Измеритель частоты Советский патент 1986 года по МПК G01R23/17 

элемента 2И-ИЛИ 19 позволяет значи- фазового дискриминатора в области петельно повысить точность измерителя за счет повышения чувствительности

1275318

рехода фазовой характеристики через нулевой уровень. 1 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения частоты радиосигнала в широком диапазоне частрт с высокой точностью. Целью изобретения является повышение точности измерения частоты: радиосигнала в широком диапазоне частот. На чертеже приведена структурная схема измерителя частрты. На одной оптической оси последовательно расположены лазер 1, чет- вертьволновая; пластина 2, оптический квадратурный конденсатор 3, оптический анализатор 4, система формируюш;их линз 5 И N-отводная оптическая линия 6 задержки. Источник 7 исследуемого сигнала электрически соединен с одной из пар обкладок Квадратурного конденсатора 3 непосредственно, а с другой парой - через фазовращатель 8. Каждый из N фазовых дискриминаторов 9 имеет на входе две пары компланарных фотоприемников 10, 11 и 12, 13, выходы которых электрически соединены с входами вычитающих устройств 14 и 15 соответственно Выход вычитающего устройства 14 соеди нен с сигнальными входами пороговых устройств 16 и 17, выход вычитающего устройства 15 с сигнальньйу входом порогового устройства 18. Выходы пороговых устройств 16 и 18 подключены соответственно к первым входам первого и второго элементов И логического элемента 2И-ИЖ 19, являющегося выходным устройством фазового дис. криминатора 9, а выход порогового устройства 17 подключен к второму вхо ду первого элемента И и к второму инвертирующему входу второго элемента И элемента 2И-ИЛИ 19. Выход каждого из N фазовых дискриминатором 9 через формирующие линзы 20 оптически связаны с соответствующей парой световодо линии 6 задержки, а выход электричес ки соединен с соответствующим разрядом регистра 21, Измеритель частоты работает следующим образом« Узкий когерентный световой луч с линейной поляризацией, генерируемьй лазером 1, проходит через Л/А пластину 2, где приобретает круговую поляризацию и лостулает на оптический вход квадратурного конденсатора 3. На электрический вход оптического квадратурного конденсатора 3 поступает исследуемый радиосигнал, причем на одну пару противоположных пластин - непосредственно, а на другую пару - через фазовращатель 8. Так как сдвиг фаз задается фазовращателем 8 постоянным ( Ч 90 ), то в объеме кристалла оптического квадратурного конденсатора 3 формируется круговое моделирующее поле,, которое сдвигает частоту световой волны oJ на величину частоты исследуемого радиосигнала ьО . Таким образом, на оптическом выходе квадратурного конденсатора 3 световая волна имеет частоту с. и круговую поляризацию. Проходя через оптический анализатор 4, поляризация световой волны преобразуется в линей- ную. Далее системой формирующих линз 5 формируется плоский когерентный световой луч с равномерной по сечению интенсивностью. Падая соосно на торцовый срез оптической линии 6 задержки, световой луч делится равномерно и с одинаковыми начальными фазами на К 2N частей, (т.е. на К 2N световод&в пучка). Точность Разделения определяется точностью изготовления световодов, Световоды оптической линии 6 зарержки разбиты на пары так, чтобы в каждой паре обеспечивалась необходи пространственная задержка одного светового луча (измерительного) по отношению к другому (опорному). Световые лучи из двух световодов каждой пары через формирующие линзы 20, со дающие плоские световые лучи, падают на компланарные фотоприемники 1013 под заданным углом. В результате интерференции измери тельного и опорного световых лучей в плоскости, где расположены фотопри емники 10-13, каждого фазового дискри минатора 9, возникает интерфереицион ная картина из чередующихся темных и светлых полос, параллельных апертуре фотоприемников. Положение светлых и темных полос интерференционной картины относительно апертур фотоприемника 10-13 зависит от разности фаз между колебаниями измерительного и опорного световых лучей в каждой i-й паре волоконных световодов, связанных через формирующие линзы 20 с i-M фазовым дискриминатором. Разност фаз между колебаниями опорного и измерительного каналов в i-й паре световодов пропорциональна разности длин световодов пары дТ| tj -l 2 д1( uf - разность длин оптичес ких путей для 1-й пары световодов) и равна -t -г 1 лЕ, Л скорость света в световоде; круговая частота лазера; круговая частота радиосигнала. При изменении частоты радиосигнала и изменяются разности фаз световых колебаний в каждой i-й паре световодов на различные величины. Соответственно на различные числа пе риодов сдвинутся интерференционные картины, возникающие на фотоприемниках .различных фазовых дискриминаторов .9,а отсчет оказывается кратным степени два. Фазовые дискриминаторы 9 фиксируют сдвиг между световыми колебаниями измерительного и опорного световых лучей соответствующей пары световодов и преобразуют его в логический О, если знак U совлЧ. отрицателен, и в логическую 1, если знак и,- cos uV положителен. Возникающая 55 неоднородность отсчета частоты из-за того, что функция cos периодическая, исключается введением дополнительных каналов регистрации, в которых используется другая пространственная задержка 4 Г. . Длина второго (измерительного) световода i-й пары определяется выражением 1 ,. Такой ряд пространственных задержек позволяет определить в регистрирующем устройстве значение частоты радиосигнала в виде ч-С,-,-ч. 1, ПРИ соз(р -е)0; (f:-f)0; uj. г4,afj 2частота световой волны лазера. В регистре 21 в каждый момент времени запоминается полученная последовательность логических О и 1 всехканалов регистрирующего устройства. Этот двоичный код соответствует частоте исследуемого радиосигнала , , Фазовый дискриминатор 9 работает следующим образом. Ток фотоприемника пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Расстояние между фотоприемниками каждой пары 10, 11 и 12, 13 выбрано равным половине периода интерференционной картины, значит, если один из фотоприемников каждой пары располагается в максимуме освещенности, то второй - в минимуме освещенности. Токи фотоприемников 10 и 11 первой пары поступают на входы вычитающего устройства 14, а токи фотоприемников второй пары 12 и 13 - на входы вычитающего устройства 15. Вычитающие устройства 14 и 15 обеспечивают подавление фоновой засветки фотоприемников и вьзделяют на своих выходах напряжения, пропорциональные интенсивности максимумов и минимумов интереренционных полос. Первая пара фотоприемников 10 и 11 является основой, вторая пара 12 13 - дополнительной и включается в работу в тот момент, 1(огда на основную пару фотоприемников 10 и 11 попадает свет одинаковой интенсивности, что эквивалентно переходу фазовой

S1

характеристики дискриминатора через нулевой уровень.

На первое 16 к третье 18 пороговые . устройства установлен нулевой порог, а на Второе пороговое устройство 17 подан порог срабатывания, разный напряжению нечувствительности первого порогового устройства 16 На сигнальные входы пороговых устройств 16 и 17 подается сигнал с выхода пер вого вычитающего устройства 14, на сигнаотьный вход третьего порогового устройства 18 - сигнал с выхода второго вычитающего устройства 15«

Если положение светлых и темных полос интерференционной картины на фотоприемниках 10 и 11 таково, что освещенность кх существенно различна то напряженнче. на выходе вычитающего устройства 14 больше порогового напряжения порога на втором пороговом устройстве 17 и напряжение на его выходе соответствует уровню логической 1. Напряжение с выхода второго порогового устройства. 17, посту пая на. элемент 2И-1-ШИ 19 открывает первый логический элемент И и закрывает второй элемент И. В этом случае на выходе логического элемента 2И-ИЛИ будет напряжение, соответствующее логическому уровню первого порогового устройства 16, Уровень О или 1 с выхода элемента 2И-ИЛИ 19 поступает на соответств:,аощий разрядный вход регистра 21 и устанавливает его в положение, соответствующее О или 1, в зависимости от состояния первого порогового уст.ройства 16.

Если положение светлыхи темных полос интерференционной картины та-KOBOs что освепленность первой пары фотоприемников 10 и 11 одинакова. или разность их меньше напряжения срабатывания второго порогового устройства, то пороговое устройство 17 устанавливается в положение, соответствующее зтэовню логического О н его , а следовательно, за. крывается первый элемент И и открывается второй элемент И логического

элемента 2И-ИЛИ. В результате на выход логического элемента 2И-Шта 19 поступает логический урове.нь, соответствующий выходному уровню третьего . порогового устройства 18, в;оторое находится в состоянии логического О или 1 в зависимости от того, какой

186

из фотонриемников 12 или 13 второй пары освещен сильнее. Поскол1зку фотоприемники 12 и 13 второй пары сдвинуты относительно фотоприемников первой пары 10 и 11 на четверть периода интерференнионной картины, то равной или близкой освещенности фотоприемников 10 и 11 первой пары соответствует максимальная разность освещенности фотоприемников 12 и 13 второй пары, в этом случае пороговое устройство 18 надежно срабатывает и нет неопределенности в выходном сигна..пе фазового дискриминатора за счет конечной чувствительности фазового дискриминатора.

Предлагаемое построение и алгоритм работы фазового дискриминатора 9 позволяет зиачитг ---о повысить его чувствительность в ,.: асти перехода фазовой характеристики через нулевой ypoBeHJi к., как следствие, точность измерителя частоты, так как ошибка из-за неточ1;ости выделения фазы (особенно в старших разрядах регистрирующего устройс1 ва) в.тзывает большую погрешность в из/ . ,: нии частоты.

Выражение для точности измерения частоты имеет вид

-SП + у

где п - число световых волн, укладывающихся на пространственной разност хода лучей в измерительном и опорном световодах пары дТ. Используя лазер с длиной волны f 0,63 мкм, устройство обеспечивас;т на частоте исследуемого сигнала ic 500 МГц (( 0,6 м) при 0,6 м и предельную точность ci (. ) 2-10 , значительно превосходящую точность традиционных радиотехнических измерений частоты.

Формула изобретения

Измеритель частоты, содержащий источник исследуемого сигнала, N-OTводную линию задержки и N-канальное устройство регистрации, в каждом i-OM канале которого включен фазовый дискриминатор, выход которого соединен с i-M разрядным входом регистра, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что. с целью повышения точности измерени частоты, в него введены последовательно расположенные на одной оптической оси лазер, четвертьволновая пластина, оптический квадратурный конденсатор, оптический анализатор система формирующих линз, оптически связанная с N-отводной линией задер ки, выполненной в виде волоконного разветв11теля светового пучка с N па рами волоконных световодов, выходы i-й пары световодов через формирующие линзы оптически связаны с i-м фазовым дискриминатором, фазовый дискриминатор выполнен в виде двух пар компланарных фотоприемников, расстояние между которыми в паре ра но половине периода интерференционной картины, а расстояние между крайними фотоприемниками пар равно четверти периодов интерференционной картины, выходы каждой пары фотопри емников подключены соответственно к входам первого и второго вычитающих устройств, выход первого вычитаю щего устройства соединен с сигнальными входами первого и второго пороговых устройств, выход второго вычитающего устройства подключен к сигнальному входу третьего порогового устройства, выходы первого и третьего пороговых устройств подключены соответственно к первым входам первого и второго элементов И элемента 2И-ИЛИ, а выход второго порогового . устройства подключен к второму входу первого элемента И и второму инвертирующему входу второго элемента И логического элемента 2И-ИЛИ, выход элемента 2И-ИЛИ является входом фазовотЪ дискриминатора, причем порог срабатьшания второго порогового устройства вьше порогов срабатьгеания первого и третьего пороговых устройств на величину напряжения нечувствительности первого и третьего пороговых устройств, а источник исследуемого сигнала подключен к одной из пар противоположных обкладок оптического квадратурного конденсатора непосредственно, а к второй паре - через фазовращатель.