключён к исследуемому генератору 5, выход которого подсоединен к первому входу смесителя 6, к второму входу последнего подсоединен выход опорного генератора 7, выход смесителя 6 через умножитель 8 подключен к первому входу первого временного селектора 9, выход которого подключен к первому входу частотомера 10, первый выход синхрогенератора 1 через генератор 11 задержанных импульсов подключен к второму входу первого временного селектора 9, второй выход синхрогенератора 1 через последовательно соединенные генератор 12 задержанных импульсов, второй временный , селектор 13 подсоединен к второму входу частотомера 10, выход первого временного селектора 9 соединен с вт рым входом второго временного селектора 13, выход умножителя 8 соединен с входом последовательно соединенной цепочки, состоящей из детектора 14, усилителя 15 постоянного тока (УПТ), триггера 16 и второго ключа 17, второй вход ключа 17 соединен с выходом фазового детектора 18, первый вход которого соединен с выходом умножите , ля В, а второй вход фазового детекто ра 18 соединен с выходом эталонного генератора 19, выход которого также соединен с вторым входом умножителя 8, выход ключа 17 через блок 20 упра ления соединен с входом опорного генератора 7, второй вход триггера 16 соединен с вторьм выходом синхрогенератора 1. Устройство работает следующим образом. Запускающий импульс с синхрогенератора.поступает на кипп-реле 2, генераторы 11 и 12 запускающих импульсов и второй вход триггера 16. Киппреле 2 формирует бланкирующий импуль который открывает ключ 3. Через последний напряжение питания с источника 4 питания поступает на исследу мый генератор 5. Длительность бланки рующего импульса с кипп-реле 2 определяет время, в течение которого напряжение питания с источника 4 питания через ключ 3 подается на исследу мый генератор 5. Длительность бланки рующего импульса устанавливается на кипп-реле от 0,5 с и более. Запускаю щий импульс с синхрогенератора 1 запускает триггер 16, импульс с которо го (с уровнем логической единицы) / поступает на ключ 17 и закрывает era I Сигнал с исследуемого генератора 5 поступает на смеситель 6, где смешивается с сигналом опорного генератор 7. Выходной сигнал разностной частоты со смесителя 6 многократно умнот жается умножителем 8 после смещения с частотой от эталонного генератора 19. Сигнал с умножителя 8 поступает параллельно на вход фазового детектора 18, детектора 14 и временного селектора 9. На второй вход фазового детектора поступает сигнал с эталонного генератора 19. С выхода фазового детектора 18 сигнал поступает на второй вход ключа 17. Сигнал с фазового детектора не проходит на выход ключа 17, следовательно не изменяется емкость варикапа в блоке 20 управления частоты при наличии выходного импульса с уровнем логической единицы с триггера 16. Опорный генератор 7 при отключении по выходу фазового детектора 18 от блока 20 управления частоты работает на средней частоте, определяемой средним значением емкости варикапа блока 20 управления частоты. На выходе детектора 14 вьщеляется огибающая переходного процесса (уста новления колебаний) исследуемого генератора 5, которая усиливается УПТ 15и поступает на первый вход триггера 16. Как только нарастанмций по амплитуде сигнал на выходе УПТ 15 достигает установившегося значения на первом входе триггера 16 триггер перебрасывается в состояние логического нуля, ключ 17 открывается и сигнал с фазового детектора 18 поступает на блок 20 управления частоты, в результате чего изменяется средняя емкость варикапа в блоке 20 управления частоты и изменяется частота опорного генератора 7 под изменение частоты иссле дуемого генератора, изменение которой произошло в результате воздействия окружающей температуры или за счет изменения напряжения источника 4 питания. Детектор 14, УПТ 15, триггер 16и ключ 17 выполняют роль задержки включения кольца фазовой подстройки частотыопорного генератора 7, когда кратковременная нестабильность частоты измеряется во время переходного процесса установления колебаний исследуемого генератора 5. Роль кольца фазовой подстройки частоты особенно существенна, когда измерение кратковременной нестабильности частоты исследуемого генератора производится через большое время, после включения источника питания, а кратковременная нестабильность оценивается за довольно большое время измерений (1-3 с). Селектор 9 пропускает сигнал на первый вход частотомера 10 при наличии импульса с генератора 11 на втором входе временного селектора 9. Сигнал на втором входе частотомера 10 поступает при наличии импульса на втором входе временного селектора 13 с генератора 12 задержанных импульсов. Изменяя задержку импульсов с генераторов 11 и 12 задержанных импульсов относительно импульса с синхрогенератора 1, можно проводить измерения кратковременной нестабильности часто ты от момента подачи напряжения пита ния на исследуемый генератор 5 до ег выключения. Время усреднения (измерения) частоты устанавливается на частотомере, Частотомер может вьщавать информацию в виде отсчетов, соответствующих началу и концу времени измерения, за которое определяется кратковременная нестабильность часто ты. В качестве частотомера может быть использован частотомер реверсивного типа. Предлагаемое устройство позволяет повысить точнЬсть измерения кратковременной нестабильности после окончания переходного процесса установле ния колебаний исследуемого генератор за счет того, что медленные уходы частоты исследуемого генератора, обусловленные воздействием окружающе температуры и нестабильностью напряжения источника питания, выбираются кольцом фазовой подстройки частоты. Которое подстраивает частоту опорног генератора 7 под частоту исследуемог генератора 5. Кольцо фазовой подстройки частоты имеет временную задерж ку по его включению, равную дпительности переходного процесса установления колебаний исследуемого генератора, и таким образом не влияет на измерение кратковременной нестабильности частоты при установлении колебанки исследуемого генератора. По сравнению с базовым прибором, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения кратковре менной нестабильности частоты после окончания процесса установления колебаний исследуемого генератора за счет исключения медленных уходов частоты исследуемого генератора,обусловленных воздействием окружающей температуры и нестабильностью напряжения источника питания. Медленные . уходы частоты в устройстве за счет дестабилизирующих факторов выбираются кольцом фазовой подстройки частоты, которое включается после установления амплитуды колебаний исследуемого генератора. Задержка включения фазового детектора выполняется с .помощью детектора, УПТ, триггера и второго ключа. В известном устройстве использован компараторный умножитель частоты 85« типа 47-12. Погрешность измерения длительности периода частотомером определяется известным выражением ±(jJotJk п-Тх относительная нестабильность где УО частоты эталонного кварцевого генератора (для стандарта частоты типа 41-40 t Ю); период повторения меток времени (для частотомера ЧЗ-34А f 100 МГц, т.е. TO 0,01 мкс); длительность периода измеряемой частоты; множитель периода, устанавливаемый на частотомере. Погрешность измерения длительности периода частотомером ЧЗ-34А сигнала частотой f, 10 кГц ( мкс), поступающего с выхода компаратора частоты 47-12, равна « - Тб5Таким образом, абсолютная погрешность измерения частоты 10 кГц с выхода компаратора частоты 47-12, измеренная частотомером 43-34А, равнаи-Л 10 .10 ± 1 Гц С учетом коэффициента умножения N компаратора частоты и при измерении одного периода выходной частоты с компаратора относительное значение погрешности измеряемой частоты составляет, c/. fo где fp- частота сигнала исследуемого кварцевого генератора; N - коэффициент умножения компараторного умножителя. Среднеквадратичная относительная погрешность измерения периода по перому и второму входам частотомера опеделяется вьфажением e«±HdfT7j. Так для исследуемого кварцевого генератора с частотой 170 МГц и при N 10 ± 0,85-10

Медленные уходы частоты исследуемого кварцевого генератора определяются изменением окружающей температуры и нестабильностью напряжения источника питания.. Так, например, если температурный коэффициент частоты генератора i 2 х на , то при изменении окружающей температуры на ± (0,01 - 0,р01)с за 1 с относительный уход частоты исследуемого кварцевого пвнератора составляет + 2(10 iO ). При изменении напряжения источника питания на ±5% от номинального значения относительные уходы частоты составляют ±(1-5) х 10 . При нестабильности источника питания +0,05% за 1 С относительные уходы частоты составляют + (1-5) х 10.

Из приведенных расчетов относительных уходов частоты за счет изменения температуры и питающего напряжения видно, что медленные уходы частоты превышают разрешающую способность измерения кратковременной нестабильности частоты (±0,85 х 10 ) устройства и не позволяют с достаточной точностью измерить кратковременную нестабильность частоты исследуемого генератора, обусловленную шумовыми характеристиками исследуемого генератора. Кроме того, наличие медленных уходов частоты у исследуемого кварцевого генератора не позволяет использовать компараторный умножитель

частоты при больших коэффициентах умножения N. Абсолютный уход частоты исследуемых генераторов для умножителей типа Ч7-5, 47-12 связан с коэффициентом умножения компаратора следующей зависимостью:

J 1000 Гц,

где Д - абсолютный уход частоты

исследуемого генератора от номинального значения; N - коэффициент умножения компаратора.

«Таким образом, при коэффициентах умножения 10 , 10 уход частоты от номинального не должен превьш1ать ± 1 Гц, что .невозможно выполнить , при измерении кратковременной нестабильности у генераторов со сремей . нестабильностью частоты ± 5(10 -10 ) без постоянной подстройки частоты опорного генератора. Введение фазового кольца подстройки частоты опорного генератора, которое включается после установления колеба:ний исследуемого генератора, позволяет повысить точность измерения кратковременной нестабильности частоты за счет исключения из результатов измерения медленных уходов частоты исследуемого генератора и использования больших коэффициентов умножения компараторного умножителя.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРАТКОВРЕМЕННОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ по авт.св. № 779896, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повьшения точности измерения, в него введены последовательно соединенные детектор, усилитель постоянного тока, триггер, ключ и блок управления, а также последовательно соединенные эталонный генератор и фазовый детектор, причем выход фазового детектора соединен с вторым входом ключа, а второй вход фазового детектора - с входом детектора и выходом умножителя, второй вход которого подключен квыходу эталонного генератора, при этом второй вход триггера соединен с вторым выходом синхрогенератора, а выход блока управления - с входом опорного генератора.