Устройство для измерения частоты Советский патент 1981 года по МПК G01R23/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при анализе радио- и гидролокационной информации. Известно устройство для измерения частоты по переходам напряжения через нулевой- уровень, содержащее последовательно соединенные счетчик чисел, соответствующих моментам нул пересечений, умножитель и суммматор счетчик числа нуль-пересечений, выход которого подключен ко второму входу умножителя, а вход соединен с первым входом счетчика чисел, соо ветствующих моментам нуль-пересечений, а также генератор эталонных меток времени соединенный выходом со вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-перес чений til. Однако это устройство дает существенные систематические погрешности из-за его чувствительности к неизвес ной случайной начальной фазе сигнала Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения частоты, содер дащее генератор эталонных меток времени, счетчик чисел, сбответствуюищх моментам нуль-пересечений, умнозЫтель и сумматор, счетчик числа нульпересечений, блок вычитания, ячейку памяти и делитель, при этом выход генератора эталонных меток времени соединен со вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нульпересечений, вход счетчика числа нульпересечений и первый вход счетчика чисел, соответствующих моментам нульпересечений., объединены, выходы счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки памяти подключены ко входам блока вычитания, выходы блока вычитания и счетчика чисел, соответствугадих моментам нультпересечений,подключены ко входам блока умножения, выход которого соединен со входом сумматора, выход сумматора и второй выход ячейки памяти подсоединены ко входам делителя 12. Недостатком этого устройства является то, что качественные показатели его работы существенно ухудшаются при уменьшении отношения сигнгш-шум на выходе. Это связано с появлением аномашьных ложных нулей, что обусловлено широкополосным характером действия помехи, а также перескоками фазы сиг- нала на 180 в пороговых устройствах из-за С1МПЛИТУДНЫХ замираний.

Цель .изобретения - повышение точности измерения частоты сигналов с неизвестной начальной фазой при малых отношениях сигнал-шум.

Поставленная цепь достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно соединенные счетчик импульсов, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с первым входом счетчика импульсов, генератор эталонных меток времени, выход которого соединен со вторым входом счетчика импульсов, блок вычитания, ячейку памяти и делитель, выход счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки -памяти подключены ко входам блока вычитания, выход которого соединен со вторам входом умножителя, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подключены ко входам делителя, введены формирователь нуль-пересечений, два элемента совпадения, три триггера, два интегратора, дифференциальный усилитель, регулируемый элемент задержки, формирователь стробирувдих импульсов, амплитудный дискриминатор и цифроаналоговый преобразователь, причем выход формирователя нуль-пересечений подключен к сигнальному входу первого элемента совпадения, управляющий вход которого соединен со входом формирователя стробирующих импульсов, выходом регулируемого элемента задержки и одним из входов первого триггера, другой вход которого соединен с выходом первого элемента совпадения , входом регулируемого элемента задержки ,сигнальным входом второго элемента совпадения и счетным входом второго триггера, выход котого подключен к одному из входов третьего триггера, другой вход которого подключен к управляющему входу второго элемента совпадения и к выходу формирователя стробирующих импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом амплитудного дискриминатора, выход делителя через цифроаналоговый преобразователь подключен к сигнальному входу амплитудного дискриминатора, к управляющему входу которого подключена шина опорного напряжения, выход второго элемента совпадения соединен со входом счет.чика числа нуль-пересечений, выход первого триггера через первый интегратор подключен к первому входу дифференциального усилителя, выход третьего триггера через второй интегратор подключен ко второму входу дифференцигшьного усилителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого элемента згщержки.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения част9ты; на фиг. 2-временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для измерения частоты содержит формирователь 1 нуль-пересечений, элементы 2 и 3 совпадения, ре;гулируемый элемент 4 задержки, формирователь 5 стробирующих импульсов, генератор 6 эталонных меток времени, счетчик 7 импульсов, умножитель 8, сумматор 9, триггеры 10-12, счетчик 13 числа нуль-пересечений, блок 14 йычитания, ячейку 15 памяти, делитель 16, первые интеграторы 17 и 18, дифференциальный усилитель 19, амплитудный дискриминатор 20, цифроаналоговый преобразователь 21, вход 22, шину 23 опорного напряжения и выход 24. Причем формирователь 1 нуль-пересечений, первый элемент 2 совпадения, регулируемый элемент 4 задержки, формирователь 5 стробирующих импульсов и второй элемент 3 совпадения последовательно соединены, выход регулируемого элемента 4 задержки подключен к управляющему входу первого элемента 2 совпадения и к одному из входов первого триггера 12, первый элемент 2 совпадения соединен с другим входом первого триггера 12, счетным входом второго триггера 10 и сигнальным входом второго элемента 3 совп.адения, один вход третьего триггера 11 соединен с выходом второго триггера 10, а другой вход триггера 11 подключен к выходу формирователя 5 стробирующих импульсов, выходы первого триггера 12 и третьего триггера 11 соединены со входами первого интегратора 17 и второго интегратора 18,. выходы которых подключены ко входам дифференциального усилителя 19, вход усилителя 19 подключен к управляющему входу регулируемого элемента 4 задержки, выход второго элемента 3 совпсщения соединен с объединенными входами счетчика 7 импульсов и счетчика 13 числа нуль-пересечений, генератор 6 эталонных меток времени, счетчик 7 импульсов, умножитель 8 и сумматор 9 последовательно соединены выход счетчика 13 числа нуль-пересечений и первый выход ячейки 15 памяти подключены ко входам блока 14 вычитания, выход которого соединен со вторым входом умножителя 8, второй выход ячейки 15 памяти и выход сумматора 9 подключены ко входам делителя 16, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя 21, выход цифроаналогового преобразователя 21 соединен с сигнальным входом амплитудного дискриминатора 20 управляющий вход которого соединен с шиной 23 опорного напряжения, а выход - .с управляющим входом формирователя 5 стробирующих импульсов. Исследуемлй сигнал подается на вход 22 формирователя 1 нуль-пересечений, опорное наряжение подается на управляющий вход 23 амплитудного дискриминатора 20, оценка исследуемого сигнала формируется на выходе 24 делителя 16. Устройство работает следующим образом. При поступлении на вход устройства 22 исследуемого сигнала на выходе формирователя 1 нуль-пересечений образуется поток коротких импульсов, поступающих на вход первого элемента 2 совпадения, который в исходном состоянии открыт. При появлении на выходе 2 элемента 2, первого импульса производится запуск регулируемого элемента 4 задержки, который формиру ет импульс длительностью TQ, соответ ствующий на первом шаге измерения ап риорным сведениям об исследуемом сиг нале. -На время действия этого импуль са элемент 2 совпадения запирается, что позволяет не пропустить на вход измерителя аномальных нулей. В момент, соответствующий заднему фронту импульса регулируемого элемента 4 задержки, триггер 12 переводится в единичное состояние и одновременно запускается формирователем 5 строби- рующих импульсов, длительность импул са которого соответствует априорным сведениям о частоте и определяется в ражением для дисперсии периода нульпересечений следующим образом. в- (Го)НЙ-)(5)- , где Т51Г)-и- /гЫо {Г-Со)-рГо функция корреляции для двух- соседних нулей при достаточно высоком отношении сигнал-шум. Такая модель диспресии нуль-перёс чений хорошо соответствует потоку нормально флюктуирующих нулей при условии эффективного стробирования выборки. При поступлении на вход устройства второго нормального нуля тригге 12 устанавливается в исходное состоя ние, одновременно с этим триггер 10, который также возвращается в исходное положение- переводит триггер 11 в единичное состояние. Второй нормаль ный нуль через второй элемент 3 сов падения поступает на объединенный вход счетчика 13 числа нуль-пересече ний и счетчика 7 импульсов и служит для формирования оценки частоты. В момент окончайия стробирукадего импуль са в формирователе 5 триггер 11 воз-, вращается в исходное состояние. На выходах триггеров 12 и 11 образуются импульсы, длительность которых определязт сдвиг второго -- нормального нуля относительно центра стробирующего импульса. На фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип стробирования нормальных нулей и метод временного сдвига очередного ну ля относительно центра стробирующего импульса. Полученная информация о положении очередного нуля используется для управления положением стробирующе го импульса. На фиг. 2а крестиками отмечены аномальные нули, которые за счет стробирования не используются в данном устройстве для оценки частоты, что позволяет существенно уменьшить смещение и дисперсию оценки. Импульсы с выходов триггера 12 и 11 поступают на входы интеграторов 17 и 18, где преобразуются в напряжения, пропорциональные их длительности. Затем эти напряжения подаются на входы дифференциального усилителя 19, который вырабатывает напряжение, пропорциональное временному сдвигу текущего нуля относительно середины стробирующего импульса. Это напряжение используется для управления длительностью импульсов регулируемого элемента 4 задержки для слежения за временным положением стробирукнцего импульса на последующих шагах измерения. Поток нулей с выхода элемента 3 поступает на объединенные входы счетчика 7 импульсови счетчика 13 числа нуль-пересечений. На выходе счетчика 13 числа нуль-пересечений формируется число п, равное количеству переходов исследуемого сигнала через нулевой уровень в течение интервала наблюдения без учета аномальных нулей, прохождение которых запрещает формирователь 5. Одновременно в счетчике 7 импульсов,на второй вход которого поступают счетные импульсы с выхода генератора 6 эталонных меток времени, формируются числа t,, которые соответствуют интервалу времени от начала интервала наблюдения до п-го пересечения сигналом нулевого уровня. Эти числа соответствуют количеству счетных импульсов генератора б эталонных меток времени, поступающих на вход счетчика за указанные интервалы времени. Поскольку устранение влияния случайной начальной фазы обеспечивается переносом оценки частоты f к середине интервала наблюдения, в ячейку 15 памяти введено число М, р-авное половине количества нуль-пересечений, которые должны быть проанализированы, т.е. задается фиксированная длина выборки по количеству нулей. Число М из ячейки 15 памяти и числа п счетчика 13 числа нуль-пересечений поступают на входы блока 14 вычитания, на выходе которого формируется разность чисел п п-М. Указанная разность чисел п и чисел с выхода счечика 7 импульсов поступает на вход умножителя 8, который реализует операцию вычисления nt,. Полученное произведение подается на вход сумматора 9, на выходе которого формируется число, равное 1 nt,, и поступает на вход делителя 16. Кроме того, в ячейку 15 памяти введено число 2 j., и , Эта константа используется в качестве елимого в блоке 16 делителя, на выхое которого получают искомую оценку частоты. Полученная оценка частоты подается на вход цифроаналогового преобразователя 21, который вырабаты вает напряжение, пропорциональное частоте, определенной в результате усреднения выборки нулей фиксированной длительности. Напряжение с выхода дифроаналогового преобразователя 21 поступает на сигнальный вход амплитудного дискриминатора 20, на управляющий вход которого подается опорное напряжение, соответствунзщее априорным сведениям о частоте. Раз-, ность указанных напряжений поступает на управляющий вход формирователя 5 для управления длительностью стробирующего импульса. Таким образом, предлагаемое устро ство осуществляет эффективное строби рование выборки как путем слежения за временным положением стробирующего импульса, так и путем сЛежения за его длительностью. При этом слеже ние за временным положением стробирующего импульса осуществляется для каждого последующего нуля на основании наблюдения на каждом предыдущем нулевом шаге, в то время как слежение за длительностью стробирующего импульса осуществляется на осно ве анализа оценки частоты, полученно путем оптимального усреднения выборк нулей длительностью Т, и измеряется дискретно от выборки к выборке. Это позволяет существенно повысить точность и достоверность измерения частоты сигналов с неизвестной начал ной фазой. Формула изобретения Устройство для измерения частоты содержащее последовательно соединен ные счет1ик импульсов, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересе ний, вход которого соединен с первы входом счетчика импульсов, генератор эталонных меток времени, выход которого соединен со вторым входом счетчика импульсов, блок вычитания, ячейку памяти и делитель, выход сче чика нуль-пересечений и первы выход ячейки памяти подключены ко входам блока вычитания, выход котор го соединен со вторым входом умножи теля, второй выход ячейки памяти и ход сумматора подключены ко .входам лителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения частоты сигналов с неизвестной начальной .фазой при малых отношениях сигнал-шум, в него введегал формирователь нуль-пересечеНИИ, два элемента совпадения, три триггера, два интегратора, дифференциальный усилитель, регулируемый элемент задержки, формирователь стробирующих импульсов, амплитудный дискриминатор и цифроанеипоговый преобразователь, причем выход формирователя нуль-пересечений подключен к сигнальному входу первого элемента совпадения, управляющий вход которого соединен со входом формирователя стробирующих импульсов, выходом регулируемого элемента задержки и одним из входов первого триггера, другой вход которого соединен с выходом первого элемента совпадения, входом регулируемого элемента задержки, сигнальным входом второго элемента совпадения и счетным входом второго триггера, выход которого подключен к одному из входов третьего триггера, другой вход которого подключен к управляющему входу второго элемента совпадения и к выходу формирователя стробирующих импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом амплитудного дискриминатора, выход делителя через цифроаналого.вый преобразователь подключен к сигнальному входу амплитудного дискриминатора, к управляющему входу которого подключена шина опорного напряжения, выход второго элемента совпадения соединен со входом счетчика числа нуль-пересечений, выход первого триггера через первый интегратор подключен к первому входу дифференциального усилителя, выход третьего триггера через второй интегратор подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого элемента задержки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Андронов И.А., Снитко Б.Н. Об измерении частоты по переходам напряжения через нулевой уровень. - Радиотехника, т. 29, 1974, P 6, с. 7679. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2594953, кл. G 01 R 23/00, 1978.

25

Фиг.