Способ измерения нестабильности частоты и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2256928:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике для определения ухода частоты прецизионных генераторов. В предлагаемом способе измерения определяют нестабильность частоты исследуемого сигнала в следующей последовательности: измеряют мгновенную среднюю частоту попарно выбранных гармонических колебаний, выделяют огибающую биений частоты попарно выбранных гармонических колебаний, определяют дисперсию частоты исследуемого генератора, вычисляют относительную нестабильность частоты исследуемого колебания. В устройство измерения нестабильности частоты исследуемого генератора введены три смесителя, три амплитудных детектора и три аналого-цифровых преобразователя, причем выходы генераторов попарно подключены к входам смесителей, выходы которых подключены к входам амплитудных детекторов, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи соединены с соответствующими входами процессора, к выходу которого подключено устройство для фиксации результатов измерения. Техническим результатом предлагаемого способа и устройства является получение более точного измерения нестабильности частоты исследуемого генератора. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Способ измерения нестабильности частоты относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике для определения ухода частоты прецизионных генераторов.
В большинстве известных способов измерения нестабильности частоты лежит сравнение частоты исследуемого генератора с образцовым, который, как правило, имеет стабильность частоты более высокую, чем у исследуемого генератора. Выделяя разностную частоту или фазовый сдвиг во времени сигналов исследуемого и опорного генераторов, определяют временную нестабильность исследуемого генератора (патенты России №1787075 A1, №1798718 A1, №1793388 A1, G 01 R 23/00).
Однако в случае, когда нестабильность частоты исследуемого и опорного генераторов близки, то пользоваться такими способами измерения нельзя ввиду большой погрешности результата, и например, при определении стабильности частоты кварцевых генераторов. Помимо статических аппаратурных погрешностей, приходится в этом случае учитывать и динамические погрешности, вызванные конечным временем измерения частоты или фазы сигнала. Для учета и уменьшения указанных погрешностей при измерении частоты используют различные методы, многие из которых сводятся к запоминанию в буферах промежуточных результатов измерения с последующей их обработкой на встроенных в измерительную аппаратуру процессорах или в ЭВМ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является “Способ измерения частоты гармонического колебания” по патенту РФ №2111496 С1, G 01 R 23/00, принятый за прототип.
Способ - прототип, включающий операции аналого-цифрового преобразования сигнала, запоминания его значений в N следующих одна за другой триадах моментов времени, при этом, частоту сигнала ω определяют в соответствии с выражением:
где Т - период дискретизации; U1n, U2n, U3n - значения кодов по выходу аналого-цифрового преобразователя в n-й триаде отсчетов, причем выбор частоты дискретизации сигнала, расстановку триад во времени и выбор их количества осуществляют из условия неравенства нулю суммы
Недостатком способа - прототипа является низкая скорость и малая точность определения мгновенной нестабильности частоты сигнала.
Для устранения указанного недостатка в способе измерения нестабильности частоты, включающем операции аналого-цифрового преобразования сигнала, запоминания его значений в N следующих одного за другим моментах времени, определении частоты исследуемого сигнала, выборе частоты отсчетов во времени из условия
согласно изобретению, определяют нестабильность частоты исследуемого сигнала в следующей последовательности:
измеряют мгновенную среднюю частоту попарно выбранных гармонических колебаний fср(t)
выделяют огибающую биений U(t) частоты попарно выбранных гармонических колебаний, определяют параметр 
по формуле
где U’(t) - производная по времени t от огибающей биений U(t) частоты попарно выбранных гармонических колебаний, определяют дисперсию частоты 
исследуемого генератора из выражения
вычисляют относительную нестабильность частоты δ(t) исследуемого колебания по формуле
Для обеспечения высокой точности измерения нестабильности частоты необходимо, чтобы отклонение частоты выбранных опорных гармонических колебаний не превосходило ±5% частоты исследуемого колебания.
Предлагаемый способ определения нестабильности частоты заключается в аналого-цифровом преобразовании частоты, запоминании его значений в N следующих друг за другом отсчетах моментов времени.
Алгоритм измерения нестабильности частоты с использованием двух опорных гармонических колебаний сводится к следующему:
1) определяют мгновенную среднюю частоту попарно выбранных гармонических колебаний fcp(t)
2) выделяют огибающую биений U(t) частоты попарно выбранных гармонических колебаний;
3) определяют коэффициент 
по формуле:
где U’(t) - производная по времени t от огибающей биений U(t) частоты попарно выбранных гармонических колебаний;
4) дисперсию частоты 
исследуемого генератора определяют из выражения
5) относительную нестабильность частоты δ(t) исследуемого колебания определяют по формуле
Коэффициент 
определяется исходя из преобразования Гильберта огибающей U(t), для которой мнимая ν(t) и действительная часть u(t) связаны соотношением:
где H{u{t)} - преобразование Гильберта от u(t); 
- коэффициент, определяемый по формуле (4), а мнимая ν(t) и действительная часть u(t) связаны соотношением:
(Вакман Д.Е. Об определении понятий амплитуды, фазы и мгновенной частоты сигнала //Радиотехника и электроника, Т. 17, №5, 1972, с.974, формула (9)).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения нестабильности частоты по пат.2003985, G 01 R 23/00, принятое за прототип.
На фиг.1 представлена схема устройства - прототипа, где обозначено:
1 - частотомер;
2 - процессор;
3 - устройство для фиксации результатов измерения;
4, 5 - первый и второй регистры;
6 - цифровой компаратор;
7 - генератор импульсов (исследуемый генератор);
8 - счетчик импульсов.
Устройство - прототип содержит последовательно соединенные частотомер 1, процессор 2 и устройство для фиксации результатов измерения 3, формирователь смежных интервалов, выполненный в виде узла, содержащего генератор импульсов 7, счетчик импульсов 8 и два регистра 4 и 5, а также цифровой компаратор 6. Причем выход генератора 7 соединен с входом счетчика импульсов 8, выход которого соединен с первым входом цифрового компаратора 6, второй вход которого соединен с выходом первого регистра 4, выход цифрового компаратора 6 соединен с входом управления записью в первый регистр и входом управления частотомера 1. Предустановочные входы первого 4 и второго 5 регистров и вход запуска частотомера 1 соединены с шиной предустановки процессора.
Преобразование непрерывных периодических сигналов в цифровую форму осуществляется в частотомере 1 и счетчике импульсов 8.
Однако для измерения нестабильности частоты прецизионных генераторов такая схема устройства не может использоваться, так как нестабильность частоты опорных генераторов частотомера и счетчика импульсов может быть сравнима с нестабильностью частоты исследуемого генератора, что приводит к большой ошибке.
Недостатком устройства - прототипа является низкая скорость и малая точность определения мгновенной нестабильности частоты сигнала.
Для устранения указанного недостатка в устройство измерения нестабильности частоты исследуемого генератора, содержащее два генератора опорных сигналов, частота которых отличается от частоты исследуемого генератора не более чем на ±5%, а также процессор и устройство для фиксации результатов измерения, подключенное к выходу процессора, согласно изобретению, введены три смесителя, три амплитудных детектора и три аналого-цифровых преобразователя, причем, выходы генераторов попарно подключены к входам смесителей, выходы которых подключены к входам амплитудных детекторов, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи соединены с соответствующими входами процессора.
На фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства определения нестабильности частоты, где обозначено:
1.1 - исследуемый генератор;
1.2, 1.3 - опорные генераторы;
2.1 - 2.3 - смесители;
3.1 - 3.3 - амплитудные детекторы;
4.1- 4.3 - аналого-цифровые преобразователи;
5 - процессор;
6 - устройство для фиксации результатов измерения.
Предлагаемое устройство содержит исследуемый генератор 1.1, два опорных генератора 1.2 и 1.3, выходы которых попарно подключены к входам смесителей 2.1, 2.2, 2.3, выходы которых подключены к входам амплитудных детекторов 3.1, 3.2, 3.3, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи 4.1, 4.2, 4.3 соединены с соответствующими входами процессора 5, к выходу которого подсоединено устройство для фиксации результатов измерения 6.
Устройство измерения нестабильности частоты исследуемого генератора 1.1 работает следующим образом.
После включения генераторов 1.2, 1.3 в смесителях 2.1, 2.2 и 2.3 возникает периодический сигнал, несущая которого равна средней частоте fcp двух подключенных к смесителям генераторов, а частота биений определяется разностью частот подключенных к смесителям генераторов.
Выделение огибающей сигнала биений осуществляется в амплитудных детекторах 3.1, 3.2, 3.3, подключенных к выходам смесителей 2.1, 2.2, 2.3. Аналоговый сигнал амплитудных детекторов 3.1-3.3 с помощью аналого-цифровых преобразователей 4.1-4.3 преобразуется в цифровую форму и подается на соответствующие входы процессора 5, осуществляющего математические операции с входными сигналами в соответствии с приведенным алгоритмом. Устройство фиксации результатов измерения 6, подключенное к выходу процессора 5, показывает значения нестабильности частоты исследуемого генератора.
Предлагаемое устройство позволяет, используя опорные генераторы 1.2-1.3, обладающие стабильностью частоты, близкой к частоте исследуемого генератора 1.1 (±5%), определять более точное значение среднеквадратического отклонения частоты исследуемого генератора 1.1.
1. Способ измерения нестабильности частоты сигнала, включающий определение частоты исследуемого сигнала и операцию аналого-цифрового преобразования сигнала, отличающийся тем, что определяют нестабильность частоты исследуемого сигнала в следующей последовательности: измеряют мгновенную среднюю частоту fcpij(t)гармонических колебаний, попарно выбранных из гармонических колебаний исследуемого сигнала и сигналов двух опорных генераторов, частота которых отличается от частоты исследуемого сигнала не более чем на ±5%
выделяют огибающую биений U(t) частоты попарно выбранных гармонических колебаний и преобразуют ее в цифровую форму; определяют параметр 
по формуле
где U’(t) производная по времени t от огибающей биений U(t) частоты попарно выбранных гармонических колебаний;
определяют дисперсию частоты 
исследуемого генератора из выражения
вычисляют относительную нестабильность частоты δ(t) исследуемого колебания по формуле
2. Устройство измерения нестабильности частоты исследуемого генератора, содержащее два генератора опорных сигналов, частота которых отличается от частоты исследуемого генератора не более чем на ±5%, а также процессор и устройство для фиксации результатов измерения, подключенное к выходу процессора, отличающееся тем, что введены три смесителя, три амплитудных детектора и три аналого-цифровых преобразователя, причем выходы генераторов попарно подключены к входам смесителей, выходы которых подключены к входам амплитудных детекторов, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи соединены с соответствующими входами процессора.
