Измеритель частоты Советский патент 1988 года по МПК G01R23/17 

$ 16 16 16

Г1

t 1

16 Г5

Гп оп//п « п

ел

о

00

п I

Изобретение относится к радиоиз- мёрительной технике и предназначено для автоматического измерения частоты радиосигнала в широком диапазоне.

Цель изобретения - повышение надежности и упрощение конструкции измерителя частоты.

На чертеже изображены структурная схема измерителя частоты,Ю

Измеритель частоты содержит последовательно расположенные на одной оптической оси лазер 1, четвертьволно- вуго пластину 2,-оптический квадратур- ный конденсатор 3, оптический анали- 15 затор 4, систему формирзтощих линз 5, N-отводную линию 6 задержки, выполненную в виде волоконного разветви- теля светового пучка с N парами волоконных световодов, источник 7 ис- 20 следуемого сигнала, подключенный к одной из пар противоположных обкладок оптического квадратурного конден сатора 3 непосредственно, а к второй паре - через фазовращатель 8, и N фа-25 зовых дискриминаторов (ФД) 9. Каждый ФД 9 состоит из пары компланарных фотоприемников 10 и 11, расположенных на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины, 30 вычитающего устройства 12, входы которого соединены с выходами фотопри- емников 10 и 1, первого 13 и второго 14 пороговых устройств, сигнальные входы которых соединены с выходом вы-35 читающего устройства 12, и логического элемента 2И-ИЛИ 15. К первому входу первого элемента И подключен выход первого порогового устройства 13. К второму входу первого элемента И и к 40 первому (инвертирующему) входу второго элемента И логического элемента 15 подключен выход второго порогового устройства 14. Выход ло- гическог.о элемента 2И-ШШ 15 являет- 45 ся выходом- соответствующего ФД 9, причем второй вход второго элемента И логического элемента 2И-ИЛИ 15 i-ro ФД 9, кроме N-ro, соединен с выходом (i+1) -го фазового дискримина- сп тора 9. Выходы i-й из N пар световодов N-отводной линии 6 задержки через формирующие линзы 16 оптически связаны с компланарными фотоприемниками 10 и 11 соответствующего i-ro ФД 9, выход которого соединен с со- ответствуюпцда i-ым входом регистра- тора 17. N-й ФД 9, кроме пары компла- нарных фртоприемников 10 и 11, со55

5 0 5 0 5 0 5 п

5

держит еще вторую пару компланарных фотоприемников 18 и 19, расположенных на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины, причем расстояние между крайними фотоприемниками пар 10и11 н 18 и 19 равно четверти периода интерференционной картины. Кроме того, N-й ФД 9 содержит второе вычитающее устройство 20, входы которого подключены к выходам фотоприемников 18 и 19, а выход - к сигнальному входу третьего порогового устройства 21, порог срабатывания которого равен порогу срабатывания первого порогового устройства 13. Порог срабатывания второго порогового устройства 14 вьше порогов срабатывания устройств 13 и 21 на величину напряжения нечувствительности этих устройств. Выход третьего порогового устройства 21 подключен к второму входу второго элемента И логического элемента 2И-ИЛИ 15 N--ro фазового дискриминатора 9.

Измеритель частоты работает следующим образом.

Узкий когерентный световой луч с хшнейной поляризацией, генерируемый лазером 1, проходит через четвертьволновую пластину 2, где приобретает круговую поляризацию, и поступает на оптический вход оптического квадратурного конденсатора 3. На электрический вход квадратурного конденсатора 3 поступает исследуемый радиосигнал источника 7, причем на одну пару противоположных обкладок - непосредственно, а на другую пару - через фазовращатель 8. Так как сдвиг фаз задается фазовращателем 8 постоянным, то в объеме кристалла оптического квадратурного конденсатора 3 формируется круговое модулирующее поле, которое сдвигает частоту и о световой волны на величину частоты Шс, исследуемого радиосигнала. Таким образом, на оптическом выходе оптического квадратурного конденсатора 3 световая волна имеет частоту W(j+ 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 входной торцовой срез оптической линии 6

задержкиj световой луч делится равномерно и с одинаковыми начальнь1ми фазами на частей(т.е. на световодов пучка).

Световоды оптической линии 6 задержки разбиты на пары так, что в каждой паре обеспечивается необходимая пространственная задержка одного светового луча (измерительного) по отношению к другому (опорному).Световые лучи из двух световодов каждой пары через формирующие линзы 16, создающие плоские световые лучи,падают на компланарные фотрприемники 10 и 11 (18 и 19).

В результате интерференции измерительного и опорного световых лучей в цлоскости, где расположены фотопридовО

и преобразуют его в логический

если знак Uj cos л Ц отрицателен, и в логическую 1, если зйак U| cos л cf -положителен. Возникающая неоднозначность отсчета частоты из- за того, что функция cos периодическая, исключается введением дополнительных каналов регистрации, в которых используется другая пространственная задержка 1;.

Длина второго (измерительного) световода i-й пары определяется выражением

fi

1 + 2

1 -1

dl

N

Такой ряд пространственных задержек позволяет определить .в регистраторе 17 значение частоты радиосиг

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для автоматического измерения частоты радиосигнала в широком диапазоне. Цель изобретения - повышение надежности и упроп1ение констрз ции устройства. Измеритель частоты содержат лазер 1, четвертьволновую пластину 2, оптический квадратурный конденсатор 3, оптический анализатор 4, систему формирующих линз 5, N-отводную линию 6 задержки, источник 7 исследуемого сигнала, фазовращатель 8, N пар фазовых дискриминаторов (ФД) 9. ФД состоит из компланарных фотоприемников 10 и 11, вычитающего устройства 12, пороговых устройств 13 и 14, элемента 2И-ИЛИ 15. N-й ФД, кроме того, включает еще пару компланарных фотоприемников 18 и W, вычитающее устройство 20 и пороговое устройство 21 . 1 ил. (Л

емники 10 и 11 (18 и 19) каждого ФД возникает интерференционная картина из чередующихся темных и светлых полос, параллельных апертуре фотоприемников. Положение светльк и темных полос интерференционной картины относи тельно апертур фотоприемников 10 и 11 (18 и 19) зависит от разности фаз между колебаниями измерительного и опорного световых лучей в каждой i-й паре волоконных световодов, связанных через формирующие линзы 16 с i-ы ФД 9.Разность фаз между колебаниями опорного и измерительного каналов в i-й паре световодов пропорциональна

разности длин д1,- l -1 )1

N

световодов пары (41 fi - разность длин оптических путей для N-й пары световодов) и равна

-41

и)л4u)c „i-1

и 1

где Уф - скорость светд в световоде; (jj - круговая частота лазера 1| , - круговая частота радиосиг-, нала.

При изменении частоты и)с радиосигнала изменяется разность фаз л Ц саетовых колебаний в каждой i-й паре световодов на различные величины. Соответственно на различные числа периодов сдвигаются интерференционные картины, возникающие на фотоприемниках различных ФД 9, а отсчет оказывается кратньм степени 2.

Фазовые дискриминаторы 9 фиксируют сдвиг между световыми колебаниями измерительного и опорного световых лучей соответствующей пары световоследующем виде N

C/J Wi - U)o ,

c

где

нала

,20 нала в 25

30

О)

35

40

- частота световой волны лазера I . .

В регистраторе 17 -в каждый момент .времени запоминается полученная последовательность логических О и 1 всех каналов регистрации. Этот двоичный код соответствует частоте со исследуемого радиосигнала.

Рассмотрим подробнее работу ФД 9, начиная с N-ro ФД 9. Ток фотбприем- ника пропорционален интенсивности падающего на него светового потока.Расстояние фотоприемниками IО и . 11 и 18 и 19 каждой пары выбрано равным половине периода интерференцион- g ной картины, значит, если один из топриемников каждой пары будет располагаться в максимуме освещенности, то второй - в минимуме освещенности Токи фотоприемников 10 и IJv первой пары поступают на вход вычитающего устройства 12, а токи фотоприемников 18 и 19 - на входы вычитающего устройства 20. Вычитающие устройства 12 и 20 обеспечивают подавление фоноврй засветки фотоприемников и ввделяют на своих вькодах напряжения, пропор- хщональные интенсивности интерференционной картины в пределах апертуры фотоприемников.

50

55

Первая пара фотоприемников 10 и 11 является основной, вторая пара фотоприемников 18 и 19 - дополнительной и включается в работу в тот мо- мент, когда на основную пару фотоприемников 10 и 11 попадает свет одинаковой интенсивности, что эквивалентно переходу фазовой характеристики дискриминатора через нулевой уровень.

На первое 13 и третье 21 пороговые устройства установлен нулевой порог, а на второе пороговое устройство 14 подан порог срабатьтания, равный напряжению нечувствительности первого порогового устройства 13, На сигнальные входы пороговых устройств 13 и 14 подается сигнал с выхода первого вычитающего устройства 12, на сигнальный вход третьего порогового устройства 21 - сигнал с выхода второго вычитающего устройства 20о

Если положение светлых и темных полос интерференционной картины на фотоприемниках 10 и 11 таково, что освещенность их существенно различна, то напряжение на выходе первого iвычитающего устройства 12 больше на- ;пряжения порога на втором пороговом I устройстве 14 и напряжение на его I выходе соответствует уровню логичес- |кой 1. Напряжение с выхода второго Iпорогового устройства 14, поступая |на элемент 2И-ИЛИ 15, открывает пер- ;вый логический элемент И и закрывает Iвторой элемент И. В этом случае на вьпсоде логического элемента 2И-ИЛИ ;15 будет напряжение, соответдгтвующее логическому уровню первого порогово- ;го устройства 13. Этот уровень О или 1 с выхода элемента 2И-ИЛИ 15 поступит на соответствующий разрядный вход регистратора 17 и установит его в положение, соответствующее О Ш1И 1, в зависимости от состояния порогового устройства 13.

Если положение светлых и темных полос интерференционной картины будет таково, что освещенность фотоприемников 10 и J1 Первой пары будет одинакова или разность их будет мень- ine напряжения срабатьтания второго порогового устройства 14, то пороговое устройство J4 устанавливается в |1оложение, соответствующее уровню ло- JTi4ecKoro О на его выходе, а следовательно, закроется первый элемент И

5

0

5

0

и откроется вторюй элемент И логического элемента 2И-ИПИ 15. В результате на выход логического, элемента 2И-ИЛИ 15 будет поступать логический уровень, соответствующий выходному уровню третьего порогового устройства 21, которое будет находиться в состоянии логического О или 1 в зависимости от того,какой из фотоприемников 18 или 19 второй пары освещен Сильнее. Поскольку они сдвинуты относительно фотоприемников 10 и 11 первой пары на четверть периода интерференционной картины, то равной или близкой освещенности фотоприемников 10- и 11 первой пары будет соответствовать максимальная разность освещенности фотоприемников 18 и 19 второй пары, в этом случае пороговое устройство 14 надежно срабатьшает и не будет неопределенности в выходном сигнале фазового дискриминатора 9 за счет конечной его чувствительности.

ФД 9 с первого по (Ы-1)-й работают аналогично N-му ФД 9. Отличие заключается лишь в том, что если пороговое устройство 14 устанавливается в положение логического О на его выходе, то на вход второго элемента И логического элемента 2И-ИЛИ 15 будет поступать сигнал не с выхода третьего порогового устройства 21 (как в N-M ФД 9), ас выхода следу5 ющего по номеру ФД 9, причем второй вход второго элемента И логического элемента 2И-ИЛИ 15 выполнен динамическим и сигналу логического О соответствует передний фронт синхрони0 зирующего импульса, а логической задний фронт. В результате выходной сигнал логического элемента 2И-ИЛИ 15 i-ro ФД 9 будет синхронизироваться фрон том импульса переключения

5 (i+l)-ro ФД 9.

Подача синхрбнизирующего сигнала на второй вход элемента И логического элемента 2И-ИПИ 15 дает возможность исключить, вторую пару фотоприемников 18 и 19, второе вычитающее устройство 20 И третье пороговое устройство 21 в (N-l)-OM ФД 9, что упрощает конструкцию измерителя частоты в целом.

Вероятность сбоя предлагаемого измерителя частоты в N раз меньше, чем вероятность сбоя прототипа (соответственно надежность в N раз вьше). Под вероятностью сбоя понимается

0

5

7

вероятность того, что в области перехода фазовой характеристики через ноль произойдет неверное переключение ФД 9. Эту вероятность 7. сбоя можно характеризовать величиной нечувствительности 9, в которой интенсивность сбоя, распределена равномерно, т.е. Р const, следовательно Р; .

Так как фазовые дискриминаторы 9 в устройстве-прототипе конструктивно идентичны, то вероятности их сбоя во всем диапазоне частот можно считать одинаковыми и равными Р . Поскольку все ФД 9 работают независимо друг от друга, то суммарная вероятность отказа устройства-прототипа будет равна

и

II

где Р Р

ПР.

В предлагаемом измерителе частоты из-за, выбора времени задержек во все каналах, кратного 2, переключение в частотной области во всех каналах происходит одновременно. Для достижения одновременности переключения i-й ФД 9 синхронизируется фронтом переключения (i+l)-ro ФД 9, причем этой синхронизацией охвачены все ФД 9 измерителя частоты. Это приводит к тому, что при переключении i-ro разряда сбой в i-ом разряде произойдет только при сбое в (1+1)-ом разряде. Таким образом, сз ммарная вероятность сбоя i-ro и (i+I)-ro ФД 9 равна вероятности сбоя одного (1+1)-го ФД 9.

Поскольку аналогично синхронизированы все разряды.измерителя частоты, то его сбой происходит только при сбое в самом младшем разряде (N-OM). Следовательно, вероятность сбоя всего измерителя равна вероятности сбоя только одного N-ro ФД 9:

равен

Ф

Р е т е н и я

Измеритель частоты, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси лазер, четвертьволновую пластину, оптический квадратурный конденсатор, оптический анаU06508

лизатор, систему формирующих линз, оптически связанную с N-отводной линией задержки, вьшолненной в виде волоконного разветвителя светового пучка с N парами волоконных световодов, выходы i-й пары световодов через формирующие линзы оптически связаны с i-ым фазовыми дискриминатором,

выход котого соединен с i-ым входом регистратора, источник исследуемого сигнала, подключенный к одной из пар противоположных обкладок оптического квадратурного конденсатора непосредственно, а к второй - через фазовращатель, при этом фазовый дискриминатор содержит пару компланарных фотоприемников, расположенных на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины, выходы фотоприемников подключены к входам вычитающего устройства, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго пороговых устройств, выход первого порогового устройства подключен к первому входу первого элемента И логического элемента 2И-ИЛИ, который является выходным устройством фазового дискриминатора, а выход второго порогового устройства подключен к второму входу первого элемента И логического элемента 2И-ИЛИ и к первому инвертирующему входу второго элемента И логического элемента 2И-ИЛИ, причем N-й фазовый дискриминатор содержит еще вторую п-ару компланарных фотоприемников, второе вычитающее устройство и третье пороговое устройство, расстояние межДУ фотоприемниками второй пары равно половине периода интерференционной

картины, а расстояние между крайними

фотоприемниками пар равно четверти периода интерференционной картины,

выходы второй пары компланарных фотоприемников соединены с входами второ- го вычитающего устройства, выход ко- торого соединен с сигнальным входом третьего порогового устройства, выход .третьего порогового устройства подключен к второму входу второго элемента И логического элемента 2И- ИЛИ, при этом.порог срабатьшания второго порогового устройства выше порогов срабатывания первого и третьего на величину напряжения нечувствительности первого и третьего поро- говьгх устройств, о тличающий- с я тем, что, с целью повышения на9. 1406508.10

Дежности и упрощения конструкции, криминаторов, креме N-ro подключен к йторой вход второго элемента И логи- выходу последующего фазового дискри- Ческого элемента 2И-ИЛИ фазовых дис- минатора.