Способ определения знака разности частот и устройство для его реализации

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в дискретных системах автоматики для получения информации о знаке разности частот двух импульсных колебаний. Технический результат - повышение быстродействия. Способ определения знака разности частот основан на анализе знака и модуля разности фаз между колебаниями близких по значению частот и заключается в том, что знак разности частот принимается отрицательным, когда с течением времени анализа при положительном знаке разности фаз наблюдается увеличение модуля разности фаз или уменьшение модуля разности фаз при отрицательном знаке разности фаз, и знак разности частот принимается отрицательным, когда при положительном знаке разности фаз наблюдается уменьшение модуля разности фаз или увеличение модуля разности фаз при отрицательном знаке разности фаз. Устройство для реализации способа определения знака разности частот содержит знако-модульный логический фазовый дискриминатор, D-триггер, дифференцирующее устройство, два формирователя импульсов, элемент задержки, вычитающее устройство, устройство выборки-хранения, интегратор. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть также использовано в дискретных системах автоматики для получения информации о знаке разности частот двух импульсных колебаний, в том числе имеющих близкие по значению частоты. Наибольшее применение изобретение может найти в измерительных системах с частотными датчиками и системах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве определителя знака частотного рассогласования опорного и подстраиваемого колебаний.

Известны способы определения знака и величины разности частот, основанные на счете числа периодов анализируемых колебаний за известный калиброванный промежуток времени и их последующем сравнении, счете числа периодов одной частоты за один или несколько периодов другой частоты [1], компенсации одной частоты другой и накоплением их разности [1, 2]. В системах ФАПЧ с элементами дискретизации наибольшее применение нашли методы, базирующиеся на компенсационном способе определения разности частот [2] и анализе фазового рассогласования колебаний [3]. В последнем методе анализируется изменение разности фаз между колебаниями. Информация о знаке и величине частотного рассогласования вырабатывается на основе учета направления (оценивается область изменения разности фаз - положительная или отрицательная) и значения частоты перескока фазы (частоты фазовых переходов через уровень ±2π) [3, 4]. Последний способ выбран в качестве прототипа.

Способ учета моментов достижения разностью фаз Δϕ=ϕ₁-ϕ₂ сравниваемых частот ƒ₁ и ƒ₂ значений Δϕ=±2πn, где ϕ₁=2πƒ₁t, ϕ₂=2πƒ₂t, n=1, 2, …, хорошо работает в случае, когда ƒ₁ и ƒ₂ различаются значительно. При малом различии частот ƒ₁ и ƒ₂ (ƒ₁≈ƒ₂) частота перескоков фазы стремится к нулю, то есть время t, через которое будет получен результат о знаке разности частот, значительно возрастает. Последнее является существенным недостатком при определении знака разности частот, близких по величине.

В методе определения знака разности частот, базирующемся на оценке разности фаз, с помощью цифровых частотно-фазовых дискриминаторов (ЦЧФД) вычисляются знак и величина Δϕ. Когда величина Δϕ достигает значений ±2πn, ЦЧФД вырабатываются импульсы, частота следования которых определяется Δƒ=ƒ₁-ƒ₂, несущие информацию о модуле частотного рассогласования. При Δƒ>0 последовательность импульсов выдается на одном выходе ЦЧФД, а при Δƒ<0 - на другом его выходе [3]. Для реализации данного метода колебания сравниваемых частот преобразуются в последовательности импульсных сигналов с уровнями цифровой логики. Эту операцию легко выполнить, применяя компараторы с уровнем порога, равным нулю.

Для того чтобы получить информацию о знаке частотного рассогласования сравниваемых колебаний до момента достижения разностью фаз Δϕ величин ±2πn, необходимо постоянно отслеживать изменение Δϕ. В ЦЧФД узел, выполняющий оценку знака и величины Δϕ, представлен схемой цифрового фазового дискриминатора (ЦФД). Характер изменения напряжения U(Δϕ), несущего информацию о величине Δϕ, определяется формой дискриминационной характеристики (ДХ) фазового дискриминатора [2]. Оценка Δϕ представляется в виде мгновенного либо усредненного за период опорного колебания значения напряжения U(Δϕ) и имеет периодический характер с периодом 2π. Для ЦФД с ДХ релейного типа нормированное изменение (приращение оценки величины разности фаз) U(Δϕ) показано на фиг.1.

При Δƒ>0 (ƒ₁>ƒ₂) зависимость U(Δϕ) для ЦФД с релейной ДХ будет изменяться в соответствии с графиком, приведенным на фиг. 1, а. В случае Δƒ<0 график зависимости Δϕ(t) примет вид, показанный на фиг. 1, б. Стрелками на графиках показаны направления изменения разности фаз Δϕ во времени t. Из графиков видно, что для Δƒ>0 (фиг. 1, а) при знаке разности фаз Sign(Δϕ)=-1 значение при изменении разности фаз от π[2π-1] до 2πn уменьшается, а при Sign(Δϕ)=1 на интервале от 2πn до π[2π+1] - возрастает. Для Δƒ<0 (фиг. 1, б) прослеживается обратная зависимость. При Sign(Δϕ)=-1 на интервале [-2πn, -π(2n+1)] значение возрастает, а при Sign(Δϕ)=1 на интервале [-π(2n-1), -2πn] - уменьшается.

Если постоянно анализировать изменение с учетом знака разности фаз Sign(Δϕ), то можно сделать вывод о знаке Δƒ, не дожидаясь момента, когда произойдет перескок фазы. На данном принципе базируется предлагаемый метод определения знака разности частот Sign(Δƒ). Знак Sign(Δƒ)=1, если при Sign(Δϕ)=-1 величина , изменяющаяся под действием ƒ₁>ƒ₂, уменьшается, а при Sign(Δϕ)=1 - увеличивается. Знак Sign(Δƒ)=-1, если при Sign(Δϕ)=-1 величина под действием ƒ₁<ƒ₂ увеличивается, а при Sign(Δϕ)=1 - уменьшается.

Целью изобретения является определение знака Sign(Δƒ) разности частот Δƒ=ƒ₁-ƒ₂ для близких по значению частот ƒ₁ и ƒ₂.

Способ определения Sign(Δƒ) заключается в сравнении модулей оценки разности фаз во времени через интервал Т_р, равный периоду колебаний опорной частоты ƒ₂ (T_p=1/ƒ₂). Колебание частотой ƒ₁ рассматривается как исследуемое, то есть анализируется изменение его фазы относительно фазы опорного колебания. Величина Δϕ определяется как разность фаз между первыми гармониками импульсных колебаний с частотами ƒ₁ и ƒ₂. Для импульсных колебаний симметричной формы Δϕ можно определять также как разность фаз между одноименными фронтами (например, передними) колебаний.

Весь интервал времени анализа t можно представить состоящим из суммы подынтервалов Т_р (t=kT_p, где k=1, 2, 3, …). Определяя в момент времени в момент времени t=(k+1)T_р и вычисляя их разность , можно с учетом значения Sign(Δϕ) определить Sign(Δƒ). Знак расстройки частот Sign(Δƒ)=1, если ΔU(Δϕ)>0 и Sign(Δϕ)=1 или ΔU(Δϕ)<0 и Sign(Δϕ)=-1. Знак расстройки частот Sign(Δƒ)=-1, если ΔU(Δϕ)<0 и Sign(Δϕ)=1 или ΔU(Δϕ)>0 и Sign(Δϕ)=-1.

Предлагаемый способ определения знака разности частот можно реализовать, используя ЦФД, позволяющий получать информацию о знаке и величине фазового рассогласования импульсных колебаний. Наиболее подходят для использования в качестве ЦФД логические фазовые дискриминаторы (ЛФД) [5-7]. Они имеют два входа и четыре выхода, первые два из которых отражают информацию о знаке Sign(Δϕ), а другие два - информацию о величине (модуле) . Среди указанных, в качестве прототипа выбрана схема [5], обеспечивающая необходимые свойства оценки Δϕ при меньшей сложности реализации.

Поскольку выбранный в качестве прототипа дискриминатор применяется в системах ФАПЧ для целей формирования сигналов управления подстраиваемым генератором, наиболее важным является определение Sign(Δƒ) для моментов, когда в системе обеспечивается управление, способствующее уменьшению частотной расстройки опорного и формируемого колебаний. Такими моментами для Δƒ>0 являются моменты, когда выполняется увеличение при Sign(Δϕ)=1, а для Δƒ<0 - когда выполняется увеличение при Sign(Δϕ)=-1. Моменты, когда в системе ФАПЧ обеспечивается увеличение , в данном случае можно не рассматривать. Эти моменты соответствуют для Δƒ>0 уменьшению при Sign(Δϕ)=1, а для Δƒ<0 - уменьшению при Sign(Δϕ)=-1, в принципе, можно рассмотреть все варианты изменения , но в этом случае реализация ЦЧФД существенно усложнится. Поэтому рассмотрим построение ЦЧФД для первого случая, когда выполняется увеличение как для случая Δƒ>0, так и для случая Δƒ<0.

Цель получения информации о знаке разности частот достигается усовершенствованием изобретения по авторскому свидетельству №1432724 [5] путем дополнения его схемы, состоящей из совокупности логических элементов И-НЕ, элементов задержки и RS-триггеров и связей, имеющих два входа и четыре выхода. Причем структура изобретения [5] не изменяется. В качестве заявляемого изобретения предлагается использовать схему [5] без изменений (то есть полностью), определив известную совокупность элементов и связей в виде узла, имеющего два входа, на один из которых подается опорное импульсное колебание, а на второй - сравниваемое (анализируемое) импульсное колебание. Выходы модуля определены также, как и в известном устройстве, и выполняют те же функции. Первый и второй входы являются знаковыми. На первом выходе формируется потенциал, отражающий положительный знак Δϕ, а на втором выходе формируется потенциал, отражающий отрицательный знак Δϕ. Третий и четвертый выходы модуля отражают информацию о величине (модуле) разности фаз: третий - величину положительной разности фаз, а четвертый - отрицательной. Информация на первом и втором выходах отображается уровнями логической единицы, а информация на третьем и четвертом выходах - импульсами с уровнями логического нуля соответствующей длительности.

Рассмотренный узел дополняется тремя элементами И-НЕ, двумя дифференцирующими устройствами, двумя формирователями импульсов, элементом задержки, интегратором со сбросом (обнуляемым интегратором), устройством выборки-хранения, вычитающим устройством, компаратором и D-триггером.

Рассмотрим структуру и принцип функционирования предлагаемого устройства. На фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства, а на фиг. 3, 5 - временные диаграммы, поясняющие его функционирование.

Структура устройства, реализующего предлагаемый способ определения знака разности частот, показанная на фиг.2, содержит фазовый знако-модульный логический фазовый дискриминатор (ЗМЛФД) 1, первый 2, второй 3 и третий 4 элементы И-НЕ, первое дифференцирующее устройство 5, вырабатывающее импульсы в моменты переднего фронта импульсов, поступающих на его вход, второе дифференцирующее устройство 6, вырабатывающее импульсы при изменении каждого из уровней подаваемого на его вход импульсного колебания, первый 8 и второй 7 формирователи импульсов, элемент задержки 9, интегратор со сбросом 10, устройство выборки-хранения 11, вычитатель 12, компаратор напряжений 13, D-триггер 14 с записью сигнала по фронту колебания, подаваемого на его С-вход (динамический D-триггер).

Устройство определения знака разности частот работает следующим образом. На первый вход ЗМЛФД 1 поступает анализируемый импульсный сигнал х_А (данный и последующие цитируемые сигналы показаны на фиг. 3, а) частотой ƒ₁, а на его второй вход поступает второй импульсный сигнал х_Б частотой ƒ₂, используемый в качестве опорного сигнала. Оба этих сигнала имеют близкие частоты. На первом выходе ЗМЛФД 1 формируется сигнал , отражающий положительный знак разности фаз, а на втором выходе формируется сигнал , отражающий отрицательный знак разности фаз. Третий и четвертый выходы ЗМЛФД, несут информацию о модуле положительной и отрицательной разностей фаз соответственно. Первый выход ЗМЛФД является первым выходом устройства, второй выход ЗМЛФД - вторым выходом устройства, третий выход ЗМЛФД - третьим выходом устройства, а четвертый выход ЗМЛФД - четвертым выходом устройства. Третий и четвертый выходы устройства подключены к входам первого элемента И-НЕ 2. На выходе элемента И-НЕ 2, выполняющего операцию ИЛИ над сигналами и , формируется сигнал х_мод. Выход элемента И-НЕ 2 подключен к информационному входу обнуляемого интегратора (ОИ) 10. Второй вход ЗМЛФД 1 связан с входами первого дифференцирующего устройства (ДУ) 5 и С-входом D-триггера 14. На выходе ДУ 5 вырабатывается последовательность импульсов х_ди1, которая подается на вход первого формирователя импульсов 8, выходной сигнал х_ф1 которого подается на вход линии задержки 9 и вход разрешения записи напряжения в устройство выборки-хранения (УВХ) 11. Выход линии задержки 9 соединен с входом сброса (обнуления) интегратора 10. Выход интегратора 10, подключен к положительному входу вычитателя 12, и информационному входу УВХ 11. Выход УВХ соединен с отрицательным входом вычитателя 12. Вычитатель формирует разность U_p напряжений U_и с выхода интегратора 10 и U_yвх с выхода устройства выборки-хранения 11. Выход вычитателя 12 подключен к положительному входу компаратора 13, на отрицательный вход которого подается пороговое напряжение положительного уровня, близкого к нулю. Сигнал х_к, формируемый на выходе компаратора, подается на D-вход триггера 14, вход R которого соединен с выходом второго формирователя импульсов 7. На R-вход D-триггера подается сигнал x_ф2. Вход второго формирующего устройства 7 подключен к выходу второго дифференцирующего устройства 6, вход которого соединен с первым выходом ЗМЛФД. На выходе второго дифференцирующего устройства 6 формируется сигнал х_ди2, состоящий из последовательности коротких импульсов, формируемых в момент изменения уровня подаваемого на его вход импульсного колебания. Схема такого дифференцирующего устройства может состоять из элемента задержки и сумматора по модулю 2 и иметь структуру, представленную на фиг. 4. Прямой выход D-триггера, формирующий сигнал x_V, подключен к первым входам второго 3 и третьего 4 элементов И-НЕ, на вторые входы которых подаются сигналы и с первого и второго выходов ЗМЛФД соответственно. Выход второго элемента И-НЕ является пятым выходом устройства, а выход третьего элемента И-НЕ - шестым выходом устройства. Сигналы и , формируемые на пятом и шестом выходах устройства несут информацию о знаке разности частот: - положительном, а - отрицательном.

Предлагаемое устройство, реализующее способ определения знака разности частот, работает следующим образом. Временные диаграммы, поясняющие функционирование заявляемого устройства при положительном значении Δƒ=ƒ₁-ƒ₂, приведены на фиг. 3. Фаза колебаний х_А частотой ƒ₁, поступающих на первый вход ЗМЛФД 1, сравниваются с фазой колебаний х_Б частотой ƒ₂, поступающих на второй (опорный) вход дискриминатора. Значения знаков отклонения фазы колебания х_А от фазы колебания х_Б отображаются уровнями логической единицы на первом и втором выходах ЗМЛФД 1 в виде процессов и . Первое дифференцирующее устройство 5 формирует короткие импульсы x_ди1 в моменты перехода импульсов колебания х_Б из уровня логического нуля в уровень логической единицы. Первым формирователем импульсов 8 на основе импульсов х_ди1 формируется последовательность импульсов х_ф1 с уровнем логической единицы. Импульсы x_ф1 поступают на вход разрешения перезаписи напряжения U_и, формируемого интегратором 10, в устройство выборки-хранения 11. Их длительность задается достаточной для выполнения перезаписи напряжения из интегратора в УВХ. Импульсы х_ф1, задерживаясь элементом задержки 11, на время длительности данных импульсов преобразуются в последовательность импульсов x_ф3, используемых для сброса (обнуления) интегратора. Импульсы х_ф3 с выхода элемента задержки 9 поступают на вход сброса (второй вход) интегратора 10. На первый (информационный) вход интегратора 10 подается сигнал x_мод, формируемый с помощью первого элемента И-НЕ как операция ИЛИ над процессами и , формируемыми на третьем и четвертом (модульных) выходах ЗМЛФД 1.

Для получения оценки приращений модулей разности фаз Δϕ напряжение U_и, формируемое интегратором 10 и запомненное значение напряжения U_и на предыдущем интервале анализа, выраженное как U_увх, подаются на положительный (+) и отрицательный (-) входы вычитателя 12 соответственно. Полученная на выходе вычитателя разность напряжений U_p=U_и-U_увх поступает на положительный вход компаратора напряжения 13. На отрицательном входе компаратора устанавливается уровень порога в виде положительного постоянного напряжения, незначительно отличающегося от нуля. Порог устанавливается таким, чтобы в случае ƒ₁=ƒ₂, когда U_и≈U_увх и U_p≈0, уровень сигнала x_к на выходе компаратора поддерживался равным логическому нулю. Сигнал x_к записывается в D-триггер 14 по переднему фронту колебаний сигнала x_Б. Для этого С-вход триггера подключен к второму входу ЗМЛФД 1. Корректная работа предлагаемого устройства обеспечивается, когда запись информации в D-триггер запрещается сигналом обнуления x_ф2. Сигналы х_ф2 длительностью τ≈1.5Т_р, (T_p=1/ƒ₂) вырабатываются на основе импульсов х_ди2, формируемых при каждом изменении уровня сигнала . Сигналы x_ф2 используются для удержания D-триггера в нулевом состоянии независимо от уровней сигналов, поступающих на его D- и С-входы.

Запомненный D-триггером сигнал x_к поступает на первые входы второго 3 и третьего 4 элементов И-НЕ, в которых осуществляется операция конъюнкции x_к с и соответственно. На выходе элемента И-НЕ 3 уровнем логического нуля отображается положительный знак , а на выходе элемента И-НЕ 4 - уровнем логического нуля отображается отрицательный знак разности частот. Причем уровень логического нуля в определенный момент времени может принимать только один из сигналов или , другой в это время находится в состоянии логической единицы. Когда разность анализируемых частот равна нулю оба сигнала и принимают уровень логической единицы.

Временные диаграммы, поясняющие работу устройства определения знака разности частот при отрицательной разности частот (Δƒ<0), представлены на фиг. 5. Одноименные процессы на фиг. 3 и 5 обозначены одинаковыми символами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Прошин Е.М. Цифровые измерительные устройства: учебное пособие / Е.М. Прошин; Рязанский государственный радиотехнический университет. - Рязань: 2011, - 224 с.

2. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. 2-изд., доп. и перераб. / В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин, В.Л. Карякин и др.; под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 1989. - 320 с.

3. Одиноков В.Ф. Цифровой дискриминатор кратных частот // Радиотехника. 1986. №11. С. 30-34.

4. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила-Новицкий, В.А. Прасолов и др., под ред. М.И. Жодзишского. - М.: Сов. Радио, 1980. - 208 с.

5. АС 1432724 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4212180/24-09; заявлено 19.03.87; опубл. 23.10.88 в Б.И. №39.

6. АС 1568207 СССР, МКИ H03D 13/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4374505; заявлено 05.02.88; опубл. 30.05.90 в БИ №20.

7. Патент РФ 2541899, МКП H03D 13/00. Фазовый дискриминатор / С.И. Холопов. №2013157154/08; заявлено 23.12.2013; опубл. 20.02.2015 в бюл. №5.

1. Способ определения знака разности частот, основанный на анализе знака и модуля разности фаз между колебаниями близких по значению частот, отличающийся тем, что знак разности частот принимается отрицательным, когда с течением времени анализа при положительном знаке разности фаз наблюдается увеличение модуля разности фаз или уменьшение модуля разности фаз при отрицательном знаке разности фаз, и знак разности частот принимается отрицательным, когда при положительном знаке разности фаз наблюдается уменьшение модуля разности фаз или увеличение модуля разности фаз при отрицательном знаке разности фаз.

2. Устройство для реализации способа определения знака разности частот, содержащее знако-модульный логический фазовый дискриминатор, первый вход которого является первым входом устройства, а второй вход которого является вторым входом устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы фазового дискриминатора являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно, отличающееся тем, что второй вход устройства соединен с С-входом D-триггера и входом первого дифференцирующего устройства, выход которого подключен к входу первого формирователя импульсов, выход первого формирователя импульсов соединен с входом элемента задержки и управляющим входом устройства выборки-хранения, выход элемента задержки подключен к первому входу обнуляемого интегратора, который является входом сброса интегратора, второй вход интегратора является информационным входом и соединен с выходом первого элемента И-НЕ, входы которого раздельно подключены к третьему и четвертому выходам устройства, выход интегратора соединен с первым входом вычитающего устройства и информационным входом устройства выборки-хранения, выход устройства выборки-хранения соединен с вторым входом вычитающего устройства, выход вычитающего устройства подключен к входу компаратора с постоянным порогом сравнения, выход компаратора подключен к D-входу триггера, R-вход которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, вход второго формирователя импульсов подключен к выходу второго дифференцирующего устройства, вход которого соединен с первым выходом устройства, прямой выход D-триггера подключен к первым входам второго и третьего элементов И-НЕ, выходы которых являются пятым и шестым выходами устройства соответственно, а вторые входы второго и третьего элементов И-НЕ раздельно подключены к первому и второму выходам устройства, на пятом и шестом выходах устройства формируются сигналы о положительном и отрицательном знаках разности частот соответственно.