Устройство для измерения малых изменений частоты Советский патент 1992 года по МПК G01R23/06 

VI

сл о

00

to ю

Использование: измерение параметров физических объектов. Сущность изобретения: устройство содержит генераторы 1,3 и 6, источник 12 входного сигнала, ЧМ-моду- лятор 2, регулируемый усилитель 4, преобразователь 5 напряжение - ток, фазовый детектор 7, фильтры 8 и 10. блок 9 индикации, амплитудный детектор 11.1-2-3-7,12- 3-4-5-6-7-8-9, 7-10-11-4.2 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров физических объектов

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для измерения малых изменений частоты; на фиг.2 - эпюры, поясняющие его работу.

Устройство содержит последовательно соединенные вспомогательный генератор 1, частотный модулятор 2, управляющий генератор 3, регулируемый усилитель 4, преобразователь 5 напряжение - ток, опорный генератор 6, фазовый детектор 7, фильтр 8 низкой частоты, блок 9 индикации, а также последовательно соединенные полосовой фильтр 10 и амплитудный детектор 11, источник 12 входного сигнала, причем выход генератора 3 соединен с вторым входом фазового детектора 7, а выход детектора 7 соединен с входом полосового фильтра 10, выход амплитудного детектора 11 соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 4, выход источника 12 входного сигнала подключен к второму входу генератора 3.

Генератор 1 имеет частоту выше наибольшей граничной частоты спектра полезного сигнала и он осуществляет модуляцию частоты колебаний генератора 3 (о-. Тогда

(t) -wo + Aft%H одэ + Aft) +ЛоДзц , где (Оо - резонансная частота контура генератора 3 в автономном режиме;

и Дй%н - ее изменения под действием опорного сигнала и внешнего.

Выходной сигнал генератора 3 синхронизирует колебания генератора 6. Разность фаз сигналов этих генераторов содержит информацию об изменении частоты сигнала генератора 3 в соответствии с выражением

,-«(). (1)

где I - амплитуда сигнала синхронизации;

р- характеристическое сопротивление контура;

Ас, Ао-амплитуда колебаний в режимах синхронизации и автономной, и выделяется фазовым детектором 7.

-юг wi До + АЙ%Н.

где 0)2 - резонансная частота контура генератора б, которая выбирается равной соо.

Допустим, что изменения частоты выходного сигнала генератора 3 под действием внешнего происходит по пилообразному закону (кривая 1 на фиг.2а), Изме0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

нения резонансной частоты контура Дшэ за счет влияния опорного сигнала изображены кривой 2. Тогда в соответствии с выражением (1), графически представленным зависимостью 3 на фиг.2б, выходной сигнал фазового детектора 7 представляет входные зависимости в искаженном виде (кривая 4, фиг.2в). Величины фазового сдвига, обусловленные составляющей Додо, зависят от значений ДоМн ; Д(фиг.3б), что обусловлено нелинейностью выражения (1). Если теперь изменять величину сигнала синхронизации I таким образом, чтобы Д#/ постоянно, то это означает линеаризацию нелинейной зависимости 3 - прямая 5 и воспроизведение входных зависимостей (фиг.2а) без искажений (кривая 6 фиг.2в). Изменение сигнала синхронизации приводит к дополнительному положительному эффекту - расширяется полоса синхронизации | - Дшн I I Aftfe - Aeon, т.е. если изменения частоты генератора 3 превысят интервал - ДйЛь то уменьшение величины сдвига фазы, осуществляется путем увеличения амплитуды тока синхронизации при увеличении расстройки Дй) согласно выражению (1), что приводит к увеличению полосы синхронизации.

Для осуществления приведенных положений в предлагаемом устройстве производится модуляция резонансной частоты контура вспомогательным гармоническим сигналом. Затем из сигнала фазового детектора 7 выделяется этот сигнал и далее вводится автоматическая система регулирования величины сигнала синхронизации, которая функционирует так, чтобы амплитуда опорного сигнала на выходе фазового детектора 7 оставалась неизменной.

Устройство работает следующим образом.

Выходной сигнал вспомогательного генератора 1 U - acos Q t воздействует на модулятор 2, который осуществляет тональную частотную модуляцию сигнала генератора 3 с частотой Q. Частотная модуляция этого же сигнала осуществляется посредством источника 12 входного сигнала, с помощью которого регистрируется интересующий параметр физического объекта, например влажность, перемещение и т.д.

Выходной сигнал генератора 3 можно записать в виде,

I Acos|(ffio + Ј (t)) + сад cos +#f,

(2)

где $(t) - функция, которая является носителем полезной информации о физическом

объекте и вызывает изменение частоты cvir- нала в пределах от Д° макс;

ио - резонансная частота контура генератора 3 при отсутствии модуляции;

(WgCOsQt- составляющая, которая представляет изменение частоты выходного сигнала, вызванного воздействием сигнала вспомогательного генератора 1; р- начальная фаза

Частота модуляции Q (Омакс, величина о)д (бУмакс - ) ,т.е. амплитуда дополнительно введенной тональной частотной модуляции меньше изменений частоты сигнала, обусловленных полезной информацией. Далее выходной сигнал генератора 3 обрабатывается регулируемым усилителем 4, с помощью которого производится изменение его амплитуды. Затем он посредством преобразователя 5 напряжение - ток Преобразуется в ток, который осуществляет синхронизацию колебаний генератора б. Наличие преобразователя 5 обусловлено спецификой синхронизации опорного генератора 6 В результате процесса синхронизации изменение частоты сигнала синхронизации преобразуется в фазовый сдвиг.

Выходной сигнал генератора 6 можно записать в виде.

и Arcos/t(ftJo +Ј(t)) +acosQt t4+0(tU (з)

где фаза

p (t) (t)+acosat, которая выделяется фазовым детектором 7. Выходной сигнал его поступает на вход фильтра 8 нижних частот, граничная частота которого выбрана так, чтобы уверенно подавить гармонический сигнал а cos Qt. обусловленный вспомогательным генератором 1.

Таким образом, выходной сигнал фильтра 8 нижних частот имеет вид

Ui-Ki |(t)

и представляет полезную информацию, заключенную в сигнале генератора 3. Затем сигнал Ui поступает в блок 9 индикации.

Выходной сигнал фазового детектора 7 поступает также на вход полосового фильтра 10, назначение которого - выделить вспомогательный опорный гармонический сигнал и исключить прохождение информационной составляющей Ј(t).

Выходной сигнал полосового фильтра 10 можно представить следующим образом:

U2 a2cos Qt, где 32 - константа.

Далее напряжение U2 детектируется с помощью амплитудного детектора 11, выходной сигнал которого 11допределяется величиной амплитуды входного;

Од К2 32,

где К2 - константа,

и отслеживает изменение последнего.

Это напряжение воздействует на управляющий вход регулируемого усилителя А и осуществляет регулирование его коэффициента усиления, Блоки 4-7,10 и 11 замкнуты

в кольцо и представляют систему автоматического регулирова ния7назначение которой осуществлять изменение коэффициента усиления регулируемого усилителя 4, что вызывает изменение величины сигнала синхронизации таким образом, чтобы поддерживать амплитуду аТ вспомогателыюго опорного сигнала неизменной в процессе работы устройства. Это означает, что крутизна характеристики преобразования постоянна во всем диапазоне изменения информационной составляющей Ј (t) Сохранение ширины полосы синхронизации приводит к увеличению крутизны преобразования (прямая 7, фиг.2б).

Диапазон синхронизации опорного генератора б выбирается больше диапазона изменения частоты генератора 3. Формула изобретения Устройство для измерения малых изменений частоты, содержащее источник входного сигнала, опорный генератор, фазовый детектор и индикатор, Причем выход опорного генератора соёдЙЙТГн с первым входом фазового детектора, отличающееся

тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные вспомогательный генератор и частотный модулятор, а также преобразователь напряжение - ток, фильтр низкой частоты, последовательно соединенные полосовой фильтр и амплитудный детектор, регулируемый усилитель и управляющий генератор, к второму входу которого подключен источник входного сигнала, выход

частотного модулятора соединен с первым входом управляющего генератора, выход которого подключен к второму входу фазового детектора и входу регулируемого усилителя, выход этого усилителя соединен с

входом преобразователя напряжение - ток, выход которого соединен с входом опорного генератора, выход фазового детектора подключен к входам фильтра низких частот и полосового фильтра, с выходом фильтра

низких частот соединен вход блока индикации, выход амплитудного детектора соединен с управляющим входом регулируемого усилителя.

if, г pad

Ч, град

t

Фиг. 2