Измеритель нестабильности частоты Советский патент 1988 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для измерения частотных флуктуации стабильных источ- НИКОВ колебаний.

Цель изобретения - повышение точности измерения нестабильности часто- ты за счет снижения влияния на результат измерения собственных фа- зовых шумов измерителя путем использования двух чередующихся режимов работы: режима Измерение и режима CaMOKoHTpojrib,

На фиг,1 изображена схема измери- теля нестабильности частоты генераторов; на фиг..2 - временные диаграммы, поясняющие работу блока управления аналоговыми ключами;на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие ра- боту формирователя временных интер- валов; на фиг.4 - схема блока управления входами реверсивного счетчика; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу блока управления входа ми реверсивного счетчика; на фиг,6 - схема блока формирования управляющих сигналов; на фиг,7 - временные диаграммы, поясняющие работу блока формирования управляющих сигналов.

Измеритель нестабильности частоты содержит (фиг.1) двухканальный частотный компаратор 1, линию 2 задержки, вход которой соединен с входом устройства и первым входом двухканал ного частотного компаратора 1, два аналоговых ключа 3,1 и 3,2, соединенные своими выходами с вторым входом двухканального частотного компаратора 1, вхад первого аналогового ключа 3.1 соединен с- выходом линии 2 задержки,, а вход второго аналогового ключа 3,2 соединен с входом устройства, четыре амплитудных компаратора 4,1-4,4, вход первого амплитудного компаратора 4.1 соединен с входом устройства, а вход второго амплитудного компаратора 4.2 соединен с выходом линии 2 задержки, блок 5 управления аналоговыми ключами, первый вход которого соединен с выходом пер вого амплитудного компаратора, а второй вход блока 5 управления аналоговыми ключами соединен с выходом второго амплитудного компаратора, первый и второй выходы блока 5 управле- ния аналоговыми ключами соединены с управляющими входами соответственно первого 3.1 и второго 3.2 аналоговьпс

г

. д

5 0 5 «

0 5

5

0

5

ключей, четьфе смесителя 6,, 1-6,4, первый вход первого сги сителя 6,1 является первым входом двухканального частотного компаратора 1, а первый вход третьего смесителя 6.3 является вторым входом двухканального частотного компаратора 1, два гетеродина 7,1 и 7;2,выход первого гетеродина 7.1 соединен с вторыми входами первого 6,1 и третьего 6,3 смесителей, а выход второго гетеродина 7,2 соединен с вторыми входами второго 6,2 и четвертого 6,4 смесителей, два умножителя 8.1 и 8,2 частоты, соединенные своими входами с выходами соответственно первого 6,1 и третьего 6,3 смесителей, а выходы умножителей 8.1 и 8,2 частоты соединены с первыми входами второго 6,2 и четвертого 6.4 смесителей, два усилителя 9,1 и 9.2,входы которых соединены- с выходами второго 6,2 и четвертого 6,4 смесителей, а выходы усилителей 9,1 и 9.2 являются соответственно первым и вторым выходами частотного компаратора 1, формирователь 10 временных интервалов, первый и второй входы которого соединены соответственно через третий 4,3 и четвертый 4.4 амплитудные компараторы с первым и вторым выходами двухканального частотного ч омпаратора 1 , блок 11 управления входами реверсивного счетчика, соединенный своим первым и вторым входами соответственно с первым и вторым выходами формирователя 10 временных интервалов, реверсивный двоично-десятичный счетчик 12,сум- суммирующий и вычитакхций входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 11 управления входами реверсивного счетчика, регистр 13 результата, входная информационная шина которого соединена с соответствующей выходной информационной шиной реверсивного счетчика 12, индикатор 14 результата, входная шина которого соединена с выходной шиной регистра 13 результата, регистр 15 знака результата, информационный вход которого соединен с третьим выходом блока 11 управления входами реверсивного счетчика, индикатор 16 знака результата, вход которого соединен с выходом регистра 15 знака результата, блок 17 переполнения, соединенный своим первым входом с выходом переполнения реверсивного счетчика

12, индикатор 18 переполнения, соединенный входом с выходом блока 17 переполнения,, блок 19 формирования уп- равляющих сигналов, первый вход которого соединен с третьим выходом формирователя 10 временных интервалов, счетчик 20 циклов, вход которого соединен с первым выходом блока 19 фордвухканальнрго частотного компаратора 1 и на вход первого амплитудного компаратора 4.1, а на второй вход двухканального частотного компаратора 1 поступает сигнал в виде Uд,5(t) A(t.- t) cos wo (t - t) + q(t - -t,) (t время задержки сигнала линией 2 задержки) через первый ана

Изобретение может быть использовано для измерения частотных флук- стабильных источников колебаний. Цель и зобретения - повышение точности измерения нестабильности частоты. Измеритель содержит линию 2 задержки, гетеродины 7.1, 7.2, смесители 6.1-6.4, умножители 8.1 и 8.2 частоты, усилители 9.1 и 9.2 и индикатор 18. В измеритель введены амплитудные компараторы 4.1-4.4, §лок 5 управления аналоговыми ключами 3.1 и 3.2, формирователь 10 временных интервалов, блок 11 управления реверсивным счетчиком 12, регистры 13 и 15 результата и знака результата, индикаторы 14 и 16 результата и знака результата, блок 17 переполнения, блок 19 формирования управляющих сигналов, счетчик 20 цикла и генератор 21 счетных импульсов. Благодаря этому снижается влияние на результат измерения собственных фазовых шумов измерителя путем использования двух чередующихся режимов работы: режима Измерение и режима Самоконтроль. 7 ил. I rr-nPFFn I ,,g с Ш сл со со ( со

мирования управляющих сигналов и логовый ключ 3.1 либо незадержанный тьим входом блока 5 управления анасигнал через второй аналоговый ключ 3.2 в зависимости от фазы управляющих сигналов на первом и втором выхо дах блока 5 управления аналоговыми ключами. Амплитудный компаратор 4.1 формирует последовательность прямоугольных импульсов, соответств.укщей уровн р 1, а время существования импульса соответствует длительности положительного полупериода сигнала. Выходной сигнал первого амплитудного компаратора 4.1 принимает вид, представленньй на фиг.2а.

логовыми ключами, генератор 21 счет- ньпс импульсов, выход которого соединен с вторым входом блока 19 формирования управляющих сигналов и тре- 15 тьим входом блока 11 управления входами реверсивного счетчика, четвертый вход которого соединен с выходом заема реверсивного счетчика 12, при зтом второй выход блока 19 формиро- 20 вания управлякщих сигналов соединен с управляющими входами регистра 15 знака результата и регистра 13 результата, третий выход блока 19 формиро- вания управляющих сигналов соединен 25 с вторым входом блока 17 переполнения и пятым входом блока 11 управления входами реверсивного счетчика, шестой вход которого соединен с четвертым

выходом блока 19 формирования управ-1 рый формирует из сигнала импульсную

40

ляющих сигналов, пятый выход которого соединен с входом установки в нулевое состояние реверсивного счетчика 12, четвертый вход блока 5 управления аналоговыми ключами соединен с шестым выходом блока 19 формирования управляющих сигналов, третий вход которого соединен с выходом счетчика 20 циклов.

Блок 11 управления (фиг.4) образуют элемент ИЛИ 22, инверсный выход которого соединен со счетным входом триггера 23, выходы которого соединены с входами элементов И-НЕ 24-27, выходы которых соединены через эле- .менты И-НЕ 28 и 29 с выходами инверторов 30 и 31.

Блок 19 формирования управляющих сигналов (фиг.6) содержит (фиг.6) триггер 32, выход которого через элемент И-НЕ 33 соединен со счетным вхо- 50 дом счетчика 34, дешифратор 35, элемент ИЛИ-НЕ 36, триггер 37, инверторы 38-41 и триггер 42.

Устройство .работает следуклдим образом.

Входной аналоговьй сигнал имеет вид Ugy(t) A(t) )t + l/(t) . Этот сигнал поступает на первьй вход

45

55

последовательность, представленную на фиг.2е. Этот сигнал поступает на второй вход блока 5 управления аналоговыми ключами. Блок 5 управле ния аналоговыми ключами формирует под действием управляющих сигналов (фиг.26, в), поступаюш51х на его тре тий и четвертый входы (уровень 1 на четвертом входе соответствует ре жиму Измерение, а уровень 1 на третьем входе - режиму Самоконтроль) , сигналы на своих первом и втором выходах, которые управляют работой аналоговых ключей 3.1 и 3.2 В режиме работы Измерение на первый вход двухканального частотного компаратора, 1 подается входной иссл дуемьй сигнал, а на его второй вход подается задержанный линией 2 задер ки сигнал. В режиме Самоконтроль второй вход подается входной незаде жанный сигнал. Кроме того, для обеспечения минимальных переходных про цессов в двухканальном частотном ко параторе 1 необходимо обеспечивать подачу аналоговых сигналов на второ вход двухканального частотного комп ратора 1 только в моменты перехода этого сигнала через фазу О или 180

логовый ключ 3.1 либо незадержанный

сигнал через второй аналоговый ключ 3.2 в зависимости от фазы управляющих сигналов на первом и втором выходах блока 5 управления аналоговыми ключами. Амплитудный компаратор 4.1 формирует последовательность прямоугольных импульсов, соответств.укщей уровн р 1, а время существования импульса соответствует длительности положительного полупериода сигнала. Выходной сигнал первого амплитудного компаратора 4.1 принимает вид, представленньй на фиг.2а.

Этот сигнал поступает на первый вход блока 5 управления аналоговыми ключами. Выходной сигнал линии -задержки поступает на вход второго амплитудного компаратора 4.2, кото40

0

5

5

последовательность, представленную на фиг.2е. Этот сигнал поступает на второй вход блока 5 управления аналоговыми ключами. Блок 5 управления аналоговыми ключами формирует под действием управляющих сигналов (фиг.26, в), поступаюш51х на его третий и четвертый входы (уровень 1 на четвертом входе соответствует режиму Измерение, а уровень 1 на третьем входе - режиму Самоконтроль) , сигналы на своих первом и втором выходах, которые управляют работой аналоговых ключей 3.1 и 3.2. В режиме работы Измерение на первый вход двухканального частотного компаратора, 1 подается входной иссле- дуемьй сигнал, а на его второй вход подается задержанный линией 2 задержки сигнал. В режиме Самоконтроль на второй вход подается входной незадержанный сигнал. Кроме того, для обеспечения минимальных переходных процессов в двухканальном частотном компараторе 1 необходимо обеспечивать подачу аналоговых сигналов на второй вход двухканального частотного компаратора 1 только в моменты перехода этого сигнала через фазу О или 180,

Эту функцию выполняет блок 5 управления аналоговыми ключами,

В соответствии с логикой работы оТ момента t до t на первом выходе (фиг.2д) блока 5 присутствует импульс, соответствующий уровню 1, а на втором выходе от tj до tj - уровень О. От момента t и далее на первом выходе присутствует уровень О, а на втором выходе от момента 1. Из

tg - уровень

этого следует.

что аналоговый ключ 3.1 от t до t j открыт, а ключ 3.2 закрыт - это соответствует работе устройства в режи:ме измерения. От момента t до tj оба ключа 3.1 и 3.2 заперты. С момента tj открывается аналоговый ключ 3.2 а от момента tj и далее ключ 3 .1 закрыт это соответствует режиму роль.

СамоконтСигналы на выходах двухканального частотного компаратора 1 содержат и собственные шумы двухканального частотного компаратора.

Выходные сигналы двухканального частотного компаратора 1 (фиг.За) поступают далее соответственно на третий и четвертый амплитудные компараторы, где из них формируются импульсные последовательности, представленные на фиг.36,в.

Импульсные последовательности, образованные таким образом, различаются длительностями за счет нестабильности частоты исследуемого сигнала и моментами появления за счет наличия линии 2 задержки и нестабильности частоты сигнала.

Вычисляя разность длительностей выходных импульсных последовательно - стай можно получить искомую информацию о нестабильности частоты исследуемого сигнала в виде Uy(t)

ifitLi-Iflt-iEiL

Sign

m Wpt-j, +

mt.

ч

+ (t)J| sign mwe t + mt j-i3U)(t) + .+ cr(t) , где йи) t

. f.lEiti).

есть не что иное,, как нестабильнос-ть- частоты исследуемого сигнала при достаточно малой величине; р(t) - разность собственных шумов измерительных каналов двухканального час-. тотного компаратора 1.

Процесс определения разности длительностей и myльcныx последовательной осуществляется в два этапа. На первом этапе формирователь 10 временных интервалов формирует предварительную разность, а на втором этапе реверсивный счетчик 12 вычисляет окончательную разность, которая регистрируется регистром 13 результата и индицируется индикатором 14.

Из сигналов (фиг.Зб, в) исключается тот промежуток времени, когда они оба одновременно присутствуют на первом и втором входах формирователя 10. Вычисление окончательной разности длительностей импульсных последовательностей производится путем вычисления модуля разности и знака разности сформированных импульсных последовательностей (фиг.3г,д) реверсивным счетчиком 12..Блок 11 управляет работой реверсивного счетчика 12 так, что первый приходящий импульс (фиг.3г.или д) подается на вход суммирования реверсивного счетчика

12, а второй импульс подается на вход вычитания. В результате этого образуются разность Л, и знак раз0

5

0

ности от первой пары импульсов, i

Рассмотрим подробнее работу блока 11 управления (фиг.5). Пусть за некоторый интервал времени на первый и второй входы блока 11 поступает по одному импульсу, появление которых предшествовало установке в О всех разрядов реверсивного счетчика 12, начальной установке триггера 23 (фиг.4) блока 11, т.е. устройство находится в .режиме Измерение. Пришедший, например, первьй импульс на втором входе (фиг.4) разрешает поступление импульсов с эталонной частотой повторения от генератора 21 счетньгк импульсов на выход вычитания реверсивного счетчика 12 (фиг.За, в). Под

5 действием фронта первого импульса счетчик 1 2 формирует сигнал 0 (заем) ,который поступает на четвертый вход блока 11 . Этот импульс опрокидьпва- ет триггер 23 (фиг.Зг), после ч-зго

0 счетные импульсы (фиг.Зд) поступают на вход суммирования реверсивного счетчика 12. После этого приходит импульс на первьй вход блока 11 (фиг.Зб) и блок 11 разрешает про5 хождение счетных импульсов на вход вычитания реверсивного счетчика 12. Содержимое счетчика 12 при этом уменьшает.ся. Если длительность импульса на фиг.Зб больше длительности

импульса на фиг.Зв, то в момент,ког- да содержимое счетчика 12 становится равным нулю, появляется сигнал на выходе счетчика 12 и на четвертом входе блока 11, который опрокидывает триггер 23 (фиг.4) блока 11 и разрешает прохождение счетных импульсов на вход суммирования счетчика 12 последующих импульсов (фиг.Зд). Таким образом формируется в счетчике 12 число, равное разности й длительностей первой пары импульсов (фиг.56, в),а уровень О на третьем выходе блока 11 соответствует положительному знаку разности Л , . Последующие пары импульсов обрабатываются аналогично, первой паре, только начальное состояние счетчика 12 равно величине полученной предыдущей разности Л

1,2...

На третьем выходе .формирователя 10 уровень 1 появляется только в том случае, когда на его первом или втором входе сигнал отсутствует (фиг.5л). Сформированный таким образом импульс (фиг.Зе) с третьего выхода формирователя 10 подается на net) вый вход блока 19 формирования управляющих сигналов. Положительный фронт сигнала (фиг.76) устанавливает на выходе Q триггера 32 (см. фиг.6) уровень 1 (фиг.7в), разрешая прохождение импульсов тактовой частоты (фиг.7а) с второго входа блока 19 (фиг.6) через элемент И-НЕ 33 на вхо двоично-десятичного счетчика 34 (фиг.7). Разряды счетчика 34 при этом подключены к Соответствующим входам дешифратора 35 двоично-десятичного кода в позиционный. Дешифратор 35 формирует на своих выходах сдвинутые по времени импульсы (фиг.7д, з). Восьмым по счету импульсом (фиг.7з) триггер 42 перебрасьгоа- ется в противоположное состояние. Выходные сигналы триггера 42, находя щиеся в противофазе друг относительно друга (фиг.7п,р), поступают соответственно на третий и четвертый входы блока 5 управления аналоговыми ключами и под их действием устройство переключается из режима Измерение в режим Самоконтроль. Формирование величины ) в счетчике 12 происходит аналогично рассмотренному процессу. При этом выходной сигнал на четвертом выходе блока 19 поступает на шестой вход блока 11 управления в виде, представленном на фиг.7д, изменяет сбстоянне триггера

5

0

5

0

5

23 (фиг.4) на противоположное, обеспечивая получение разности- id,-с/ в счетчике 12. После окончания режима Самоконтроль устройство переключается в режим Измерение и т.д. IB результате чередования определенного числа циклов измерения и само контроля в-счетчике 12 формируется среднее значение величины f 4 (t) - - (t), которое заносится в регистр

13результата и индицируется индика- тором 14. Знак результата заносится

в регистр 15 знака и индицируется индикатором 16 знака. Если при вы- числеяии величины Си (t) - (t) хотя бы однократно счетчик 12 переполнялся, то блок 17 переполнения подает на индикатор 18 сигнал, равный 1. Такой результат вычисления не несет достоверную информацию об измеряемой величине, и его надо исключить из рассмотрения, а разрядность счетчика 12 следует увеличить. Если текущий цикл измерения или самоконтро ля является постоянным в серии циклов (число циклов задается коэффициентом деления счетчика 20 циклов), то при переходе в этом цикле от режима Измерение к режиму Самоконтроль под действием сигнала (фиг.7п) на первом выходе блока 19 формирования управляющих сигналов двоично-десятичный счетчик 20 числа циклов измерения и самоконтроля формирует на своем вы5 ходе и на третьем входе блока 19 сигнал О. Этот сигнал переключает триггер 37 (фиг.6) в противоположное состояние,и на выходе инверторов 38 и 39 появляется уровень О, разре0 шагадий формирование сигнала на втором, а затем и на третьем и пятом выходах блока 19. Эти сигналы являются разрешающими для записи в регистр 13, а потом обнуления ревер- сийного счетчика 12, начальной установки триггера 23 блока 11, триггера 42 блока 19, и сброса блока 17 пе- реполнения. Последний управляющий сигнал (фиг.7з) с восьмого выхода

0 дешифратора 35 (фиг.6) сбрасывает триггер 32, устанавливает уровень О на выходах счетчика 34, изменяет состояние триг гера 42 режимов работы на противоположное. Индикаторы

ультата Л в режиме Измерение текущего результата (Я|| в режиме Самоконтроль и образование усред- ненной разности в виде л(t)- с/ (t) равной величине нестабильности ча- стоты исследуемого сигнала, позволяют на порядок и более снизить влияние собственных фазовых шумов of(t) измерительных каналов двухканально- го частотного компаратора 1. При этом точность измерения повышается. Использование двух режимов Измерение и Самоконтроль эффективно только для тех фазовых и амплитудных шумов, у которых интервал корреляции значительно больше затрат времени на проведение измерения и самоконтроль,

Формула изобретения

Измеритель нестабильности частоты, содержащий линию задержки, два гетеродина, последовательно соединен ные первый смеситель, первьгй умножитель частоты, второй смеситель и первый усилитель, последовательно соединенные третий смеситель, второй умно ягситель частоты, четвертый смеситель и второй усилитель, выход первого гетеродина соединен с вторыми входами первого и третьего смесителей, а выход второго гетеродина - с вторыми входами второго и четвертого смесителей, первьй вход первого смесителя является входом измерителя и соединен с входом линии задержки,а выходы первого и второго усилителей соединены с индикатором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два аналоговых ключа, четыре амплитудных компаратора, формирователь временных интервалов, реверсивный счетчик, блок управления .входами реверсивного счетчика, блок формирования управляющих сигналов, счетчик циклов, блок управления аналоговыми ключами, регистр результата, регистр знака результата, блок переполнения, генератор счетных импульсов, индикатор знака результата и индикатор переполнения реверсивного счетчика, пр

45 ми регистра знака результата и реги стра результата, входная шина кото- рого соединена с выходной шиной реверсивного счетчика, а его выходная шина - с входной шиной индикатора результата, выход заема реверсивного счетчика соединен с четвертым вх дом блока управления входами реверсивного счетчика, пятый вход которо го соединен с третьим выходом блока

этом выход линии задержки соединен с входом второго амплитудного компарато-55 формирования управляющих сигналов, ра и через первый аналоговый ключ четвертый выход которого соединен с с входом второго смесителя и выходом шестым входом блока управления вхо- второго аналогового ключа, первый дами реверсивного счетчика, пятый вход блока управления аналоговыми клю выход которого соединен с входом

10

15

20

,

jg и

чами соединен с выходом второго аналогового ключа, второй вход блока управления аналоговыми ключами соединен с выходом первого амплитудного компаратора, вход которого соединен с входами линии задержки и второго аналогового ключа, первьй и второй выходы блока управления аналоговыми ключами соединены с управляющими входами соответственно первого и второго аналоговых ключей, первый и второй входы формирователя временных интервалов соединены соответственно с выходами третьего и четвертого ампли- тудных компараторов, входы которых соединены с выходами усилителей, первый и второй выходы формирователя временных интервалов соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления входами реверсивного счетчика, а его третий выход соединен с первым зходом блока формирования управляющих сигналов, первьй и второй выходы блока управления вхо-.- дами реверсивного счетчика соединены соответственно с входом суммирования и входом вычитания реверсивного счетчика, а третий выход блока управления входами реверсивного счетчика соединен с информационным входом регистра знака результата, выход которого соединен с индикатором знака резуль-- тата, выход генератор счетных импульсов соединен с третьим входом

35 блока управления входами реверсивного счетчика и вторым входом блока формирования управляющих сигналов, третий вход которого соединен с выходом счетчика числа циклов, вход которо40 го соединен с третьим входом блока управления аналоговыми ключами и первым выходом блока формирования управляющих сигналов, второй выход ко- торого соединен с управляющими входа45 ми регистра знака результата и регистра результата, входная шина кото- рого соединена с выходной шиной реверсивного счетчика, а его выходная шина - с входной шиной индикатора результата, выход заема реверсивного счетчика соединен с четвертым входом блока управления входами реверсивного счетчика, пятый вход которого соединен с третьим выходом блока

30

50

о-55 формирования управляющих сигналов, четвертый выход которого соединен с шестым входом блока управления вхо- дами реверсивного счетчика, пятый ю выход которого соединен с входом

/ У7 /7 tf iz t j

Фиа2

ВыхоВз Выход д

ППППП ПППППППППП

б 6

шш

ж

ц

ФигЛ

пппп

о

1-

Фиг. 5

Виадз и

влод 1

ППППППППППППППП

1

ппппппп

I

я

п

п

быкоЭ( 01.

St/jHiff} SttxoSS

ППППППП

1

п

i t -ь t t

t t

Jb

Jt t t t t t t