Устройство для измерения разности частот

 

Изобретение относится к технике электрои 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИ Ч Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5, G 01 R 23/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ )

6)

Q1 (д

,6д

1 ) (61) 1624345 (21) 4827809/21 (22) 21.05.90 (46) 30,03.92. Бюл. N 12 (71) Ленинградский электротехнический институт связи им.проф. М.А,Бонч-Бруевича (72) С.В.Большаков и А.К,Кучумов (53) 621,317(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1624345, кл; G 01 R 23/00, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ЧАСТОТ (57) Изобретение относится к технике электро- и радиоизмерений, может быть использовано для измерения разности частот высокостабильных опорных генераторов и

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, N. 1624345. Один вход этого устройства через последовательно соединенные умножитель частоты, формирователь временных интервалов (ФВИ), интегратор, аналогоцифровой преобразователь (АЦП), первый и второй регистры, блок сравнения кодов (БСК), формирователь коротких импульсов (ФКИ) и счетчик подключен к третьему регистру. Другой вход устройства через последовательно соединенные первый и второй

„„ Ы „„1723533 А2 является дополнительным к авт.св. СССР

¹ 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. 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

1723533 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. Изза 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 cDКИ 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. N 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, 5 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, 10 первого ДЧ, ФВИ, элемента задержки и интегратора соответственно; е,ж,з — коды чисел в регистрах; первом, втором и четвертом; и,к — сигнал на выходе cDÊÈ и состояние счетчика.

15 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 корот20 ких 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 соеди25 ненные 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

30 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

35 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. Вто40 рой выход БСК8 и выход третьего 5 регистра являются информационными выходами устройства.

Измеритель разности частот работает следующим образом.

45 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

50 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 т6 (T>/Ê, 55 2Т1/К), где Т1 — 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

1723533 регистр 12 (фиг.2,е), Так как длительность импул ьса т характеризует текущую разность фаз сравниваемых колебаний (его изменение на Т1/К соответствует изменению разности фаз на 2л /К), то изменение числа L 5 на единицу соответствует изменению разности фаз на 2л /KP, где P — разность чисел, соответствующая Лt = T>/К.

Время измерения задается вторым ДЧ

3. Если он имеет коэффициент деления N, 10 то время каждого измерения в устройстве иэм = п N Тг, где Тг — период колебания на первом входе измерителя.

Пусть А,B и С вЂ” коды чисел, записанных соответственно в первый 12, второй .13 и 15 четвертый 14 регистры. БСК 8 выдает разрешающий сигнал на ФКИ 7 при выполнении условия (А W В) Л (А С) л (В С), (1) т.е. когда все три кода разные. По сигналу 20 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 25

t<3M 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 фрон- 30 ту импульса, поступающего с элемента задержки 9. Так как одновременно происходит запись в первый регистр 12 кода числа

LсАЦП 11,,то код во втором регистре 13 всегда равен коду, бывшему в первом реги- 35 стре12 на предыдущемтакте: В =Аь1, где!— номер такта (период тактовых импульсов на выходе элемента задержки 9 равен и Тг).

Информация в четвертый регистр 14 переписывается из второго регистра 13 по 40 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 45 одного такта после первого превышения напряжением U очередного уровня квантования АЦП 11. Если за время t<>M это произошло два раза, то в ФКИ 7 будет сформировано М импульсов а после окончания t>3M в третьем 50 регистре будет записано число М.

Так как разности соседних уровней квантования АЦП 11 соответствует изменение разности фаз h,p сравниваемых коле- . баний на 2 л/kP, à h,f = Лр/2 л/2 tgg, то 55

Л1(1 . M 27г . 1

2x kP n N Тг

М г

n.N k Р 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) (В > С), то f> < fz (при положительных крутизне интегратора 10 и характеристике АЦП 11).

B заявляемом измерителе разности частот умножитель частоты 1 может быть выполнен, 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

К. Первый 2 и второй 3 делители частоты должны иметь коэффициенты деления и и N соответственно. Они могут быть выполнены на цифровых микросхемах, например

К555И Е7 (см. В.А. Шило. Популярные цифровые 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, 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 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 вторым входом схемы И.

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

ФКИ из микросхемы К155АГЗ.

Интегратор 10 можно выполнить в виде генератора тока, зарядного ключа, управляемого от ФBИ 6, интегрирующего конденсатора и разрядного ключа, управляемого от элемента задержки 9, Напряжения на выходе интегратора 10 при t = Т1/К и Т = 2Т>/К должны соответствовать границам диапазона преобразования АЦП 11. Последний может 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 выполнит 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

1723533

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 л/kP, приведет к появлению в разные моменты времени на выходе кодов чисел 1=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 оличает

5 предложенный измеритель от прототипа, так как обеспечивает его помехоустойчивость — отсутствие дополнительной систематической погрешности измерения из-за паразитной фазовой модуляции сравнивае10 мых колебаний.

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

15 2 л /kP, Так, при К = 3 и P = 64 допустима

ПФМ с размахом порядка 2, что легко обеспечивается опорными кварцевыми генераторами, для сравнения частот которых предназначен предложенный измеритель.

20 Формула изобретения

Устройство для измерения разности частот по авт,св, 481624345, отл и ча ю щ е ес я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введен четвертый ре25 гистр, информационные входы которого подключены к выходам второго регистра, тактовый вход соединен с выходом формирователя коротких импульсов, а выходы четвертого регистра подключены к третьим

30 входам блока сравнения кодов.

1723533 .45

Составитель С. Большаков

Редактор Т. Орловская Техред М.Моргентал Корректор М, Максимишинец

Заказ 1063 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101