Устройство для измерения частоты
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (53)M. Кл.
G 01 R 23/00 (22) Заявлено 04.04,79 (21) 2 74 75 22/18-21 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—
Опубликовано 150 381 Бюллетень No 10 .
Дата опубликования описания 150 331
Государственный комитет
СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 621,317. . 76 (088.8) (72) Авторы изобретения
В.В. Печенин, И.Г. Ноздрин и Л.А. Краснов (71) Заявитель
Харьковский авиационный институт (54 ) УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при анализе радио- и гидролокационной информации.
Известно устройство для измерения частоты по переходам напряжения через нулевой- уровень, содержащее последовательно соединенные счетчик чисел, соответствующих моментам нуль- 10 пересечений, умножитель и суммматор, счетчик числа нуль-пересечений, выход которого подключен ко второму входу умножителя, а вход соединен с первым входом счетчика чисел,,соответствующих моментам нуль-пересечений, а также генератор эталонных меток времени„ соединенный выходом со вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений (1j. 20
Однако это устроиство дает существенные систематические погрешности из-эа его чувствительности к неизвестной случайной начальной фазе сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения частоты, содердащее генератор эталонных меток времени, счетчик чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, умножи- З0 тель и сумматор, счетчик числа нульпересечений, блок вычитания, ячейку памяти и делитель, при этом выход генератора эталонных меток времени соединен со вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нульпересечений, вход счетчика числа нульпересечений и первый вход счетчика чисел, соответствующих моментам нульпересечений.,объединены, выходы счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки памяти подключены ко входам блока вычитания, выходы блока вычитания и счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-.пересечений,подключены ко входам блока умножения, выход которого соединен со входом сумматора, выход сумматора и второй выход ячейки памяти подсоединены ко входам делителя 32).
Недостатком этого устройства является то, что качественные показатели его работы существенно ухудша.отся при уменьшении отношения сигнал-шум на выходе. Это связано с появлением аномаль-. ных "ложных" нулей, что обусловлено широкополосным характером действия помехи, а также перескоками фазы сигнала на 180о в пороговых устройствах из-эа амплитудных замираний.
813291
Цель изобретения — повышение точности измерения частоты сигналов с неизвестной начальной фазой при малых отношениях сигнал-шум.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем Последовательно соединенные счетчик импуль5 сов, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с первым входом счетчика импульсов, генератор эталонных меток времени, выход которого соединен со вторым входом счетчика импульсов, блок вычитания, «чейку памяти и делитель, выход счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки памяти подключены ко входам блока вычитания, 15 выход которого соединен со вторым входом умножителя, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подключены ко входам делителя, введены формирователь нуль-пересечений, два Щ элемента совпадения, три триггера, два интегратора, дифференциальный усилитель, регулируемый элемент задержки, формирователь стробирующих импульсов, амплитудный дискриминатор и цифроаналоговый преобразователь, причем выход формирователя нуль-пересечений подключен к сигнальному входу первого элемента совпадения, управляющий вход которого соединен со входом формирователя стробирующих импульсов, выходом регулируемого элемента задержки и одним из входов первого триггера, другой вход которого соединен с выходом первого элемента совпадения, входом регулируемого элемента З з адержки, си гналь ным входом второго эле-. мента совпадения и счетным входом второго триггера, выход котого подключен к одному из входов третьего триггера, другой вход которого подключен 4О к управляющему входу второго элемента совпадения и к выходу формирователя стробирующих импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом амплитудного дискриминатора, выход делителя через цифроаналоговый преобразователь подключен к сигнальному входу амплитудного дискриминатора, к управляющему входу которого подключена шина опорного напряжения, выход второго элемента совпадения соединен со входом счетчика числа нуль-пересечений, выход первого триггера через первый интегратор подключен к первому входу дифференциального усилителя, выход третьего триггера через второй интегратор подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого элемента задержки.
На фиг. 1 представлена структурная @) схема устройства для измерения частоты, на фиг. 2-временные диаграммы, поясняющие его работу.
Устройство для измерения частоты содержит формирователь 1 нуль-пересе- у чений, элементы 2 и 3 совпадения, регулируемый элемент 4 з адержки, формирователь 5 стробирующих импульсов, генератор 6 эталонных меток времени, счетчик 7 импульсов, умножитель 8, сумматор 9, триггеры 10-12, счетчик
13 числа нуль-пересечений, блок 14 вычит ания, ячейку 15 памяти, делитель 16, первые интеграторы 17 и 18, дифференци аль ный усилитель 19, амплитудный дискриминатор 20, цифроаналоговый преобразователь 21, вход
22, шину 23 опорного напряжения и выход 24. Причем формирователь 1 нуль-пересечений, первый элемент 2 совпадения, регулируеьый элемент 4 задержки, формирователь 5 стробирующих импульсов и второй элемент 3 совпадения последовательно соединены, выход регулируемого элемента 4 задержки подключен к управляющему входу первого элемента 2 совпадения и к одному из входов первого триггера 12, первый элемент 2 совпадения соединен с другим входом первого триггера 12, счетным входом второго триггера 10 и сигнальным входом второго элемента 3 совпадения, один вход третьего триггера 11 соединен с выходом второго триггера 10, а другой вход триггера 11 подключен к выходу формирователя 5 стробирующих импульсов, выходы первого триггера 12 и третьего триггера 11 соединены со входами первого интегратора 17 и второго интегратора 18, выходя которых подключены ко входам дифференциального усилителя
19, вход усилителя 19 подключен к управляющему входу регулируемого элемента 4 задержки, выход второго элемента 3 совпадения соединен с объединенными входами счетчика 7 импульсов и счетчика 13 числа нуль-пересечений, генератор 6 эталонных меток времени, счетчик 7 импульсов, умножитепь 8 и сумматор 9 последовательно соединены, выход счетчика 13 числа нуль-пересечений и первый выход ячейки 15 памяти подключены ко входам блока 14 вычитания, выход которого соединен со вторым входом умножителя 8, второй выход ячейки 15 памяти и выход сумматора 9 подключены ко входам делителя 16, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя 21, выход цифроаналогового преобразователя 21 соединен с сигнальным входом амплитудного дискриминатора 20, управляющий вход которого соединен с шиной 23 опорного напряжения, а выход — с управляющим входом формирователя 5 стробирующих импульсов. Исследуемый сигнал подается на вход 22 формирователя 1 нуль-пересечений, опорное наряжение подается на управляющий вход 23 амплитудного дискриминатора 20, оценка исследуемого сигнала формируется на выходе 24 делителя 16..
813291
Устройство работает следующим об- разом.
При поступлении на вход устройства 22 исследуемого сигнала на выходе формиров ат еля 1 нул ь-перес ече ни и образуется поток коротких импульсов, поступающих на вход первого элемента 2 совпадения, который в исходном состоянии открыт. При появлении на выходе 2 элемента 2, первого импульса производится запуск регулируемого элемента 4 задержки, который формиру- 1О ет импульс длительностью То, соответствующий на первом шаге измерения априорным сведениям об исследуемом сигнале. "Ha время действия этого импульса элемент 2 совпадения запирается, 15 что позволяет не пропустить на вход из мерит еля "а н омал ь ных" нул ей . В момент, соответствующий заднему фронту импульса регулируемого элемента 4 з адержки, триггер 12 переводится в 2О единичное состояние и одновременно запускается формирователем 5 стробирующих импульсов, длительность импульса которого соответствует априорным сведениям о частоте и определяется вы-25 ражением для дисперсии периода нульпересечений следующим образом.
6т = ply+ Rbo)lqoo>)z +R(v) l (<> Анч)
Я(Т)= + /> +0 (Г- Такая модель диспресии нуль-пересе-З5 чений хорошо соответствует потоку "нормально" флюктуирующих нулей при условии эффективного стробирования выборки. При поступлении на вход устройства второго "нормального" нуля триггер 4О 12 устанавливается в исходное состояние, одновременно с этим триггер 10, который также возвращается в исходное положение; переводит триггер 11 в единичное состояние. Второй "нормаль- 45 ный" нуль через второй элемент 3 совпадения поступает на объединенный вход счетчика 13 числа нуль-пересечений и счетчика 7 импульсов и служит для формирования оценки частоты. В Я) момент окончания стробирующего импульса в формирователе 5 триггер 11 воз-, вращается в исходное состояние. На выходах триггеров 12 и 11 образуются импульсы, длительность которых определяет сдвиг второго " нормального" нуля относительно. центра стробирующего импульса. На фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип стробирования "нормальных" нулей и метод временного сдвига очередного ну-бо ля относительно центра стробирующего импульса. Полученная информация о положении очередного нуля используется для управления положением стробирующего импульса. На фиг. 2а крестиками 65 отмечены "аномальные" нули, которые за счет стробирования не используют. ся в данном устройстве для оценки частоты, что позволяет существенно уменьшить смещение и дисперсию оценки. Импульсы с выходов триггера 12 и 11 поступают на входы интеграторов 17 и 18, где преобразуются в напряжения, пропорциональные их длительности. Затем эти напряжения подаются на входы дифференциального усилителя 19, который вырабатывает напряжение,пропорциональное временному сдвигу текущего нуля относительно середины стробирующего импульса. Это напряжение используется для управления длительностью импульсов регулируемого элемента 4 задержки для слежения за временным положением стробирующего импульса на последующих шагах измерения. Пот ок нулей с выхода элемент а 3 поступает на объединенные входы счетчика 7 импульсов и счетчика 13 числа нуль-пересечений. На выходе счетчика 13 числа нуль-пересечений формируется число и, равное количеству переходов исследуемого сигнала через нулевой уровень в течение интервала наблюдения без учета "аномальных" нулей, прохождение которых запрещает формирователь 5. Одновременно в счетчике 7 импульсов,на второй вход которого поступают счетные импульсы с выхода генератора б эталонных меток времени, форгируются числа „, которые соответствуют интервалу времени от начала интервала наблюдения до n-ro пересечения сигналом нулевого уровня. Эти числа соответствуют количеству счетных импульсов генератора 6 эталонных меток времени, поступающих на вход счетчика за укаэанные интервалы времени. Поскольку устранение влияния случайной начальной фазы обеспечивается переносом оценки частоты f к середине интервала наблюдения, в ячейку 15 памяти введено число М, равное половине количества нуль-пересечений, которые должны быть проанализированы, т.е. задается фиксированная длина выборки по количеству "нулей". Число М иэ ячейки 15 памяти и числа и счетчика 13 числа нуль-пересечений поступают на входы блока 14 вычитания, на выходе которого формируется разность чисел п=п-M. Указанная разность чисел и и чисел с выхода счечика 7 импульсов поступает на вход умножителя 8, который реализует операцию вычисления и t„. Полученное произведение подается на вход сумматора 9, на выходе которого формируется число, равное У nt«и поступает на вход делителя 16. Кроме того, в ячейку 15 памяти введено число 2„ ; и Эта константа используется в качестве делимого в блоке 16 делителя, на выходе которого получают искомую оценку 813291 частоты. Полученная оценка частоты подается на вход цифроаналогового преобразователя 21, который вырабатывает напряжение, пропорциональное частоте, определенной в результате усреднения выборки "нулей" фиксиро5 ванной длительности. Напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 21 поступает на сигнальный вход амплитудного дискриминатора 20, на управляющий вход которого подается опорное напряжение, соответствующее априорным сведениям о частоте. Разность указанных напряжений поступает на управляющий вход формирователя 5 для управления длительностью стробирующего импульса. Таким образом, предлагаемое устройство осуществляет эффективное стробирование выборки как путем слежения за временным положением стробирующего импульса, так и путем слежения 20 за его длительностью. При этом слежение за временным положением стробирующего импульса осуществляется для каждого последующего нуля на основании наблюдения на каждом предыду- д щем "нулевом шаге", в то время как слежение за длительностью стробирующего импульса осуществляется на основе анализа оценки частоты, полученной путем оптимального усреднения выборки З "нулей" длительностью Т, и измеряется дискретно от выборки к выборке. Это позволяет существенно повысить точность и достоверность измерения частоты сигналов с неизвестной начальной фаз ой. Формул а и з обр ет ения Устройство для измерения частоты, 40 содержащее последовательно соединенные счетчик импульсов, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с первым входом счетчика импульсов, генератор эталонных меток времени, выход которого соединен со вторым входом счетчика импульсов, блок вычитания, ячейку памяти и делитель, выход счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки памяти подключены ко входам блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом умножителя, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подключены ко входам делителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения частоты сигналов с неизвестной начальной, фазой при малых отношениях сигнал-шум, в него введены формирователь нуль-пересечений, два элемента совпадения, три триггера, два интегратора, дифференциальный усилитель, регулируемый элемент задержки, формиро ватель стробирующих импульсов, амплитудный дискриминатор и цифроаналоговый преобразователь, причем выход формирователя нуль-пересечений подключен к сигнальному входу первого элемента совпадения, управляющий вход которого соединен со входом формирователя стробирующих импульсов, выходом регулируемого элемента задержки и одним из входов первого .триггера, другой вход которого соединен с выходом первого элемента совпадения, входом регулируемого элемента задержки, сигнальным входом второго элемента совпадения и счетным входом второго триггера, выход которого подключен к одному из входов третьего триггера, другой вход которого подключен к управляющему входу второго элемента совпадения и к выходу формирователя стробирующих импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом амплитудного дискриминатора, выход делителя через цифроаналоговый преобразователь подключен к сигнальному входу амплитудного дискриминатора, к управляющему входу которого подключена шина опорного напряжения, выход второго элемента совпадения. соединен со входом счетчика числа нуль-пересечений, выход первого триггера через первый интегратор подключен к первому входу дифференциального усилителя, выход третьего триггера через второй интегратор подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого элемента задержки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Андронов И.A. Снитко Б.Н. Об измерении частоты по переходам напряжения через нулевой уровень. — "Радиотехника", т. 29, 1974, 9 б, с. 7679. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2594953, кл. G 01 R 23/00, 19 78. 813291 Фиг. Фиг.2 Составитель Е.Иосолков Техред A. Савка Корректор В. Бутяга Редактор Т.Веселова Подпис ное Заказ 765/55 Тираж 732 BHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
