Устройство для измерения разности частот Советский патент 1992 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к электро- и радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерений разности частот, необходимых, в частности, при подстройке частот опорных генераторов аппаратуры связи по источнику эталонной частоты .

Известно устройство для измерения разности частот (по основному авт.св. № 1624345. Один вход этого устройства через последовательно соединенные умножитель частоты, формирователь временных интервалов (ФВИ), интегратор, аналого- цифровой преобразователь (АЦП), первый и второй регистры, блок сравнения кодов (БСК), формирователь коротких импульсов (ФКЙ) и счетчик подключен к третьему регистру. Другой вход устройства через последовательно соединенные первый и второй

делители частоты подключен ко вторым входам счетчика и третьего регистра. Выход ФВИ через элемент задержки подключен ко вторым входам интегратора, ФКИ, первого и второго регистров. Выход первого регистра подключен ко второму входу БСК, а выход первого делителя частоты - ко второму входу ФВИ. Последний вырабатывает импульсы, длительность которых пропорциональна текущей разности фаз входных колебаний. Разность фаз измеряется с помощью интегратора и АЦП, а скорость ее изменения (т.е. разность измеряемых частот) преобразуется в частоту потока импульсов на выходе ФКИ с помощью первого и второго регистров и БСК. Этот поток во время мерного интервала, полученного из образцовой частоты с помощью первого и второго делителей частоты, заполняет счетчик, а после окончания

ч го

OJ

ел

CJ

со

го

мерного интервала результат переписывается в третий регистр.

Благодаря интерполяционному принципу измерения разности частот в указанном устройстве удалось уменьшить мерный интервал (по сравнению с электронно-счетными частотомерами) при сохранении высокой точности измерения.

Однако устройство имеет недостаточно высокую помехоустойчивость при измерении малых разностей частот. Действительно, в этом случае разность фаз изменяется относительно медленно и даже небольшая паразитная фазовая модуляция (ПФМ) одного из сравниваемых колебаний нарушает монотонность изменения разности фаз. Из- за этого при прохождении текущей разности фаз (преобразованной в интеграторе в напряжение) очередного уровня квантования АЦП код на его выходе может меняться неоднократно (то увеличиваясь на единицу, то возвращаясь к исходному). Так как каждое изменение кода вызывает формирование в ФКИ импульса, поступающего затем на счетчик, то результат измерения, полученный в счетчике, при наличии ПФМ будет завышенным, причем погрешность тем больше, чем меньше разность измеряемых частот и больше уровень ПФМ.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости устройства для измерения разности частот.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения разности частот по авт.св. № 1624345 вводится четвертый регистр, причем его информационные входы подключены к выходам регистра, тактовый вход - к выходу ФКИ, а выходы - к третьим входам БСК.

Благодаря тому что новый код текущей разности фаз записывается в четвертый регистр лишь при первом пересечении этой функцией очередного порога срабатывания АЦП, а БСК выдает на ФКИ разрешающий сигнал только при неравенстве кодов в первом, втором и четвертом регистрах, возможные из-за ПФМ повторные пересечения функцией текущей разности фаз того же уровня квантования АЦП не вызовут формирования дополнительных импульсов в ФКИ, т.е. не увеличат погрешности измерения разности частот.

Так как предлагаемое устройство отличается от прототипа новым элементом (четвертым регистром) и связями, то оно обладает новизной. При этом заявителю неизвестны устройства, в которых использование сходных технических решений приводило бы к достижению поставленной в заявке цели (повышению помехоустойчивости измерителя разности частот при наличии ПФМ сравниваемых колебаний). Поэтому указанные отличия следует считать существенными.

На фиг.1 представлена структурная

электрическая схема заявляемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу измерителя: а,б,в,г,д - сигналы на выходах умножителя частоты 1,

первого ДЧ, ФВИ, элемента задержки и интегратора соответственно; е,ж,з - коды чисел в регистрах: первом, втором и четвертом; и,к - сигнал на выходе ФКИ и состояние счетчика.

Измеритель разности частот состоит из умножителя частоты 1, первого делителя частоты (ДЧ) 2, второго ДЧ 3, счетчика 4, третьего регистра 5, формирователя 6 временных интервалов (ФВИ), формирователя 7 коротких импульсов (ФКИ), блока 8 сравнения кодов (БСК), элемента задержки 9, интегратора 10, АЦП 11, а также регистров: первого 12, второго 13 и четвертого 14. Второй вход устройства через последовательно соединенные умножитель частоты 1, ФВИ 6, интегратор 10, АЦП 11, первый 12, второй 13 и четвертый 14 регистры, БСК 8, ФКИ 7 и счетчик 4 подключен к третьему регистру 5. Первый вход устройства через первый ДЧ 2

и второй ДЧ 3 соединен со вторыми входами счетчика 4 и третьего регистра 5. Выход первого ДЧ 2 подключен ко второму входу ФВИ 6, а выход последнего через элемент задержки 9 соединен со вторыми входами

интегратора 10, ФКИ 7, первой 12 и второго 13 регистров, Выходы первого 12 и второго 13 регистров подключены ко второму и третьему входам БСК 8, а выход ФКИ 7 - ко второму входу четвертого 14 регистра. Второй выход БСК 8 и выход третьего 5 регистра являются информационными выходами устройства.

Измеритель разности частот работает следующим образом.

Частота колебаний, поступивших на второй вход устройства, в умножителе частоты 1 увеличивается в К раз (фиг.2,а), а пришедших на первый вход - уменьшается в п раз в первом ДЧ 2 (фиг.2,б). ФВИ 6

вырабатывает импульсы (фиг,2,в), начинающиеся в момент фронта сигнала с первого ДЧ 2 и заканчивающиеся по приходу второго (после этого) фронта сигнала с умножителя частоты 1. Их длительность if Ti/K,

2Ti / К, где TI - период колебаний на втором входе измерителя, в интеграторе 10 преобразуется в напряжение U (фиг.2,д), которое с помощью АЦП 11 переводится в код числа L и фронтом импульса с выхода элемента

задержки 9 (фиг.2,г) записывается в первый

регистр 12 (фиг.2,е). Так как длительность импул ьсаг характеризует текущую разность фаз сравниваемых колебаний (его изменение на Ti/K соответствует изменению разности фаз на In /К), то изменение числа L на единицу соответствует изменению разности фаз на In /КР, где Р - разность чисел, соответствующая At Тч/К.

Время измерения задается вторым ДЧ 3. Если он имеет коэффициент деления N, то время каждого измерения в устройстве tnsM n«N«T2. где Т2 - период колебания на первом входе измерителя.

Пусть А,В и С - коды чисел, записанных соответственно в первый 12, второй .13 и четвертый 14 регистры. БСК 8 выдает разрешающий сигнал на ФКИ 7 при выполнении условия

(А В) А (А С) л (В С),(1)

т.е. когда все три кода разные. По сигналу от БСК 8 из фронта импульса от элемента задержки 9 в ФКИ 7, формируется короткий импульс, поступающий на счетчик 4, который суммирует все поступившие на него за мерный интервал импульсы. По окончании tnsM содержимое счетчика 4 фронтом импульса со второго ДЧ 3 переписывается в третий регистр 5, а счетчик 4 обнуляется.

Информация во второй регистр 13 переписывается из первого регистра 12 по фронту импульса, поступающего с элемента задержки 9. Так как одновременно происходит запись в первый регистр 12 кода числа L с АЦП 11, то код во втором регистре 13 всегда равен коду, бывшему в первом регистре 12 на предыдущем такте: Bi Аи. где i - номер такта (период тактовых импульсов на выходе элемента задержки 9 равен пТ2).

Информация в четвертый регистр 14 переписывается из второго регистра 13 по фронту импульса, поступающего с ФКИ 7. Он формируется лишь при выполнении условия (1), которое контролируется БСК 8.

Как видно из временных диаграмм (2,е- и), условие (1) выполняется лишь в течение одного такта после первого превышения напряжением U очередного уровня квантования АЦП 11. Если за время Т.ИЗМ это произошло два раза, то в ФКИ 7 будет сформировано М импульсов, а после окончания гизм в третьем регистре будет записано число М.

Так как разности соседних уровней квантования АЦП 11 соответствует изменение разности фаз сравниваемых колебаний на 2 jr/kP, a Af л /2 гизм, то 1 М 2я1

Af I

In Mf2

k P

n N T2

n N k P

т.е.М характеризует модуль измеряемой разности частот. Знак разности указывается сигналом, формируемым на втором выходе БСК 8 в соответствии с условием:

если (А С) i/ (В С), то fi f2 (при

положительных крутизне интегратора 10 и характеристике АЦП 11).

В заявляемом измерителе разности частот умножитель частоты 1 может быть вы0 полней, например, на кольце фазовой автоподстройки частоты (см. В.А.Левин. Стабилизация дискретного множества частот. М., Энергия, 1970, с. 271, 295). Должно быть обеспечено целочисленное значение

5 К. Первый 2 и второй 3 делители частоты должны иметь коэффициенты деления n и N соответственно. Они могут быть выполнены на цифровых микросхемах, например К555ИЕ7(см. В.А.Шило. Популярные цифро0 вые микросхемы. М., Радио и связь, 1987, с. 37). Счетчик 4 должен иметь емкость не менее N и сброс в нулевое состояние по фронту сигнала со второго ДЧ 3. Может быть выполнен на микросхемах К555ИЕ10 (см.

5 там же, с. 39). Первый 12, второй 13, третий 5 и четвертый 14 регистры должны обеспечивать параллельную запись по фронту. Их можно выполнить на К555ИР27 (см. там же, с. 46). ФВИ 6 может быть выполнен в виде

0 схемы И и двухразрядного регистра сдвига, тактируемого импульсами с умножителя частоты 1, на информационный вход которого и схему И подан сигнал с первого ДЧ 2, а инверсный выход регистра соединен со вто5 рым входом схемы И.

Для ФКИ 7 можно использовать микросхему типа К155АГЗ(см.тамже, с.46), а БСК8 выполнить на К555СП1 и логических элементах. Элемент задержки 9 можно выпол0 нить на двух последовательно включенных ФКИ из микросхемы К155АГЗ.

Интегратор 10 можно выполнить в виде генератора тока, зарядного ключа, управляемого от ФВИ 6, интегрирующего конденса5 тора и разрядного ключа, управляемого от элемента задержки 9. Напряжения на выходе интегратора 10 при т Ti/K и Т 2Ti/K должны соответствовать границам диапазона преобразования АЦП 11. Последний мо0 жет быть асинхронного типа, Можно применить также и микросхему К1107ПВ1 (см. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы./ Под ред. Якубовский С.В. М.: Радио и связь, 1985, с, 365), которая выпол5 нит функции АЦП и первого регистра 12.

Как следует из изложенного, предлагаемый измеритель разности частот нечувствителен к ПФМ измеряемых колебаний, вызывающей немонотонность изменения их разности фаз. У прототипа наличие такой

ПФМ приводит к появлению систематической дополнительной погрешности измерения. Оценим предельный уровень ПФМ, при котором заявляемое устройство не имеет такой погрешности. Погрешность измерения возникает тогда, когда или при неоднократном пересечении функцией U очередного уровня квантования АЦП 11 в ФКИ 7 формируется более одного импульса, или же когда при пересечении очередного уровня квантования импульс не формируется. Оба случая возможны лишь тогда, когда ПФМ вызывает неоднозначность преобразования в АЦП 11, превышающую единицу его квантования, В наихудшем случае, когда текущая разность фаз сравниваемых чистых (т.е. без ПФМ) колебаний такова, что преобразуется в напряжение U, равноотстоящее от соседних уровней квантования (при этом на выходе АЦП 11 будет код числа L), наличие ПФМ с размахом, превышающим 2 я/kP, приведет к появлению в разные моменты времени на выходе кодов чисел L-1, L и L+1, а это, в свою очередь, вызовет формирование в ФКИ 7 ложных импульсов, приводящих к погрешности измерения.

Следовательно, предлагаемое устройство обеспечивает отсутствие дополнительной систематической погрешности измерения разности частот, которую могла

бы вызвать ПФМ сравниваемых колебаний,

при размахе последней до величины 2 л /kP.

Введение нового элемента (четвертого

регистра) и новых связей выгодно сличает

предложенный измеритель от прототипа, так как обеспечивает его помехоустойчивость - отсутствие дополнительной систематической погрешности измерения из-за паразитной фазовой модуляции сравниваемых колебаний.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве обеспечивается помехоустойчивость измерений при размахе ПФМ сравниваемых колебаний до величины

2 я/kP. Так, при К 3 и Р 64 допустима ПФМ с размахом порядка 2°, что легко обеспечивается опорными кварцевыми генераторами, для сравнения частот которых предназначен предложенный измеритель.

Формула изобретения

Устройство для измерения разности частот по авт.св. № 1624345, отличающее- с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введен четвертый регистр, информационные входы которого подключены к выходам второго регистра, тактовый вход соединен с выходом формирователя коротких импульсов, а выходы четвертого регистра подключены к третьим

входам блока сравнения кодов.

О

6 6

г

IIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

п

ПЛ П П П

Изобретение относится к технике электро- и радиоизмерений, может быть использовано для измерения разности частот высокостабильных опорных генераторов и является дополнительным к авт.св. СССР № 1624345. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости измерения при наличии паразитной фазовой модуляции сравниваемых колебаний. Цель достигается тем, что в устройство для измерения разности частот введен регистр 14, информационные входы которого подключены к выходу регистра 13, тактовый вход подключен к выходу формирователя 7 коротких импульсов, а выходы подключены к третьим входам блока 8 сравнения кодов. Устройство также содержит умножитель 1 частоты, делители 2,3 частоты, счетчик 4 импульсов, регистры 5,12, формирователь 6 временных интервалов, элемент задержки 9, интегратор 10, аналого-цифровой преобразователь 11.1 ил. сл

;лЈ/ тмзр

Фиг.2