Устройство для измерения параметров кварцевых генераторов

 

Изобретение относится к технике измерений и предназначено для измерения функций переходных процессов установления частоты и амплитуды колебаний кварцевых генераторов, а также их коэффициента неизохронности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Устройство содержит источник питания 2 исследуемого генератора 1, первый 7 и второй 8 делители частоты, генератор опорной частоты 5, первый 13 и второй 14 блоки памяти, измеритель временных интервалов 11, регистратор 16. За счет введения детектора 3, узла выборки-хранения 6, аналого-цифрового преобразователя 9, элемента задержки 10, вычислителя 12 и узла сравнения разности кодов 15 в момент времени, в который крутизна функции переходного процесса установления частоты максимальна, измеряется выбег частоты генератора Δf_m и амплитуда колебаний U_y, а также вычисляется коэффициент неизохронности β_н=Δf_m/U²_у , чем достигается расширение функциональных возможностей устройства по сравнению с прототипом. 5 ил.

Изобретение относится к технике измерений и предназначено для измерений функции переходных процессов установления частоты и амплитуды колебаний кварцевых генераторов, а также их коэффициента неизохронности.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для измерения параметров кварцевых генераторов; на фиг. 2 функциональная схема вычислителя; на фиг. 3 функциональная схема узла сравнения разности кодов; на фиг. 4 функциональная схема регистратора; на фиг. 5 временные функции изменения измеряемых параметров на участке переходного процесса.

Устройство для измерения параметров кварцевых генераторов содержит исследуемый кварцевый генератор 1, источник питания 2, детектор 3, усилитель 4, генератор опорной частоты 5, узел выборки-хранения 6, первый делитель частоты 7, второй делитель частоты 8, аналого-цифровой преобразователь 9, элемент задержки 10, измеритель временных интервалов 11, вычислитель 12, первый блок памяти 13, второй блок памяти 14, узел сравнения разности кодов 15 и регистратор 16.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Вход и выход исследуемого кварцевого генератора 1 подключены соответственно к выходу источника 2 питания и к входам детектора 3, усилителя 4. Выход детектора 3 соединен с информационным входом узла 6 выборки-хранения. Выход усилителя 4 соединен со счетным входом первого делителя частоты 7, выходом соединенного с управляющим входом узла 6 выборки-хранения, с входом установки второго делителя частоты 8, счетный вход которого соединен с выходом генератора 5 опорной частоты, выходы узла 6 выборки-хранения и первого делителя частоты 7 соединены с входами соответственно аналого-цифрового преобразователя 9 и элемента 10 задержки, выходы первого 7 и второго 8 делителя частоты соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя 11 временных интервалов. Выход аналого-цифрового преобразователя 9 соединен с первым входом вычислителя 12, выходы элемента 10 задержки и измерителя 11 временных интервалов соединены соответственно с входом первого блока 13 памяти, выходом соединенного с вторым входом вычислителя 12 и информационным входом второго блока 14 памяти, вход записи и выход второго блока 14 памяти соединены соответственно с выходом первого делителя частоты 7 и вторым входом узла 15 сравнения разности кодов, первый вход, управляющий вход и выход узла 15 сравнения разности кодов соединены соответственно с выходом первого блока 13 памяти, выходом первого делителя частоты 7 и входом записи вычислителя 12. Первый, второй, третий входы и вход синхронизации регистратора 16 соединены с выходами соответственно измерителя 11 временных интервалов, вычислителя 12, аналого-цифрового преобразователя 9 и источника питания 2.

Вычислитель 12 (фиг. 2) содержит блок 17 памяти, одновибратор 18, элемент 2И 19 и постоянное запоминающее устройство 20 (программируемую логическую матрицу).

Узел 15 сравнения разности кодов (фиг. 3) содержит вычитатель 21, блок 22 памяти, узел 23 сравнения кодов, резистор 24 и конденсатор 25.

Регистратор 16 (фиг. 4) содержит цифроаналоговые преобразователи 26, генератор импульсов 27, аналоговый коммутатор 28, кольцевой регистр сдвига 29 и осциллограф 30.

Устройство для измерения параметров кварцевых генераторов работает следующим образом.

Источник 2 питания периодически подает напряжение питания на исследуемый кварцевый генератор 1, после чего на его выходе протекают переходные процессы установления амплитуды U(t) и частоты f_x(t) колебаний, которые описываются соответственно соотношениями: где V_y амплитуда колебаний в установившемся режиме; q= 2π f_xo·(μ₁-1)/Q; здесь f_x0 начальное значение исследуемой частоты; μ₁ фактор генерации кварцевого генератора; Q добротность кварцевого резонатора, входящего в состав исследуемого кварцевого генератора 1; n=V_y/U_ш, где U_ш напряжение шумов в начальной момент запуска кварцевого генератора; Δf_x(t) изменение частоты исследуемого кварцевого генератора 1 на участке переходного процесса;
β_н коэффициент неизохронности, характеризующий связь между изменениями амплитуды и частоты колебаний кварцевого генератора, который может быть рассчитан по формуле
β_н= Δf_x(t)/[U(t)]² (3)
Выходной сигнал исследуемого кварцевого генератора 1 через усилитель 4, который для уменьшения влияния амплитудных измерений на результаты измерения частоты должен иметь стабильные фазовые характеристики, поступает на счетный вход первого делителя частоты 7. На его выходе формируется последовательность импульсов усреднения, следующих с периодом
τ_x= n_x/f_x(t)=n_xT_x(t) (4)
где n_x коэффициент деления первого делителя частоты 7.

Каждым импульсом усреднения устанавливается коэффициент деления второго делителя частоты 8 (n_o). Вследствие этого последовательность опорных импульсов, сформированная на выходе второго делителя частоты 8 из импульсов генератора 5 опорной частоты, задержана относительно последовательности импульсов усреднения на временной интервал τ_o, равный
τ_o=n_o·T_o (5)
где T_о период следования импульсов опорной частоты.

Измеритель 11 временных интервалов формирует код N_f, пропорциональный длительности временного интервала между импульсом усреднения и соответствующим ему опорным импульсом:
N_f= (τ_x-τ_o)/T, (6)
где T период следования импульсов частоты заполнения временного интервала.

Соотношение (6) с учетом (4), (5) принимает вид

где T_xo= 1/f_xo начальное значение периода исследуемой частоты;
ΔT_x(t) изменение периода исследуемых колебаний на участке переходного процесса, аналитическое описание которого получено в результате решения очевидного уравнения
± Δf_x(t)= 1/T_xo∓ 1/[T_xo± ΔT_x(t)]
и имеет вид
± ΔT_x(t) = ∓ Δf_x(t)/ {f_xo·[f_xo± Δf_x(t)]} (8)
Соотношение (7) с учетом (8) и того, что у кварцевых генераторов f_xo≫ Δf_x(t) а коэффициенты деления первого 7 и второго 8 делителей частоты выбирают из условия
n_oT_o=n_xT_xo,
принимает вид
N_f= ± n_x·Δf_x(t)/(f²_xo·T),
т. е. выходной код измерителя 11 временных интервалов не зависит от начального значения периода исследуемых колебаний.

Одновременно выходной сигнал исследуемого кварцевого генератора 1 через детектор 3, предназначенный для выделения огибающей амплитудного переходного процесса, поступает на узел 6 выборки-хранения. Для синхронизации моментов получения кодов частоты N_f и амплитуды N_u информация в узел 6 выборки-хранения заносится импульсом усреднения. Запомненное напряжение преобразуется аналого-цифровым преобразователем 9 в код N_u, который поступает на регистратор 16 для регистрации, а выходным сигналом узла 15 сравнения разности кодов заносится в вычислитель 12.

Каждый импульс усреднения переписывает предыдущее значение кода N_f из первого блока памяти 13 во второй блок памяти 14 и затем через время τ₃₁ (где τ₃₁ время задержки сигнала в элементе 10 задержки) записывает код N_fi в первый блок памяти 13. Узел 15 сравнения разности кодов формирует код [N_fi N_f(i-1)] и сравнивает его с кодом [N_f(i-2) - N_f(i-1)] до момента времени t= t_mf=ln(n²-1)/g, соответствующего точке максимальной крутизны функции Δf_x(t), [N_f(i-2) N_f(i-1)]>[N_fi N_f(i-1)] и выходной сигнал узла 15 сравнения разности кодов имеет, например, нулевой уровень.

При t ≥ t_mf код [N_fi N_f(i-1)] равен или превышает [N_f(i-2) N_f(i-1)] и на выходе узла 15 сравнения разности ходов формируется нулевой уровень, что указывает на момент времени, в котором крутизна функции переходного процесса установления частоты максимальна.

В вычислителе 12 по записанным в момент t=t_mf кодам N_f и N_u, которые в этот момент времени соответственно равны N_f= Δf_m/2 и (где Δf_m измерение частоты исследуемых колебаний на участке переходного процесса) в соответствии с (3) рассчитывается код коэффициента неизохронности по соотношению

Из анализа соотношения (9) следует, что в момент времени t=t_mf величина коэффициента неизохронности определяется только изменением частоты на участке переходного процесса и амплитудой колебаний в установившемся режиме.

Полученные значения кодов N_f, N_u и для их визуализации подаются на регистратор 16 (фиг.5), работа которого синхронизируется выходным сигналом источника 2 питания.

Работа вычислителя 12 происходит следующим образом.

Импульс, поступающий на вход записи вычислителя 12, фиксирует в блоках 17 памяти коды N_f и N_u и запускает одновибратор 18. Нулевым уровнем выходного сигнала последнего закрываются элементы 2И 19. Вследствие этого на выходе постоянного запоминающего устройства 20 (программируемой логической матрицы) устанавливают нулевые значения кодов.

В постоянное запоминающее устройство 20 (программируемую логическую матрицу) предварительно занесена таблица истинности, описываемая соотношением (8).

Узел 15 сравнения разности кодов работает следующим образом.

Вычитатель 21 формирует разность кодов, поступающих на его входы. По очередному импульсу усреднения выходной код вычитателя 21 заносится в блок памяти 22, после чего изменяются коды на входах узла 15 сравнения разности кодов (в первый 13 и второй 14 блоки памяти заносятся соответственно коды N_fi и N_f(i-1).

На выходе вычитателя 21 формируется новая разность кодов, которая в узле 23 сравнения кодов сравнивается с выходным кодом блока памяти 22.

Интегрирующая цепочка (резистор 24 и конденсатор 25) предотвращает ложное срабатывание узлов предлагаемого устройства от коротких импульсов, которые могут появиться во время смены кодов на входах вычитателя 21.

Регистратор 16 работает следующим образом.

Цифроаналоговые преобразователи 26 преобразуют поступившие коды в напряжения, которые поочередно коммутируются аналоговым коммутатором 28 на осциллограф 30. Работой аналогового коммутатора 28 управляет кольцевой регистр сдвига 29. Частота коммутации напряжений определяется частотой выходного сигнала генератора импульсов 27.

По сравнению с прототипом устройство для измерения параметров кварцевых генераторов имеет преимущество, заключающееся в расширении функциональных возможностей.

Это обусловлено возможностью измерений следующих параметров кварцевых генераторов:
функции переходного процесса установления амплитуды колебаний кварцевого генератора;
коэффициента неизохронности;
времени t_mf, соответствующего точке максимальной крутизны функции переходного процесса установления частоты.

Устройство для измерения параметров кварцевых генераторов может быть использовано автономно, а также в составе автоматизированных систем и комплексов для испытаний управляемых кварцевых генераторов.

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров кварцевых генераторов, содержащее источник питания, усилитель, генератор опорной частоты, первый и второй делители частоты, первый и второй блоки памяти, измеритель временных интервалов и регистратор, причем выход источника питания соединен с входом исследуемого кварцевого генератора, первый вход измерителя временных интервалов с входом установки второго делителя частоты, а выход генератора опорной частоты подключен к счетному входу второго делителя частоты, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены детектор, узел выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, элемент задержки, вычислитель и узел сравнения разности кодов, при этом выход исследуемого кварцевого генератора через усилитель подключен к счетному входу первого делителя частоты, выходом соединенного с первым входом измерителя временных интервалов, с управляющими входами узла выборки-хранения и узла сравнения разности кодов, через элемент задержки с входом записи первого блока памяти, информационный вход которого подключен к первому входу регистратора и к выходу измерителя временных интервалов, второй вход последнего соединен с выходом второго делителя частоты, выход исследуемого кварцевого генератора через детектор подключен к информационному входу узла выборки-хранения, управляющий вход которого соединен с входом записи второго блока памяти, выход узла выборки-хранения через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом вычислителя и третьим входом регистратора, выход первого блока памяти подключен к информационному входу второго блока памяти, к второму входу вычислителя и к первому входу узла сравнения разности кодов, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго блока памяти и входом записи вычислителя, выходы вычислителя и источника питания соединены соответственно с вторым входом и входом синхронизации регистратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5