Адаптивное устройство измерения частоты Советский патент 1993 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к технике для радиоиэмерений и преимущественно может использоваться в устройствах измерения частот квазидетерминированных сигналов при большом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов, а также для систем связи в автоподстройке частоты.

Цель изобретения - повышение точности измерения частоты и квазидетерминированных сигналов при малом отношении сигнал/помеха и неизвестном динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов.

На фиг. 1 приведена структурная схема адаптивного устройства измерения частоты; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений, поясняющих принцип работы устройства; на фиг. 3 - дискриминационная характеристика адаптивного устройства измерения частоты.

За счет введения блоков первого электронного ключа, генератора тактовых импульсов достигается временная синхронизация работы всех блоков устройства в целом на интервале анализа, блоки ждущего мультивибратора, второго электронного ключа, инвертора напряжения, четвертого электронного ключа, пятого электронного ключа и третьего электронного ключа обеспечивают сброс интеграторов устройства и подготовку их к следующему такту работы, блоки четвертого интегратора и второго формирователя модуля напряжений осуществляют оценку амплитуды сигнала в верхнем канале, а третьего интегратора и первого формирователя модуля напряжения - в нижнем канале, что является необходимой операцией для адаптации устройства, блоки первого и второго компараторов и опорных напряжений формируют величину квантованного управляющего напряжения и тем самым осуществляют установку квантов напряжения первого и второго аналого-цифровых преобразователей.

Адаптивное устройство измерения частоты содержит последовательно соединенные первый электронный ключ 1, полосовой

ю ел

фильтр 2, линию задержки 3, вход которой соединен с первым входом первого фазового детектора 4 и фазовращателем 5, выход линии задержки 3 соединен со вторыми входами первого 4 и второго 6 фазовых детекторов, выход генератора тактовых импульсов 7 соединен со вторым входом первого электронного ключа 1 и входами ждущего мультивибратора 8, второго электронного ключа 9, инвертора напряжения 10, первый выход ждущего мультивибратора 8 соединен со входом четвертого электронного ключа 11, а второй выход со входом пятого электронного ключа 12, выход инвертора напряжения 10 соединен со входом третьего электронного ключа 13, выход которого соединен со вторым входом второго интегратора 14, с выходом второго электронного ключа 9 и вторым входом первого интегратора 15, выход которого соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя 16, выход первого 4 фазового детектора соединен с первым входом четвертого интегратора 17, выход которого соединен со входом второго формирователя модуля напряжения 18, выход второго фазового детектора 6 соединен с первым входом третьего интегратора 19, выход которого соединен со входом первого формирователя модуля напряжения 20, вторые входы третьего 19 и четвертого 17 интеграторов присоединены к параллельно соединенным выходам четвертого 11 и пятого 12 электронных ключей; выход первого формирователя модуля напряжения 20 соединен с N входами второго блока компараторов 21, а выход второго формирователя модуля напряжения 18 - с N входами первого блока компараторов 22, N выходов которого соединены с N входами m-адресного первого аналогового мультиплексора 23, N выходов второго блока опорных напряжений 21 соединены с N входами второго аналогового мультиплексора 24, на информационные входы которого подключены N выходов второго блока опорных напряжений 25, N выходов первого блока опорных напряжений 26 подключены к информационным входам первого аналогового мультиплексора 23, выход которого соединен со вторым входом первого аналого-цифрового преобразователя 16; выход второго интегратора 14 соединен с первым входом второго аналого-цифрового преобразователя 27, второй вход которого соединен с выходом второго аналогового мультиплексора 24, выходы первого 23 и второго 27 аналого-циф- ро вых преобразователей соединены с первым И вторым входами третьего фазового детектора 28.

Работает устройство следующим образом.

Входной сигнал, представляющий собой непрерывное квазигармоническое коле- бание

п (twfumBxcos( +y)., Тс. 1o,,Tc

где Утех амплитуда входного сигнала, й)ос. р - его центральная частота и началь- ная фаза,

Полагаем, ЧТО UmBX 6 UmexmlrvLWrn, %с G ftfccmln . COocmax P 6 - Я , Jl .

Входной сигнал, поступающий на первый электронный ключ 1, где формируется при помощи синтезатора частот, который перестраивается частотными ступеньками, равными ширине полосы пропускания полосового фильтра (2), и с промежуточной частотой, равной центральной частоте полосового фильтра (2), причем длительность анализа частотной ступеньки равна Та Тс - и совпадает с длительностью временных стробов генератора тактовых импульсов 7 (а), поступающих на второй вход электронного ключа (1). Так как входная часть, состоящая из синтезатора и смесителя, присуща всем одноканальным устройствам измерения частоты, работающим в

широком диапазоне частот, то эти блоки в структуре устройства не введены. Одновременно в полосе полосового фильтра 2 может присутствовать не более одного сигнала. После полосовой фильтрации в 2 сигнал

поступает на первый вход первого фазового детектора 4 и имеет вид

и1Фд(г) ит1{сб8((Уос1 ), t (0, Тс). :,. и на первый вход второго фазового детектоРа 6 через фазовращатель на

УафдЮ Um2 COS ((Woe t + + )

Umasin (Woc t 4-#2 ).

Для формирования дискриминационной характеристики Uex(t) поступает на линию задержки 3 с величиной задержки Тлз, величина которой выбирается из условия, чтоГлз больше времени корреляции помехи, но меньше времени корреляции сигнала с

учетом заданной полосы полосового фильтра 2. После этого на вторых входах первого фазового детектора 4 и второго фазового детектора 6 соответственно получим:

U30A(t) Um3COS (ftloc (t + ГЛЗ) + ( ), Щфдф ( ( t + Тлэ) + 0Тогда отклик первого 4 и второго 6 фазовых детекторов равен соответственно:

Кбфд UmsCOS (Woe Тлз. Убфд UmoSln Woe Тлз Коэффициенты передачи 4 и 6 выбираются так, чтобы Um5 Ume. тогда после первого 15 (д) интегратора и второго интегратора 14 (е) получим

UMHTI Та Um2 COS Ufcc пз , UnHT2 TaUm2Sln ftJoc пз ,

с учетом, что импульсная характеристика идеального интегратора равна 1 /Та, то

UHHTI UmCOS Wbc лз . 11инт2 UmsSin OJoc Тлз

Одновременно сигнал с генератора тактовых импульсов поступает на вход второго электронного ключа 9 (в), который на время работы первого 15 и второго 14 интеграторов Та закрыт, после инвертирования в 10 (б) открывается третий электронный ключ 13 (г) на время восстановления гв первого 15 и второго 14 интеграторов. Таким образом, блоки 9, 10, 13 обеспечивают тактирование работы интеграторов 14,15: в моменты времени Та интеграторы 14 и 15 интегрируют, а в моменты Тв восстанавливаются. Очевидно, что Те «Та. Для обеспечения адаптации динамического диапазона дискриминационной характеристики производится одновременное оценивание амплитуды. Для этого напряжения с выхода первого 4 и второго 5 фазовых детекторов подаются на третий 19 и четвертый 17 интеграторы с постоянной интегрирования ТИ2 THI Та, т.е. на выходе четвертого и третьего интеграторов имеем

U4M Ти4 Um4COS Woe лз i иЗи - Тиз Um3 S-ln OJoc Тлэ ,

где Um4 оценка амплитудьг . Um3 оценка амплитуды Um2- при Ти$ Тиз ТИ2

Та. Um4 И Um3 Совпадают С Um2- НО ДИСПврсия оценки в этом случае больше, т.к. постоянная интегрирования третьего и четвертого интеграторов меньше постоянной интегрирования первого и второго интеграторов. Выполнение условия ТИ2 Та принципиально, т.к. его сообщение позволяет получить оценку амплитуды быстрее по времени и тем самым обеспечить необходимое время адаптации и анализа устройства. С учетом импульсной характеристики идеального интегратора получим

1)4и Um4COS (the Тпя, U3M Um3SinCOocTn3.

Так как 1)4и и Узи в зависимости от значения QJoc лз могут иметь разные знаки, то далее происходит модульная оценка ампли-. туды, т.е. на выходе блоков формирования модуля напряжения 20 и 18 получим соответственно

UB 11Ми 1 IUm4COS «ЬсТлз,

UH |U3Hl lUm5 81п МосГлз1 i

где I I -означает операцию формирования модуля. Работа интеграторов, третьего 19 и четвертого 17, синхронизируются генерато- 5 ром тактовых импульсов 7.

Временные диаграммы, показывающие синхронизацию процессов по времени, приведены на фиг. 2, где ждущий мультивибратор 8 (ж) запускается передним фронтом

импульсов в генератора тактовых импульсов 7; сигнал с одного плеча ждущего мультивибратора (ж) открывает четвертый электронный ключ 11 (и), а с другого плеча закрывает пятый электронный ключ 12 (к) и

5 тем самым управляет временем включения интеграторов 19 (л) и 17 (м) и их сброса. Выходы блоков формирования модуля напряжения 20 и 18 подключены на N входов первого блока компараторов 22 и второго

0 блока компараторов 21, Первый и вторые блоки компараторов 21, 22 в зависимости от величины UB и UH, которые сравниваются с напряжением Uoi-..Uo2, Uo2...Uo3. UON-I...UON и выдают логическую единицу на одном из

5 входов аналогового мультиплексора 23(24), например, если сработал блок 22 (г), то будет следующий код на выходах компаратора 22 0100,..0, тогда на выходе 23 появится напряжение с блока (первый блок опорного на0 пряжения), пропорциональное оценке амплитуды сигнала. Аналогично работает нижний канал. Причем число уровней напряжения второго блока опорных напряжений 25 и первого блока опорных

5 напряжений 26 выбирается из условия допустимой погрешности аппроксимации дискриминационной характеристики (фиг. 3 и) заданного входного динамического диапазона амплитуд. Число градаций опорного

0 напряжения блоков 25 и 26 равно числу уровней сравнения компараторов 21 и 22.

Таким образом, на выходе первого аналогового мультиплексора 23 вырабатывается с первого блока опорных напряжений 26

5 управляющий сигнал, который поступает на установочный вход первого аналого-цифро- вого преобразователя 16, в результате чего происходит адаптация динамического диапазона 16 (фиг. 3) под уровень сигнала с

0 выхода первого интегратора 15, пропорционального измеряемой частоте. Аналогичные операции происходят в блоках 21,24,25 и 27. В результате в третьем фазовом детекторе 28 происходит деление откликов пер5 вого 16 и второго 27 аналого-цифровых преобразователей и функциональное преобразование вида арктангенса.

Положительный эффект изобретения заключается в следующем.

При измерении центральной частоты сигналов о«ос в широкой мгновенной полосе Л ом большой интерес представляет собой случай приема слабых сигналов, когда входное отношение сигнал /помеха по мощности

„ Чвх NmAfn

где Рс - мощность сигнала;

он 2 Nm Afn - мощность помехи. Среднеквадратичная погрешность оценивания частоты гармонических сигналов определяется как

.

qA;

2ЯГлзОД

двх2УДтпТа V1+2qBX2

Тлз - время запаздывания в линии задержки;

Та - время интегрирования (анализа).

С целью уменьшения влияния уровня входного сигнала Рс на величину погрешности 7f используют различного рода нормировки, например ограничитель или усилитель с АРУ на входе автокорреляционных частотных дискриминаторов или устройство с квадратурной обработкой и устройством деления квадратурных составляющих. Однако использование для нормировки ограничителя или усилителя с АРУ целесообразно только при qBx2 1. когда еще обеспечивается стабилизация уровня сигнала Рс. Поскольку при qBx2 1 уровень стабилизации определяется в основном

мощностью шума оь2 и на выходе ограничителя отношение сигнал/помеха qubix

я 2

-пЦт , то при этом не устраняется влияние

уровня сигнала на 0г, что делает такую операцию неприемлемой.

Более подходящей является нормировка с использованием квадратур и делителя, поскольку операция деления проводится после интегрирования, которое существенно уменьшает влияние шумов. Недостатком такого варианта нормировки является возникновение значительных аппаратурных погрешностей, обусловленных дрейфом нуля в усилителе постоянного тока, используемых для увеличения уровня эффекта на выходе интегратора. Для устранения данного недостатка целесообразно после фильтрации напряжений на выходе фазовых детекторов автокорреляционного частотного дискриминатора с квадратурной обработкой использовать аналого-цифровой пр еобразователь, что позволяет существенно уменьшить аппаратурную погрешность

входной части адаптивного устройства измерения частоты.

На фиг. 3 приведена положительная ветвь дискриминационной характеристики,

реализованной на аналого-цифровом преобразователе. Задаваясь динамическим диапазоном D Umax - Umin в полосе частот fmax и величиной допустимой погрешности, приближенно равной Лпах, можно исходя

из величины Umin определить Amin. В связи с тем, что при приеме слабых сигналов qex2 1 на выходе фазовых детекторов qewx2 qux . т.е; проявляется пороговый эффект, который приводит к расширению выходного динамического диапазона по сравнению со входным динамическим диапазоном, Это обстоятельство при фиксированном шаге и числе разрядов АЦП приводит к возрастанию методической погрешности из-за несогласования шага квантования и допустимого изменения уровня сигнала. В предлагаемом адаптивном устройстве измерения частоты осуществляется экспресс-оценка Рс и измерение шага квантования, обеспечивающие гарантированную точность измерения частоты. Например, если D 2,56 В, число разрядов пр 8, т.е. число уровней 28 256, то Д U 2,56

256

0,01 В 10 мВ npifl крутизне дискри5

0

5

0

5

минационной характеристики S - D/fmax (fmax 256 кГц, S 0,01 В/кГЦ); т.е. 10 мВ соответствует 1 кГц, таким образом, точность измерения частоты составляет 1 кГц. Если динамический диапазон уменьшился в 10 раз, т.е. D 0,256 В, то при пр 8, m 256, AD 10 мВ S 0,001 В/кГц, отсюда увеличение погрешности составляет 0,01/0,001 10 раз. Если осуществлять адаптацию крутизны с одновременной оценкой Рс, то увеличения погрешности измерения частоты не происходит во всем допустимом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Адаптивное устройство измерения частоты, содержащее первый фазовый детектор, второй фазовый детектор, линию задержки, полосовой фильтр, фазовраща- тель, выход линии задержки соединен с вторыми входами первого и второго фазовых детекторов, выход фазовращателя соединен с первым входом второго фазового детектора, вход - с выходом полосового фильтра и входом линии задержки, выход полосового фильтра соединен с первым входом первого фазового детектора, отличающееся тем, что, с целью повышения

точности измерений частоты, в него введены первый, второй, третий, четвертый и пятый электронные ключи, генератор тактовых импульсов, ждущий мультивибратор, инвертор напряжения, первый и второй, третий и четвертый интеграторы, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, первый и второй формирователи модуля напряжения, первый и второй аналоговые мультиплексоры, первый и второй блоки опорных напряжений и третий фазовый детектор, причем вход первого электронного ключа является входом устройства, а выход соединен с входом полосового фильтра, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом ждущего мультивибратора и входами второго электронного ключа и инвертора, выход первого фазового детектора через первый интегратор соединен с первым входом первого ана- лого-цифрового преобразователя и непосредственно с первым входом четвертого интегратора, выход второго фазового детектора через второй интегратор соединен с первым входим второго аналого-цифрового преобразователя и непосредственно с первым входом третьего интегратора, выходы четвертого и пятого электронных ключей объединены и подключены к вторым входам третьего и четвертого интеграторов, первый выход ждущего мультивибратора соединен с входом пятого электронного

ключа, а второй выход - с входом четвертого электронного ключа, выход третьего электронного ключа соединен с вторыми входами первого и второго интеграторов и выходом 5 второго электронного ключа, а вход - с выходом инвертора напряжения, входы первого и второго формирователей модуля напряжений соединены соответственно с выходом третьего интегратора и выходом

0 четвертого интегратора, выходы первого и второго формирователей модуля напряжений соответственно соединены с входами второго и первого блоков компараторов, информационные входы первого аналогового

5 мультиплексора соединены с выходами первого блока опорных напряжений, а управляющие входы соединены с выходами первого блока компараторов, информационные входы второго аналогового мультиплексора со0 единены с выходами второго блока опорных напряжений, а управляющие входы-соединены с выходами второго блока компараторов, выход первого аналогового мультиплексора соединен с вторым входом

5 первого аналого-цифрового преобразователя, а выход второго аналогового мультиплексора соединен с вторым входом второго аналого-цифрового преобразователя, при этом первый и второй входы третье0 го фазового детектора соединены с выходами первого и второго аналого-цифрог вых преобразователей соответственно.

J

s

Ы

И л

Изобретение может быть использовано в устройствах измерения частоты квазиде- терминированныхсигналов. Цель изобретения - повышение точности измерения частоты - достигается тем. что в адаптивное устройство измерения частоты введены электронные ключи, генератор тактовых импульсов, ждущий мультивибратор, инвертор напряжения, интеграторы, аналого-цифро- вые преобразователи, формирователи модуля напряжений, блоки компараторов, аналоговые мультипликаторы, блоки опорных напряжений и фазовый детектор. Устройство также содержит полосовой фильтр, линию задержки, фазовые детекторы, фа- зовращатель. 2 ил.

«-

T.F

ю

±

CM

т

Т

IPinJ

L fc 29 J

JU

55

.я

tft

л

и

;E

T«i

U i

- Тнг „

I 0

Л.

0

л

И

Г