Панорамный измеритель частоты Советский патент 1986 года по МПК G01R23/00 

тельной технике и предназначено для совместного измерения частот нескольких одновременно наблюдаемых монохроматических колебаний. Цель изобретения - расширение функхщональных возможностей устройства. На фиг.1-3 представлены структурные схемы панорамного измерителя частоты, БЗУ и генератора .продвигающих импульсов, соответственно. Панорамный измеритель частоты содержит квадратурный преобразователь 1 частоты, квадратурный генератор 2, задающий генератор 3 сигналов дискретизации, два АЦП 4, БЗУ 5, решающий блок 6 и блок 7 управления. Сигнальный вход квадратурного пре образователя 1 соединен через ключ блока управления с входом устройства, управляющие входы преобразователя 1 - с выходами генераторов 2 и 3. Сигнальные входы АЦП 4 подключены соответственно к синфазному и квадратурному выходам преобразователя I,а выходы - к информационным выходам БЗУ 5, управляющий вход которого подсоединен к выходу генер атора 3. Информационные выходы БЗУ 5 соединены с соответствующими входами решающего блока 6, первый и второй управляюнще входы которого подключены к соответствующим выходам блока 7 управления, а третий - к выходу генератора 3. Блок 7 управления содержит последоватепьно соединенные источник 8 постоянного напряжения (ИПН), ключ 9 дифференцирующий усилитель-формирователь (ДУФ) 10, одновибратор 11, и ключ 12, а также блок 13 выделения заднего фронта импульса, вход которо го соединен с выходом одновибратора II.Сигнальный вход и выход ключа 12,выход блока 13 и выход ДУФ 10 служат соответствующими входами и вы ходами блока управления, БЗУ 5 содержит генератор 14 продвигающих импульсов и две идентичные цепочки 15 и 16, состоящие из последовательно соединенных сдвигающих регистров 17.. Каждая цепочка состоит из (1+1) последовательно соединенньк сдвигающих регистров, при этом выход 55

переноса единицы из старшего разряда каждого из сдвигающих регистров, за исключением (1+1)-го регистра каждой

выхода источника 8 постоянного напряжения поступает через ДУФ 10 (на выходе которого вьделяется прямоугольвходу переноса в м-иадший разряд следующего (в цепочке) сдвигающего регистра, управляющий вход БЗУ 5 подключен к одноименному входу генератора 14 продвигающих импульсов и входам управления записью первых сдвигающих регистров каждой из цепочек, выход генератора 14 соединен с входами управления сдвигом каждого из регистров, информационные выходы которых соединены с одноименными выходами БЗУ, информационные рходы первых сдвигающих регистров каждой из цепочек подключены к информационным входам БЗУ 5. Генератор продвигающих импульсов содержит генератор 18 тактовых импульсов, ключ 19, счетчик 20, дешифратор 21 и инвертор 22, а также элемент 23 задержки, причем генератор 18, ключ 19, счетчик 20, дешифратор 21 и инвертор 22 соединены последовательно. Вход элемента 23 задержки является входом генератора 14, выход инвертора 22 подключен к управляющему входу ключа 19, сигнальный выход ключа 19 является выходом генератора продвигающих импульсов. Измеритель работает следующим образом. Допустим, что сигналы представляют собой гармонические колебания с частотами f, f(,+F; , ,N, из диапазона Г Fm F 1 возможных f-, , f -средняя частота занимаемого сигналами частотного диапааона; N - неизвестное число подлежащих разрешению сигналов, удовлетворяющих условию N.N макс (N макс - максимально возможное число гармонических сигналов). Предположим, что на вход измерителя подают колебание (на сигнальный вход ключа 12 блока 7 управления). U(t), 2ir(f,F)t где Е; /Ki/exp (j сс;)а;+jb - постоянняя (в пределах интервала наблюдения Т) комплексная амплитуда гармонического сигнала i-ro источника неизвестной частоты. При замыкании на время St ключа 9 положительный перепад напряжения с .

иый импульс, соответствующий переднему фронту перепада напряжения) на вход одновибратора 11. На выходе одновибратора 11 формируется прямоугольный импульс длительности Т, который по управляющему входу открывает ключ 1, а также поступает на вход блока 13 выделения заднего фронта импульса. В результате суперпозиция сигналов U(t) в течение интерзала времени Т поступает на вход квадратурного преобразователя 1 частоты, на первый и второй опорные входы которого подают гармонические сигналы с выходов генератора 2 квадратурных сигналов частоты f, сдвинутые по фазе на v/2, а на третий сигналы дискретизации с выхода задающего генератора сигналов дискретизации. В результате под воздействием опорных гармонических сигналов преобразователь осуществляет перенос спектра разрешаемых сигналов в область низких частот и формирование видеосигнала - синфазную и квадратур ную составляющие низкочастотного колебания (аналитического сигнала), а под воздействием сигналов дискретизации и их дискретизахшю с интервалом At --- . Таким образом, на

выходах преобразователя 1 формируется набор из отсчетов амплитуд синфазной и квадратурной U(tn), U(tn) составляющих комплексной огибающей принимаемой суперпозиции сигналов для всех моментов времени t nut, п 1, га. Отсчеты U(tn) и U(tn) подают на входы соответствующих АЦП 4, В результате с выхода преобразователя снимается в цифровой форме код амплитуды соответствующего (синфазного или квадратурного) отсчета, который поступает на информационные входы БЗУ 5. Одновременно на его управляющий вход в i моменты времени подаются импульсы с выхода генератора 3. При I поступлении на управляющий вход БЗУ 5 импульса управления происходит запись информации, поступившей на его информационные входы. БЗУ 5 обеспечивает запоминание текущего отсчета (амплитуды текущего отсчета преобразованной в цифровой код) комп лексной огибающей принимаемой суперпозиции сигналов и 1 предшествующих ему отсчетов, т.е. в течение интервала времени t;+-E,t,B ячейках БЗУ хранятся в цифровой форме коды амплитуд отсчетов:

y(t,), u(tt, ,...,u(t,.. ), u(t.),

U(t;., ),...,U(t:.g ), где - время, необходимое для записи в БЗУ кода амплитуды очереднмх отсуетов U(ti) и U(ti), V- 1 - равно максимально возможному числу сигналов Кд,с,|сс.

Коды амплитуды отсчетов синфазной U(t) и квадратурной j(t) (, i-l,. . ., i) составляющих комплексной огибающей принимаемой суперпозиции сигналов, хранящихся в БЗУ 5, поступают с информационных выходов БЗУ 5 на соответствующие входы решающего блока 6, на третий управляющий вход которого в моменты времени t nit, ,m поступают импульсы с выхода задающего генератора 3 сигналов дискретизации. На первый и второй управляющие входы решающего блока поступают соответственно импульсы с выхода ДУФ 10 и с выхода блока 13 вьщеления заднего фронта, входящих в состав блока 7 управления. Эти импульсы соответствуют началу и концу интервала наблюдения.

Пусть на интервале времени наблюдается колебание вида:

U(t) 27f;t, (1)

где AJ- постоянная в пределах интервала наблюдения комплексная амплитуда i-ro источника монохроматического колебания с частотой f - .

Квадратурная составляющая U(t) колебания U(t) определяется выражением:

lJ(t),exp Г .. (2)

Аналитический сигнал определяется выражением:

y(t) U(t) +jlJ(t). (3)

С учетом (1) и (2) выражение (3) может быть представлено в виде:

V(t).Z:Aievp -j27fit. (4)

ПоследовательностьI BK, К 1,2Рт} отсчетов аналитического сигнала V(t) определяется выражением

% У (Kit) (5)

В А,-ехр Kut , K T72FT (6) 12672 evp (-J2irf;at) (7) выражение (5) записывается в виде: В .г.А.-Л; К.. Решение системы (8) относительно ,,К методом наименьших квадратов сведено к решению уравнения N-Й степени относительно : О (9) где элементы g, , , ,p,j.,p,q эаны с величинами ,2FTj (обобщ енными параметрами) выражением: ,, evp., и являются элементами матрицы Грама для системы векторов ; ,i,2,...i. (11) Согласно основному свойству мат цы Грама rank G (1-И, 1+1) N(12 где N - максимальное число линейно независимьк векторов из совокупнос ти fj, ,1,...,l. 0(1+1,1+1) - матрица Грама для системы векторов fj, ,1., S|,) о (.2 Sj.t, Sz.i 0(1+1,1+1) g4i,i .г С учетом (8) и (11) вектор J,, м жет быть представлен в виде линейн комбинации векторов: .,. Ai.,J-«Таким образом, векторы Лц являю ся элементами N-мерного пространст 5 10 15 20 736 порожденного векторами ,.,,Nj следовательно, максимально возможное число линейных независимых векторов г 7 в совокупности J|,i| равно числу сигналов N и ранг матрицы Gd + l , 1 + 1) согласно (12) равен N. Процедура определения N выглядит следующим образом. Полагая п последовательно равным 1,2,...,1+1 вычисляются главные миноры М порядка п матрицы G(l + 1,l + 1). Как только на некотором шаге, скажем, на (N+1)-M выполняется условие , указанная процедура обрывается и принимается решение о наличии N сигналов. После определения неизвестного числа сигналов N значения частот измеряемых сигналов вычисляются путем решения уравнения (9)относительно Л . Неизвестные значение частот {f;,i 1,N J определяются из выражения: ,N, полученного из выражения (7). (fl;ji 1Nj -корни уравнения (9), где i - порядок минора. Решающий блок 6 запускается при поступлении на его первый управляющий вход импульса с выхода ДУФ 10, входящего в состав блока 7 управления. Этот импульс соответствует началу интервала наблюдения. При этом решающий блок 6 реализует процедуру присваивания нулевого значения комплексным переменнымПосле поступления 1+1-го импульса на,третий управляющий вход решающего блока 6 с выхода генератора 3 (отсчет импульсов начинается с момента начала интервала наблюдения) решающий блок 6 начинает вьшолнять следующую процедуру в моменты времени t; +E() (18) ,m -(i) ,с;-1 « ,. В;.е .,-,p,,i+i , (19) где (tK) +jU(tj,) - отсчет комп-. лексной огибающей принимаемой суперпозиции сигналов. Таким образом, к моменту окончания интервала наблюдения (О,Т) решающий блок 6 в результате вьтолнения процедуры (19) формирует совокупность Гйра P.1 11 величи равных элементам матрицы Грана G(l+1,l+1), определенных выражением (10). После постулления на второй управляющий вход решающего блока 6 им пульса с выхода блока вьщеления заднего фронта (соответствующего окончанию интервала наблюдения), входящего в состав блока 7 управлени решающим блоком 6 прекращается вып нение процедуры (19) и начинается числение главных миноров М, , 2,. матрицы G(l+1,l+1), элементами кото рой являются величины ,p,q 1, j согласно выражению (17), причем ,2,... . На каждом шаге решающим блоком 6 производится проверка условия М;/Д(Я- величина, пр нимаемая за машинный ноль). Как . только указанное условие выполняется, допустим на S-M шаге, указанная процедура прерывается и принимается решение о наличии на сигнальном входе панорамного измерителя частоты сигналов. После этого решается уравнение N-й степени (9) относительно переменной . Найденные в результате решения уравнения (9) корни {Л;., ,N j( используются для определения частот ,,N j сигналов согласно выражению (16). Значения N и f; , ,N j снимаются с выходов решающего блока 6 в цифро вой форме,i При замыкании ключа 9 блока управления процесс определения оценок , ,N повторяется. ВЗУ 5 служит для хранения кодов амплитуды текущих и предшествующих им 1 отсчетов синфазной N(t) и квад ратурной U(t) составляющих принимае мой суперпозиции сигналов (1), а также для параллельного ввода указанных кодов в решающий блок 6. БЗУ 5 работает следующим образом Импульсы с выхода запоминающего генератора 3 сигналов дискретизации поступают на управляющий вход БЗУ 5 в моменты времени и подаются на входы управления записью информации первых сдвигающих регистров 17 каждой из цепочек 15 и 16, а также на управляющий вход генератора продвигающих импульсов 14. При этом происходит запись информации, поступающей в момент времени t; на информационные входы БЗУ 5, в 73 первые сдвигающие регистры 17, входящие в состав цепочек 15 и 16, в моменты времени t; на информационные входы БЗУ 5 поступают коды амплитуд отсчетов синфазной U(t|) и квадратурной U(t; ) составляющих принимаемого колебания (О, которые соответственно записываются в первые сдвигающие регистры 17 цепочек 15 и 16. Спустя время i д t после поступления очередного импульса на управляющий вход генератора 14 пос-. ледний генерирует последовательно из р(р разрядность регистров) импульсов, причем длительность Тр этой последовательности удовлетворяет соотношению Тр - t - it (промежуток времени л выбирается равным времени, необходимому для записи информации и считывания ее в решающий блок 6). Последовательность из р импульсов с выхода генератора 14 поступает на входы управления сдвигом всех регистров 17. При поступлении каждого из импульсов указанной последовательности на входы управления сдвигом регистров 17 происходит сдвиг информации на один разряд в сторону старших разрядов (вправо). При этом содержимое старших разрядов сдвигающих регистров 17 перепйсьшается в младшие разряды следующих регистров. Таким образом, после окончания последнего импульса указанной последовательности информация, записанная в сдвигающих регистрах 17 каждой из цепочек 15 и 16, оказывается сдвинутой на один регистр вправо (при этом содержание последних сдвигающих регистров 17 каждой из цепочек 15, 16 теряется). При поступлении очередного импульса на управляющий вход БЗУ 5 указанный процесс повторяется. В течение интервала времени t + +E,tj + сдвигающих регистрах 17, входящих в состав цепочек 15 и 16, хранятся коды амплитуд отсчетов ), U(t;, ),..., U(t;,g ) синфазной (цепочка 15) и отсчетов U(t;), U(t,-, )..., U(t.f ) квадратурной составляющих , принимаемой суперпозиции сигналов. Так как информационные выходы сдвигающих регистров 17 подключены к. информационным выходам БЗУ 5, коды амплитуды указанных отсчетов, хранящиеся в сдвигающих регистрах 17, в течение интервала времени t,4-E, t; + btl поступают на информационные выходы БЗУ и вводятся в решающий блок 6. Генератор 14, входящий в состав буферного запоминающего устройства 5,предназначен для формирования последовательности из р импульсов (где р - разрядность регистров БЗУ спустя время лТ после поступления управляющего импульса на его управ ляющий вход. Данная последовательность обеспечивает сдвиг информаци на один регистр вправо (т.е. на р разрядов). Генератор 14 работает следующим образом. В исходном состоянии счетчик 20 установлен в состояние р , на р -м Выходе дешифратора 21 существует напряжение 1, которое поступает на вход инвертора 22, напряжение G выхода инвертора 22, соответствующее О, поступает на управляющий вход ключа 19 и запирает его. При этом импульсы с выхода генератора 18 тактовых импульсов на выход генератора 14 продвигающих импульсов не проходят. Управляющий импульс, поступающий на управляю ций вход генератора 14 продвигающих импульсов, поступает на злемен 23 задержки (время задержки равно if ) и с выхода последнего спустя время дТ - на вход сброса счетчика 20. При этом счетчик 20 сбрасывает в нулевое состояние, на р -м БЪГКОде дешифратора 21 появляется О, напряжение 1 с выхода инвертора 22 поступает на управляющий вход ключа 19 и отпирает его. Импульс./ с выхода генератора 18 тактовых импульсов через ключ 19 поступает на выход генератора 14 продвигаю. щих импульсов и на счетньй вход счетчика 20. После поступления р импульса счетчик 20 устанавливается в состояние р , на р -м выходе дешифратора появляется напряжение 1, которое через инвертор 22 подается на управляющий вход ключа 19 и запирает его. Период Т, следования импульсов, генерируемых генератором 18 тактовых импульсов выбирается из условия рТ;,-,, - u Таким образом, достигается расширение функциональных возможносте измерителей. 10 обр 3 е т е н и я мула из 1.Панорамный измеритель частоты,содержащий решающий блок, квадратурный преобразователь частоты, блок управления, квадратурный генератор, задающий генератор сигналов дискретизации, причем сигнальный вход квадратурного преобразователя частоты соединен со вторым выходом блока управле ния, выход которого соединен с первым управляющим входом рещающего, блока, вход блока управления является входом устройства, управляющие входы квадратурного преобразователя частоты соединены соответственно с выходами квадратурного генератора и задающего генератора сигналов дискретизации, отличающийся тем, что,С целью расширения функциональных возможностей, в него введены два аналого-цифровых преобразователя и буферное запоминающее устройство, пр1И этом сигнальные входы каждого аналого-цифрового преобразователя подключены соответственно к синфазному и квадратурному выходам квадратурного преобразователя частоты, выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к информационным входам буферного запоминающего устройства, управляющий вход которого соединен с выходом задающего генератора сигналов дискретизации, информационные выходы буферного запоминающего устройства подключены к информационным входам решающего блока, второй управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, третий управляющий вход решающего блока соединен с выходом задафщего генератора сигналов дискретизации, выход решающего блока является выходом устройства. 2.Измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит последовательно соединенные источник постоянного напряжения, первый ключ, дифференцирующий усилитель, формирователь, одновибратор, второй ключ, а также блок вьщеления заднего фронта импульса, вход которого соединен с выходом одновибратора, выход дифференцирующего усилителя формирователя является третьим выходом блока управления, выход блока выделения заднего фронта импульса является первым выходом блока управления, сигнальный вход второго ключа является входом блока управления, его выход - третьим выходом блока управления.

3, Измеритель по п.1, отличающийся тем, что, буферное запоминающее устройство содержит генератор продвигающих импульсов и две идентичные цепочки, каждая из которых состоит из последовательно соединенных сдвигающих регистров, при этом выход переноса из старшего разряда каждого из сдвигающих регистров подключен к входу переноса в младший разряд следующего регистра, управляющий вход буферного запоминающего устройства соединен с управляющим входом генератора продвигающих импульсов и подключен к входам управления первых сдвигающих регистров каждой из цепочек, выход генератора продвигающих импульсов подключен к управляющим входам в.сех

сдвигающих регистров, информационные выходы сдвигающих регистров являются выходами буферного запоминающего устройства, информационные входы первых сдвигающих регистров каждой из цепочек являются информационными входами буферного запоминающего устройства.

4. Измеритель по п.З, о т л ичающийся тем, что генератор сдвигающих импульсов содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, ключ, счетчик,

дешифратор, инвертор, а также элемент задержки, вход которого подключен к управляющему входу генератора продвигающих импульсов, выход - к входу установки нуля счетчика, при этом

выход инвертора соединен с управляющим входом ключа, выход ключа является выходом генератора продвигающих импульсов.

Изобретение относится к устройствам для совместного измерения частот нескольких одновременно наблюдаемых монохроматических колебаний. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. Для достижения поставленной цели в устройство дополнительно введены два аналого-цифровых преобразователя , (АЦП) и буферное запоминающее устройство (БЗУ). На чертеже показаны квадратурный преобразователь 1 частоты, квадратурный генератор 2, задающий генератор 3 сигналов дискретизации, АЦП 4, БЗУ 5, решаю1ций блок 6 и блок 7 управления. Этот блок содержит источник 8 постоянного напряжения, ключ 9, дифференцирующий усилитель формирователь 10, одновибратор 11, ключ 12, блок 13 вьиеления заднего фронта импульса. Введение двух АЦП и БЗУ (функциональная схема ко(Л торого приводится в описании изобретения) существенно расширяет число определяемых частот. 3 з,п. ф-лы, 3 ил.