Способ измерения частоты сигнала и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических и информационно-вычислительных системах, функционирующих в реальном масштабе времени. Устройство для измерения частоты сигнала содержит генератор импульсов, аналого-цифровой преобразователь, ключ, накапливающий сумматор, счетчик импульсов, узел сравнения, делитель, триггер. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических и информационно-вычислительных системах, функционирующих в реальном масштабе времени.

Известен способ определения частоты сигнала по положению максимума амплитуды на оси частот в измеряемом спектре сигнала (Мартынов В.А., Селихов Ю. И. Панорамные приемники и анализаторы спектра. Под ред. Г.Д.Заварина, 2-е изд. перераб. и доп. М.: Советское радио, 1980, с.352).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения частоты, заключающийся в получении дискретных значений входного сигнала, определении номера максимальной спектральной составляющей, полученного с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ), и определении частоты сигнала как частоты частотной составляющей с максимальной амплитудой [1].

Недостатком этих способов является недостаточная точность определения частоты при ограниченных времени анализа и аппаратурных затратах.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения частоты сигнала, состоящее из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), анализатора спектра на основе ДПФ и решающего устройства. Оценка частоты сигнала определяется по номеру частотного канала с максимальной амплитудой выходного напряжения [2].

Недостатком данного устройства является недостаточная точность определения частоты при ограниченном времени анализа и больших аппаратурных затратах.

Целью изобретения является повышение точности определения частоты сигнала и уменьшение аппаратурных затрат при неизменном времени анализа.

Цель достигается тем, что в способе измерения частоты сигнала, основанном на аналого-цифровом преобразовании сигнала и подсчете количества мгновенных отсчетов, дополнительно производят формирование вспомогательного сигнала и подсчет количества его отсчетов, начиная с момента его формирования, прекращение подсчета количества отсчетов вспомогательного сигнала при появлении нулевого его значения, формирование значения частоты сигнала путем уменьшения значения частоты дискретизации сигнала пропорционально количеству отсчетов вспомогательного сигнала, накопленному между началом его формирования и появлением нулевого отсчета. При этом вспомогательный сигнал формируется путем суммирования значений мгновенных отсчетов анализируемого сигнала.

Причем в устройство, реализующее способ измерения частоты, содержащее аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с входной шиной, введены накапливающий сумматор, узел сравнения, триггер, счетчик, делитель, ключ, генератор импульсов, выход которого подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя и к первому входу ключа, второй вход ключа соединен с выходом триггера, вход ключа подсоединен к вторым входам накапливающего сумматора, узла сравнения и счетчика, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу накапливающего сумматора и к первому входу триггера, выход накапливающего сумматора соединен с первым входом узла сравнения, выход которого подключен к третьему входу накапливающего сумматора, второму входу триггера, к первому входу счетчика и второму входу делителя, вход делителя соединен с выходом счетчика.

Именно использование формирования вспомогательного сигнала с определенными свойствами и определение количества его отсчетов между началом формирования и появлением нулевого значения с последующим формированием значения частоты сигнала позволили достичь поставленной цели изобретения в предложенном способе. Также именно введение накапливающего сумматора, узла сравнения делителя, триггера, счетчика, генератора импульсов, ключа с соответствующими связями в устройство, реализующее способ, позволили достичь поставленной цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипами позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники установлено, что признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипов, не выявлены в них, и поэтому эти признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 приведены временные диаграммы работы устройства.

Пусть необходимо определить частоту f_s гармонического или квазигармонического узкополосного сигнала, описываемого соотношением S_вх(t) = A_ssin( ω_st+ϕ_н). Частота сигнала f_s = ω/2π лежит в пределах полосы анализа Δ f_a = { 0,f_max } и кратна частоте дискретизации F_д. Для определения частоты f_s входного сигнала производят его следующую обработку.

Производим аналого-цифровое преобразование сигнала S_вх(t) с частотой дискретизации F_д≥2f_a. В результате анализируемый сигнал S_вх(t) преобразуется в последовательность цифровых отсчетов S_вх(K): S_вх(n)=A_ssin(ω_sΔt_n+ϕ_н)=A_ssin(ω_sT_дn+ϕ_n),(1) где n = 0,1,2...; Т_д = 1/F_д - период дискретизации.

Затем сформируем вспомогательный сигнал S(m) путем суммирования цифровых отсчетов последовательности S_вх(K), описываемый следующим образом: S(m) =A_ssin(ω_sT_дK+ϕ_н), (2) где ϕ_н≠2πT_дl/T_s, l - целое число; m - текущее значение количества просуммированных отсчетов.

Одновременно с началом формирования вспомогательного сигнала S(m) производим подсчет количества m суммируемых отсчетов S_вх(n).

Во вспомогательном сигнале S(m) контролируем появление нулевого значения с начала его формирования. При выявлении этого нулевого значения S(m_o) = 0 накопление отсчетов прекращаем и фиксируем соответствующее количество mo накопленных отсчетов.

Частоту f_s сигнала S_вх(t) формируем следующим образом: f_s= (3) Покажем, что частота сигнала f_s и момент появления (m_o +1)T_днулевого значения S(m_o) имеют однозначную взаимосвязь. Для этого преобразуем уравнение (2) следующим образом: S(m) = A_scosϕ_нsin(ω_sT_дn)+A_ssinϕ_ncos(ω_sT_дn) = S_c(m)+S_s(m), где S_c(m) = A_ssinϕ_нcos(ω_sT_дn); S_s(m) = A_scosϕ_нsin(ω_sT_дn).

Нулевое значение вспомогательного сигнала S(m) появится в случае: S (m_o ) = 0 при (5)
Составляющие S_c(m) и S_s(m) можно описать суммами рядов с тригонометрическими членами, сходящимися по признаку Дирихле. При этом суммы синусного и косинусного рядов равны (4):
Z_c(X) = cospx =
Z_s(X) = sinpx = (6)
Уравнения (4) с учетом уравнений (6) при x = ω_s T_д преобразуются к виду:
(7)
Совместим решением системы (7) для случая (5) является значение m_o= KF_д/f_s-1. При этом для K_min = 1 выполняется равенство:
m_o= - 1 (8)
Так как значение F_д известно заранее, то из уравнения (8) можно определить искомое значение частоты входного сигнала:
f_s= (9)
Таким образом, по значению m_o номера отсчета формируемого вспомогательного сигнала S(m), при котором последний принимает нулевое значение, можно однозначно судить о частоте анализируемого сигнала.

Определим погрешность δ f_s измерения частоты сигнала предлагаемым способом. Время анализа сигнала равно времени накопления его отсчетов:
Т_а = Т_д˙ N_s, (10) где Т_а - время анализа;
N_s - количество накапливаемых отсчетов.

Тогда достижимая погрешность измерения частоты сигнала S_вх(t) не превысит половины формируемого дискрета по частоте:
δf_s≅ _ = (11)
По способу-прототипу при неизменном времени анализа (см.10) погрешность измерения частоты составит (1):
δf^*_s = = (12)
Из сравнения равенств (11) и (12) следует, что при использовании предлагаемого способа точность измерения частоты может быть повышена в М = 1/(N_s-1) раза по сравнению с прототипом без увеличения времени анализа.

Обычно количество обрабатываемых отсчетов в процедуре ДПФ лежит в пределах (2⁸-2¹²). Поэтому ожидаемый выигрыш по точности при использовании предлагаемого способа составит соответственно 2-3 порядка.

Важным параметром аппаратуры измерения параметров сигналов является время реакции, равное интервалу времени между началом анализа и получением искомого значения частоты. При использовании предлагаемого способа вспомогательный сигнал S(m) может формироваться в темпе поступления отсчетов последовательности S_вх(n) и время реакции Т_р будет равно времени анализа:
T_p = T_a (13)
Для повышения быстродействия в способе-прототипе при N_s = 2^lможно использовать процедуру быстрого преобразования Фурье (БПФ). В этом ^случае время реакции практически будет не менее:
Т_р^* ≥ Т_а + Т_БПФ (14) где Т_БПФ - время обработки накопленного массива отсчетов по алгоритму БПФ.

При режиме обработки в реальном масштабе времени Т_а = Т_БПФ и, следовательно, Т_р^* ≥ 2Т_а. Таким образом, время реакции Т_р в предлагаемом способе меньше времени реакции Т_р^* в прототипе
Т_р < Т_р* (15)
Таким образом, при использовании предлагаемого способа обеспечивается возможность существенно сократить время реакции измерения частоты сигнала при сохранении неизменным времени анализа.

Для реакции предлагаемого способа необходимы простые операции, такие как аналого-цифровое преобразование, накопление и сравнение.

Для реализации известного способа помимо аналого-цифрового преобразования и накопления необходимы процедуры ДПФ и поиска максимума с вычислением значения частоты, которые намного сложнее процедуры,реализующей предлагаемый способ, как по количеству операций, так и по сложности их алгоритмических взаимосвязей.

Устройство, реализующее способ, содержит (фиг.1) генератор 1 импульсов, АЦП 20,ключ 3, накапливающий сумматор 4, счетчик 5 импульсов, узел 6 сравнения, делитель 7, триггер 8.

Устройство работает следующим образом (фиг.2). Входной анализируемый сигнал S_вх(t) поступает на первый (сигнальный) вход АЦП 2. Запуска АЦП 2 производится тактовыми импульсами с генератора 1 импульсов, поступающими на его второй вход (вход запуска). Период следования импульсов равен периоду дискретизации Т_д входного сигнала S_вх(t). В исходном состоянии (после включения питания) триггер 8 находится в нулевом состоянии и его выходной сигнал, поступая на второй вход ключа 3, препятствует прохождению через него тактовых импульсов с генератора 1. Накапливающий сумматор 4, счетчик 5 импульсов и делитель 7 также находится в нулевом состоянии. АЦП 2 производит преобразование входного сигнала S_вх(t) в эквивалентную последовательность цифровых отсчетов S_вх(n), которая поступает на накапливающий сумматор 4. При этом знаковый разряд цифровых отсчетов с АЦП 2 соединен с первым синхровходом триггера 8. Триггер 8 является Т-триггером с двумя входами: первым - динамическим синхровходом (С-вход) и вторым - установочным в нулевое состояние (Р-вход). В момент перехода значения входного сигнала S_вх(t) через ноль его знак изменяется с отрицательного на положительный. При этом знаковый разряд соответствующих цифровых отсчетов S_вх(n) изменяет свое значение с нулевого на единичное (при использовании прямого двоичного кодирования) (фиг.2, т.А). В этом случае на первом (С-входе) входе триггера 8 формируется положительный фронт (переход из логического нуля в единицу), по которому триггер 8 переходит в единичное состояние (на его выходе формируется сигнал с уровнем логической единицы). Единичный сигнал с выхода триггера 8, поступая на второй вход ключа 1, разрешает прохождение через него тактовых импульсов с генератора 4 импульсов. Таким образом обеспечивается синхронизация начала измерения частоты с моментом появления сигнала. Цифровые отсчеты с АЦП 2 по синхроимпульсам с ключа 3 принимаются накапливающим сумматором 4, на выходе которого формируется вспомогательный сигнал S(m) (см. (2)). Одновременно с формированием значений вспомогательного сигнала S(m) счетчик 5 производит подсчет текущего количества m отсчетов, накопленных в накапливающем сумматоре 4. Значения отсчетов вспомогательного сигнала S(m) поступают на узел 6 сравнения, который сравнивает их значения с порогом П_o. Работа узла 6 сравнения стробируется импульсами запуска с генератора 1 импульсов. При появлении значения формируемого сигнала S(m_o), равного нулю или меньше по модулю порога П_о, на выходе узла 6 сравнения формируется импульс, который поступает на второй (R-вход) вход триггера 8 и переводит его в нулевое состояние, тем самым закрывая ключ 1 и препятствуя дальнейшему накоплению отсчетов с АЦП 2 в накапливающем сумматоре 4 и подсчету их количества в счетчике 5. Одновременно с этим полученное значение количества накопленных отсчетов (m_o + 1) из счетчика 5 фиксируется (записывается) в делителе 7, который формирует на выходе измеренное значение частоты f_s входного сигнала S_вх(t) (см.(3)). Накапливающий сумматор 4 и счетчик 5 обнуляются, переходя в исходное состояние. Очередной цикл измерения частоты входного сигнала повторится аналогично описанному выше порядку. Таким образом устройство производит измерение частоты входного сигнала.

Время анализа предлагаемого устройства с учетом (9) и (10) равно:
Т_а = (m_o + 1)Т_д при max{m} = N_s (15)
Время реакции предлагаемого устройства равно интервалу времени между моментами появления перехода значения входного сигнала S_вх(t) через ноль и выдачи результата измерения:
T_p=T_a+τ₄+τ₆+τ₇,(16) где τ₄ - время задержки сумматора 4;
τ₆ - время задержки узла 6 сравнения;
τ₇- время задержки делителя 7.

Для реального масштаба времени измерений при большом значении m_o(более 10) практически выполняется равенство:
Т_р ≈ Т_а (17)
Достижимая погрешность δ_f измерения частоты сигнала не превышает:
δ_f≅ (18)
Для устройства-прототипа время реакции равно:
^{+ T}f , (19) где Т_ДПФ - время вычисления ДПФ накопленного массива из отсчетов;
T_f - время вычисления частоты сигнала.

Для режима реального масштаба времени при Т_а = Т_ДПФ = Т_f
Т_р^* ≥ Т_а(2-3) (20)
При этом для устройства-прототипа достижимая погрешность измерения частоты сигнала не превысит:
δf^*_s ≅ (21)
Из сравнения параметров предлагаемого устройства и прототипа видно, что при одинаковом времени анализа Т_а точность измерения частоты сигнала и время реакции у предлагаемого устройства существенно лучше. По аппаратурным затратам предлагаемое устройство требует существенно меньших аппаратурных затрат по сравнению с прототипом (примерно один-два модуля), а все его узлы (АЦП, счетчик, сумматор, делитель, триггер и ключ) являются типовыми для аппаратуры цифровой обработки сигналов.

Устройство-прототип измерения частоты сигнала состоит из АЦП, прецессора ДПФ, устройства поиска максимума и вычислителя частоты. Процессор ДПФ является наиболее сложным вычислительным устройством. Для реального масштаба времени при N_s ≥ 1024 его объем составляет не менее целого блока с количеством микросхем до нескольких тысяч. Устройства поиска максимума и вычисления частоты также довольно сложные. Следовательно, аппаратурные затраты предлагаемого устройства существенно меньше аналогичных затрат устройства-прототипа.

Таким образом, предлагаемое устройство измерения частоты сигнала при неизменном времени анализа обеспечивает более высокую точность измерения частоты при существенном сокращении аппаратурных затрат и времени реакции.

Формула изобретения

1. Способ измерения частоты сигнала, заключающийся в аналого-цифровом преобразовании сигнала и подсчете количества мгновенных отсчетов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения при неизменном времени анализа, дополнительно производят формирование вспомогательного сигнала и подсчет количества его отсчетов, начиная с момента начала измерения, сравнение значений отсчетов вспомогательного сигнала с нулем, прекращение подсчета количества отсчетов вспомогательного сигнала при появлении нулевого его значения, формирование значения частоты сигнала путем уменьшения значения частоты дискретизации сигнала пропорционально количеству отсчетов вспомогательного сигнала, накопленных между началом его формирования и появлением нулевого отсчета, при этом вспомогательный сигнал формируется путем суммирования значения мгновенных отсчетов анализируемого сигнала.

2. Устройство измерения частоты сигнала, содержащее аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с входной шиной, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения частоты и сокращения аппаратурных затрат при неизменном времени анализа, в него дополнительно введены накапливающий сумматор, узел сравнения, триггер, счетчик, делитель, ключ, генератор импульсов, выход которого подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя и к первому входу ключа, второй вход ключа соединен с выходом триггера, выход ключа подсоединен к вторым входам накапливающего сумматора, узла сравнения и счетчика, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу накапливающего сумматора и к первому входу триггера, выход накапливающего сумматора соединен с первым входом узла сравнения, выход которого подключен к третьему входу накапливающего сумматора, второму входу триггера, к первому входу счетчика и второму входу делителя, вход делителя соединен с выходом счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2