Частотный дискриминатор Советский патент 1984 года по МПК H03D3/28 

Изобретение относится к радиотехнике И предназначено для демодуляции ЧМ-сигналов, а также для использова.НИН в точных измерителях частоты, работающих в широком диапазоне воздействующих дестабилизирующих факторов . Известен частотный дискриминатор содержащий входной ключевой коммутатор, управляемый генератором тактовых импульсов, выход которого через последовательно соединенные формирователь импульсов и резистор подключен к входу выходного ключевого коммутатора, управляемого генератором тактовых импульсов, причем каждый из выходов выходного ключевого коммутатора соединен с входом преобразователя длительности в напряжение, выходы которых подключены к входам выходного дифференциального усилителя постоянного тока. В этом дискрими наторе задача повышения стабильности нулевой точки амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) решена за счет компенсации ошибок, возникаюпщх при обработке сигнала и опорной частоты разными формирователями импульсов 1. Недостатком известного дискримина тора является недостаточно высокая стабильность опорной точки АЧХ, вызванная различиями в величинах коэффициентов передачи канальных пре образователей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является частотный дискриминатор, содержащий соединенные последовательно первый коммутатор входных сигналов, управпяютя е входы которого подключены к парафазным выходам генератора тактовых импульсов, формирователь импульсов постоянной длительности и фильтр нижних частот, а также первьй амплитудно-фазовый детектор, опорный вход которого соединен с одним из выходов генератора тактовых импульсов 2. Данный частотный дискриминатор обладает недостаточной величиной кру тизны и стабильности дискриминацион ной характеристики. Цель изобретения - увеличение крутизны и стабильности дискриминационной характеристики. Поставленная цель достигается тем, что в частотный дискриминатор. 27- 2 содержащий соединенные последовательно первый коммутатор входных сигналов, упра,вляющие входы которого подключены к парафазным выходам генератора тактовых импульсов, формирователь импульсов постоянной длительности и фильтр нижних частот, а также первьй амплитудно-фазовьм детектор, между выходом фильтра нижних частот и входом первого амплитудно-фазового детектора введены последовательно соединенные первый блок устранения постоянной составляющей, первый сумматор, полосовой усилитель с регулрфовкой усиления, второй амплитудно-фазовый детектор и второй блок устранения прстоянной составляющей, при этом между выходом и управляющим входом полосового усилителя с регулировкой усиления введены последовательно соединенные второй коммутатор, первый амплитудный детектор, первый блок выборки-хранения, второй сумматор и инвертирующий интегратор на операционном усилителе, неинвертирующий вход которого подсоединен к источнику опорного напряжения, а между вторым выходом второго коммутатора и вторым входом второго сумматора включены последовательно соединенные второй амплитудный детектор и второй блок выборки-, хранения, причем между выходом генератора тактовьк импульсов и объединенными между собой управляющими входами второго коммутатора, второго блока выборки-хранения и опорным входом первого амплитудно-фазового детектора включен делитель частоты, инверсный выход которого соединен с управляюш {м входом первсзго блока выборки-хранения, а между парафазными выходами генератора тактовых импульсов и объединенными между собой вторым входом первого сумматора и опорным входом второго амплитудно-фазового детектора включен третий коммутатор, управляющий вход которого соединен с прямым выходом делителя частоты. На фиг. 1 представлена структур-, ная электрическая схема предлагаемого частотного дискриминатора на фиг. 2-5 - временные диаграммы его работы. Частотный дискриминатор содержит первый коммутатор 1 входных сигналов, генератор 2 тактовых импульсов, формирователь 3 импульсов постоянной 3 .длительности, фильтр 4 нижних частот первый амплитудно-фазовьй детектор 5 первый блок 6 устранения постоянной составляющей, первый сумматор 7, усилитель 8 с регулировкой усиления, второй амплитудно-фазовьй детектор 9, второй блок 10 устранения постоян ной составляющей, второй коммутатор 11, первьм амплитудный детектор 12, первый блок 13 выборки-хранения, второй сумматор 14, инвертирующий интегратор 15 на операционном усилителе 16, источник 17 опорного напряжения, второй амплитудный детектор 18, второй блок 19 выборки-хранения делитель 20 частоты, третий коммутатор 21. Частотньй дискриминатор работает следующим образом. Первый коммутатор 1 поочередно подключает (фиг.2а. За) вход формирователя 3 импульсов постоянной длительности то к источнику входного сигнала, то к источнику сигнала эталонной частоты. Так как первый, коммутатор 1 на каждые полпериода тактовой частоты подключает к входу формирователя 3 импульсов постоянной длительности либо источник сигнала входной частоты f, либо источник сигнала эталонной частоты , то на входе формирователя 3 присутству ют пачки меандров, частоты которых в общем случае, т.е. при fc / различны от пачки к пачке (фиг.2Ь, 35). Формирователь 3 импульсов пост янной длительности, формирует из поступающих на его вход меандров импульсы фиксированной длительности (фиг.26, ЗЬ), в результате чего скважность импульсных последователь ностей изменяется при изменении час тоты входного сигнала fg внутри пач ки It. 12 и остается постоянной внутр пачки Тк/2 сигнала эталонной частоты f 4т На выходе фильтра 4 нижних часто образуется постоянное напряжение, пропорциональное постоянной составляющей, содержащейся в пачках на ин тервалах Тц/2 (фиг.2г, Зг). Огибающая выходного напряжения с выхода фильтра 4 нижних частот изменяется .в зависимости от того, что больше; fc f,T и-пи fet fc- При ft - f огибающая будет представлять собой чисто постоянное напряжение, а пере 274 менная составляющая напряжения ошибки будет равна нулю. Напряжение ошибки, т.е. переменная составляющая сигнала Тк, пропорциональная отклонению f от f;,,. , отделяется от постоянной составляющей с помощью блока 6 устранения постоянной составляющей (фиг-.2(3, Зо) и, суммируясь когерентно с напряжением частоты l/Tt, поступающей с выхода генератора 2 тактовых импульсов через третий коммутатор 21, поступает на вход полосового усилителя 8, где усиливается и постзтает на вход второго амплитудно-фазового детектора 9. При этом третий коммутатор 21 подает на вход первого сум-t матора 7 пачки импульсов тактовой частоты, имеющих вид фазоманипулированных пачек, т.е. с заполнением пачек изменяющихся на 180 от одного полупериода до другого полупериода (фиг.4Ь и фиг.5Ь). Эти пачки импульсов коммутации когерентны с импульсами генератора 2 тактовых импульсов, так как делитель 20 частоты формирует на своем выходе импульсы, образованные из поделенных в целое число раз импульсов с выхода генератора 2 тактовых импульсов (фиг.4а и фиг.5а). Импульсы с выхода блока 6 устранения постоянной составляющей суммируются когерентно с импульсами той же длительности, но постоянной амплитуды с выхода третьего коммутатора 21. При этом суммирование будет зависеть как от амплитуды импульсов с выхода блока 6 устранения постоянной составляющей, которая пропорциональна разности частот f и f так и от их фазы (фиг.4г, 5г). Просуммированный сигнал после усиления полосовым усилителем поступает на один вход второго амплитудно-фазового детектора 5, на другой вход которого поступает опорное напряжение, такое же, как на вход первого сумматора 7 (фиг.4Ь и 5Ь). Напряжение на выходе второго амплитудно-фазового детектора 9 будет зависеть как от амплитуды и фазы сигнала с выхода блока 6 устранения постоянной составляющей (фиг.45, 58), так и от фазы опорных импульсов внутри пачек импульсов Тл/2п (фиг.4А, 5А). Второй блок 10 устранения постоянной составляющей осуществляет $1 вьиеление переменной составляющей из сигнала (фиг.Ае и 5е), величина которого пропорцинальна разности частот, а фаза по отношению к сигналу с выхода делителя 20 частоты зави сит от выполнения неравенства ftf tyt.nK fo fit (фиг.Ае и 5е) что виднр из сравнения фиг,4о-с фиг. 4еи фиг. 5о-с фиг.Зе. Напряжение на выходе второго a шлитyднo-фaз вого детектора 10 будет пропорционально как разности частот fc и , так и знаку их разности (фиг.жи 5ж Крутизна дискриминационной характеристики зависит от коэффициента усиления полосового усилителя 8 и может регулироваться изменением его коэффициента усиления, а,стабильност опорной точки дискриминационной характеристики зависит от стабильности If , которая в случае иcпoльзoвaJния кварцевого генератора может быть очень высокой. Сигнал с выхода полосового усилителя 8 подается через второй коммутатор 11 поочередно на входы амплитудных детекторов 19 и 18, напряжения с выходов которых поочередно запоминаются блоками 13 и 19 выборки-хранения и подаются на второй сумматор 14. При этом на выходе сумматора 14 всегда будет напря жение, пропорциональное величине напряжения генератора 2 тактовых импульсов и коэффициенту усиления поло ового усилителя 8 и не зависящее от уровня сигнала с выхода первого блока 6 устранения постоянной состав ляющей (фиг.4д и ЗА). Это объясняет ся тем, что сумма данных напряжений в течение периода Ти/п не изменяется, а изменяется лишь их разность при изменении ft относительно f ;,f . Сигнап с выхода второго сумматора 14 сравнивается с напряжением источника 17 опорного напряжения, усиливается и одновременно интегрируется, благодаря включению конденса тора в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 16, jVtn обеспечения устойчивости замкну той систеьо автоматического регули.рования, и поступает на зп1равляюш й вход полосового усилителя 8. Изменяя величину опорного напряжения , регулируют величину усиления полосового усилителя 8 и, следова7тёльно, крутизну дискриминационной характеристики частотного дискриминатора. Вместоамплитудных детекторов 12 и 18 могут бьп-ь применены синхронные фазовые детекторы. Значение тактовой частоты генератора 2 тактовых импульсов выбираются исходя из ожидаемой частоты входного сигнала и скорости ее изменения. За время, равное одному периоду Т ( генератора 2, к входу частотного дискриминатора подключается источник входного сигнала fc и источник эталонного сигнала fjr . При этом длительность Т, должна быть выбрана такой, чтобы количество периодов входного измеряемого или эталонного сигналов бьшо не менее 7-10 периодов за время Т /2. Чем больше периодов входного сигнала укладьтается за время Тк/2, тем вьш1е точность детектирования, однако быстродействие при этом снижается. Увеличение количества импульсов свьнпе 10-15 практически не сказывается на повьш1ении точности детектирования. Величина коэффициента для делителя 20 выбирается исходя из скорости изменения частоты входного сигнала, быстродействия амплитудных детекторов и скорости изменения коэффициента передачи усилителя 8, которая, как правило, имеет очень низкое значение. Поэтому основным фактором является скорость изменения частоты входного сигнала и приемлемым значением является величина коэффициента деления . Таким образом, в частотном дискриминаторе действует система автомати,ческой регулировки усиления, не влияющая на амплитудные изменения сигнала, характеризующего отKJtoнекие частоты от эталонной f эт Технико-экономические преимущества предлагаемого частотного дискриминатора по сравнению с известным заключается в увеличении чувствительности в 100-1000 раз, увеличении крутизны дискриминационной характеристики на 30-40 дБ при сохранении ее стабильности с погрешностью 1% при воздействии температуры от -50 до +120 С, а также в повышении точности измерения откпонения частоты.

ЧАСТОТНЫЙ ДИСКРИМИНАТОР, содержащий соединенные последовательно первый коммутатор входных сигналов, управляющие входы которого подключены к парафазным выходам генератора тактовых импульсов, формирователь импульсов постоянной длительности и фильтр нижних частот, а также первый амплитудно-фазовый детектор, отличающийся тем, что, с целью увеличения крзтизны и стабильности дискриминационной характеристики, между выходом фильтра нижних частот и входом первого амплитудно-фазового детектора введены последовательно соединенные первый блок устранения постоянной составляющей, первый сумматор, полосовой усилитель с регулировкой усиления, второй амплитудно-фазовый детектор и второй блок устранения постоянной составляющей, при этом между выходом и управляющим входом попосо-; вого усилителя с регулировкой усиления введены последовательно соединенные второй коммутатор, первьй амплитудньй детектор, первьй блок выборки-хранения, второй сумматор и инвертирующий интегратор на операционном усилителе, неинвертирующий вход которого подсоединен к источнику опорного напряжения, а между вторым вькодом второго коммутатора.и вторым входом второго сумматора включены последовательно соединенные второй амцлитудный детектор и i второй блок выборки-хранения, причем между выходом генератора такто(/) вых импульсов и объединенными между собой управляюпщми входами второго коммута тора, второго блока выборкихранения и опорным входом первого амппитудно-фазового детектора включен делитель частоты, инверсный выход которого соединен с управляющим входом первого блока выборкихранения, а между парафазными выходами генератора тактовых импульсов и объединенными между собой вторым входом первого сумматора и опорным входом второго амплитудно-фазового Детектора вклмчен третий коммутатор уЛравляющий вход которого соединен с, прямьм выходом делителя частоты.

Й/г.2

uj.3 Гк/2п тЛ ТкПп Фаг-5