Цифровое устройство измерения частоты Советский патент 1991 года по МПК G01R23/00 H03D3/00 

О 4

О

сл

со

Изобретение относится к измерительной технике и радиотехнике и может использоваться для измерения отклонения мгновенной частоты от номинального значения, а также для демодуляции частотно- модулированных (ЧМ) сигналов в радиоизмерительных и радиоприемных устройствах.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых частот и повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена функциональная схема цифрового устройства измерения частоты; на фиг. 2 - временные диаграммы в различных точках устройства,

Цифровое устройство измерения частоты содержит компаратор 1 (аналоговый), первый вход которого является входом ус- - тройства, а второй подключен к общей шине Земля, выход компаратора 1 соединен с S-входом триггера 2. Прямой выход триггера 2 подключен к второму входу первого элемента ИЗ, к первому входу которого подключен выход генератора 4 тактовых импульсов, а к выходу - счетный вход второго счетчика 5. Выход генератора 4 тактовых импульсов соединен также с вторым входом второго элемента И 6, первый вход которого подключен к инверсному выходу триггера 2, а выход - к счетному входу первого счетчика 7. Выход счетчика 6 соединен с R-входом триггера 2 и входом сброса счетчика 7. Выходы всех разрядов второго счетчика 7 подключены к входам разрядов регистра 8 памяти, выходы всех разрядов которого подключены к входам цифрового функционального преобразователя 9, а управляющий пход - к выходу компаратора 1. Цифровой функциональный преобразователь 9 реализует функцию Т(ДТ) 1/(Ti + +АТ) - f0, где f - отклонение мгновенной частоты входного сигнала от центральной Ti - минимально возможная длительность периода сигнала; ДТ - разность меж- ,ц/ длительностью текущего периода и TL Здесь и ниже используется термин период применительно к входному частотно-модулированному сигналу, который не является периодическим. Под периодом понимается интервал между двумя соседними положительными переходами через нуль. Запись отклонения мгновенной частоты f в виде т(ДТ) подчеркивает , чтр f является функцией только ДТ, так как Ti и Т0 - константы. Выходы цифрового функционального преобразователя 9 подключены к входам АЦП 10, выход которого соединен с входом фильтра 11 нижних частот. Выход фильтра 11

нижних частот является выходом цифрового устройства измерения частоты.

Цифровое устройство измерения частоты работает следующим образом.

Входной сигнал (фиг. 2а) поступает на

компаратор 1, на, выходе которого формируется 1, если входной сигнал положителен, и О, если он отрицателен (фиг. 26),

В начале каждого периода входного сиг0 нала прямоугольные импульсы с выхода компаратора 1, поступая на S-вход триггера .2, переводят его в состояние, при котором на прямом выходе триггера 2 и соответственно на втооом входе элемента ИЗ присут5 ствует 1 (фиг. 2в), а на инверсном выходе триггера 2 и соответственно {на первом входе элемента И6 присутствует О (фиг, 2г). В результате тактовые импульсы с выхода генератора 4 тактовых импульсов через ИЗ

0 проходят на счетный вход счетчика 5 (фиг, 2д) и не проходят на счетный вход счетчика 7 (фиг. 2е), Такое состояние будет продолжаться до тех пор, пока счетчик 5 не заполнится и на его выходе переноса не появится

5 короткий импульс (фиг.-2ж). Емкость счетчика 5 рассчитывается таким образом, чтобы его переполнение и, следовательно, появление импульса переноса достигалось в момент, когда с начала очередного периода

0 входного сигнала прошел интервал времени Ti, равный минимально возможной длительности периода. Интервалу Тч соответствует максимально возможное значение мг новей- ной частоты сигнала Тмакс & 1/Ti.

5Короткий импульс с выхода переноса

счетчика 5 (фиг, 2ж) поступает на вход сброса счетчика 7, обнуляя его, и одновременно на R-вход триггер 2, переводя его в состояние, при котором на его прямом выходе и

0 соответственно на втором входе первого элемента ИЗ присутствует О (фиг. 2в), а на его инверсном выходе и соответственно на первом входе элемента И 6 1 (фиг. 2г). При этом на счетный вход счетчика 5 тактовые

5 импульсы не поступают (фиг. 2д), а на счетный вход счетчика 7 они проходят через элемент И6 (фиг, 2е). Такой режим работы будет продолжаться до конца периода входного сигнала (фиг. 2а, д, е). В этом режиме счетчик 5 остается в нулевом состоянии, в

0 которое перевел его последний в данном периоде тактовый импульс, поступивший на его счетный вход и в вызвавший появление короткого импульса на выходе переноса этого счетчика, а счетчик 7 отсчитывает дли5 тельноеть интервала ДТ, представляющего собой разность между длительностью текущего периода и TI - минимально возможной длительностью периода входного сигнала (фиг. 2г, е).

В момент окончания очередного периода входного сигнала и начала нового периода напряжение на входе компаратора 1 вновь становится положительным, и на выходе компаратора 1 опять появляется прямоугольный импульс с уровнем 1, который соответствует положительному полупериоду следующего периода входного сигнала (фиг, 2а, б). Прямоугольный импульс с выхода компаратора 1, поступая на S-вход триггера 2, переводит его, как и в начале предыдущего периода, в состоянии, при котором с помощью элементов ИЗ и Иб прекращается прохождение тактовых импульсов на счетный вход счетчика 7 и обеспечивается поступление их на счетный вход счетчика 5 (фиг. 2в...2е), Одновременно прямоугольный импульс с выхода компаратора 1, поступающий на S-вход триггера 2, подается и на управляющий вход регистра 8 памяти, Передним фронтом этого импульса, совпадающим с границей соседних периодов входного сигнала (фиг. 2а, б), производится параллельная перезапись из счетчика 7 в регистр 8 памяти двоичного числа, соответствующего значению AT, которое к концу очередного периода входного сигнала оказывается записанным в счетчике 7.

Таким образом, после окончания каждого периода входного сигнала в регистре 8 памяти фиксируется двоичное число, соответствующее значению ДТ для данного периода. На фиг. 2з показана временная диаграмма фиксируемых в регистре 8 памяти цифровых значений А Т - отклонений длительности текущих периодов входного сигнала от минимально возможной длительности периода, равной TI.

При поступлении на входы цифрового функционального преобразователя 9 с выходов разрядов регистра 8 памяти записанного в двоичном коде значения AT на выходе цифрового функционального преобразователя 9 появляется двоичная запись числа, соответствующего f( AT) 1/(Тч + +АТ) - fо - значению отклонения мгновенной частоты входного сигнала от своего среднего значения f0 (фиг. 2и). Цифровой функциональный преобразователь 9 в принципе может представлять собой или арифметическое устройство , точно либо приближенно выполняющее операции в соответствии с приведенной выше функцией преобразования, или логическую структуру (программируемое (репрограммируемое) запоминающее устройство, программируе- мую логическую матрицу и т.д.), в которую записаны значения функции f(AT). Пои поступлении на адресные входы цифрового функционального преобразователя 9 двоичной записи аргумента ДТ на его выходах появляется двоичная запись значения функции f(AT), соответствующая значению аргу- мента ДТ. На практике требуемая разрядность аргумента ДТ и функции f невелика.

Полученное на выходе цифрового функционального преобразователя 9 цифровое значение f - отклонения мгновенной частоты сигнала от центральной частоты f0 позволяет однозначно определить мгновенную частоту сигнала при использовании устройства в измерительной аппаратуре, а при ис- пользовании его в радиоприемной аппаратуре оно повторяет закон модуляции принимаемого сигнала.

При использовании устройства в измерительной технике цифровые значения f, поступающие с выхода цифрового функционального преобразователя 9, могут непосредственно поступать на индикаторное устройство или после алгебраического суммирования с значениями f0. В случае использования устройства в качестве демодулятора значения f, поступающие с выхода цифрового функционального преобразователя 9, с помощью АЦП 10 переводятся в аналоговую форму, а затем сглаживаются и очищаются от помех фильтром 11 нижних частот. Частота среза этого фильтра совпадает с граничной частотой спектра модулирующего сигнала. Временная диаграмма напряжения на выходе фильтра 11 нижних частот приведена на фиг. 2к. Задержка сигнала в этом фильтре на временных диаграммах не показана (фиг. 2и, к). Таким образом, в устройстве измерения

частоты вначале выделяется цифровое значение отклонения длительности каждого периода входного сигнала устройства от минимально возможной. Затем эти отклонения длительности преобразуются в цифровые значения отклонений мгновенной частоты входного сигнала от его центральной частоты, а результаты преобразования переводятся а аналоговую форму и фильтруются. Следовательно, при работе устройства в режиме частотного демодулятора основные операции, определяющие крутизну и линейность детекторной характеристики, а также в значительной мере уровень линейных искажений, выполняются в цифровой форме. Это повышает точность демс- дуляции, исключает влияние на нее дестабилизирующих факторов и позволяет избавиться отопераций настройки и регулировки как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации. Очевидно, что указанные достоинства еще более полно проявляются при работе устройства в режиме измерения частоты, поскольку в этом случае его аналоговые узлы не функционируют.

Благодаря тому, что в устройстве на первой стадии цифровой обработки выделяются значения отклонения длительности каждого периода от минимально возможной, требования к разрядности счетчика 7, регистра 8 памяти, ПЗУ цифрового функционального преобразователя 9 и ЦАП 10 определяются соотношением между диапазоном измеряемых частот и необходимой точностью измерения, т.е. требования к разрядности этих узлов зависят от разности между максимально и минимально возможными измеряемыми частотами и не зависят от абсолютных значений этих частот. Отсюда следует, что при фиксированной разрядности основных узлов аппаратуры устройство позволяет расширить диапазон измеряемых частот, одновременно повысив точность измерения, так как на практике разность между максимально и минимально возможными измеряемыми частотами значительно меньше минимально возможной частоты (например, для частотно модулированных сигналов максимальное отклонение мгновенной частоты от номинальной 0,5 ...6%). Дополнительное повышение точности измерений и демодуляции сигнала достигается благодаря функции, заложенной в цифровой функциональный преобразователь, обеспечивающий линейную зависимость между выходным напряжением и отклонением мгновенной частоты сигнала от номинального значения.

Формула изобретения

Цифровое устройство измерения частоты, содержащее генератор тактовых импульсов, первый счетчик, выходы которого соединены с входами регистра памяти, циф- роаналоговый преобразователь, выход которого подключен к входу фильтра нижних

частот, выход которого является выходом цифрового устройства измерения частоты, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых частот и повышение точности измерений, в него

введены компаратор, триггер, два элемента И, второй счетчик и цифровой функциональный преобразователь, причем первый вход компаратора является входом цифрового устройства измерения частоты, а второй

вход подключен к общей шине Земля, выход компаратора соединен с S-входом триггера с управляющим входом регистра памяти, выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу первого элемента И и к первому входу второго элемента И, прямой выход триггера соединен с вторым входом первого элемента И, а инверсный выход триггера - с вторым входом второго элемента И, выход которого подключей к счетному входу первого счетчика, выход первого элемента И соединен с счетным входом второго счетчика, выход переноса которого соединен с входом сброса первого счетчика и с R-входом триггера, выходы регистра памяти подключены к входам цифрового Функционального преобразователя, выходы которого соединены с входами цифроаналогового преобразователя.

Фкг. 2

t

Изобретение относится к измерительной технике и радиотехнике и может быть использовано для измерения отклонения мгновенной частоты от номинального значения, а также для демодуляции частотно- модулированных сигналов в радиоизмери- , тельных и радиоприемных устройствах. Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых частот и повышение точности измерений. С помощью компаратора 1, генератора 4, триггера 2, элементов И 3 и 6, двух счетчиков 5 и 7 на каждом периоде входного сигнала определяется в цифровой форме отклонение длительности этого периода от минимально возможного значения. Оно фиксируется в регистре 8 памяти, преобразуется в преобразователе 9 D цифровое значение отклонения мгновенной частоты входного ЧМ-сигнала от его центральной частоты, преобразуется в ЦАП 10 в аналоговую форму и затем фильтруется и сглаживается в фильтре 11. 2 ил.