Устройство для измерения девиации частоты

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для повышения точности измерения девиации частоты генераторов частотно-модулированных колебаний. Устройство содержит источник входного сигнала (1), исследуемый и опорный генераторы (5, 3), фазовые детекторы (7, 12), блок автоматической подстройки частоты (11), триггеры (14, 15), формирователи импульсов (6, 4), кварцевый генератор импульсов (8), синтезатор частоты (9), делитель частоты (10), счетчик импульсов (13), одновибратор (18), реверсивный счетчик (17), регистр памяти (19) и цифровой индикатор (20). Технический результат: обеспечение повышения точности за счет автоматической регулировки длительности цикла измерения обратно пропорционально девиации частоты и посредством исключения влияния нестабильности несущей частоты при двухтактном преобразовании. 2 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано для измерения параметров генераторов частотно-модулированных колебаний, в том числе и измерения отклонения девиации частоты от номинального значения.

Известные устройства для измерения девиации частоты основаны на спектральном разложении частотно-модулированного ЧМ-сигнала и содержат генератор модулирующего напряжения с регулируемым аттенюатором, исследуемый ЧМ-генератор, коммутатор, частотомер и анализатор спектра.

Точность измерения данных устройств ограничена влиянием сопутствующей (паразитной) амплитудной модуляции и искажением формы модулирующего сигнала, с учетом которых погрешность измерения девиации частоты составляет не менее (0,5...4)%.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является измеритель девиации частоты, содержащий источник входного сигнала, исследуемый генератор ЧМ-колебаний, опорный управляемый генератор с блоком автоматической подстройки частоты в цепи обратной связи на основе полосового фильтра, амплитудного детектора и регулируемого усилителя, фазовый детектор и индикатор.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения девиации частоты из-за высоких требований к стабильности амплитуды и формы входного сигнала, подаваемого на исследуемый ЧМ-генератор. Кроме того, метрологические свойства устройства ограничиваются нестабильностью и нелинейностью характеристик применяемых аналоговых функциональных узлов.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения девиации частоты в широком динамическом диапазоне модулирующего сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения девиации частоты, содержащее источник входного сигнала, исследуемый генератор ЧМ-колебаний, опорный управляемый генератор с блоком автоматической подстройки частоты в цепи обратной связи, фазовый детектор и индикатор, дополнительно введены аналоговый коммутатор, второй фазовый детектор на D-триггере, последовательно соединенные кварцевый генератор импульсов и делитель частоты, два формирователя импульсов, синтезатор частоты, триггеры знака и сброса, счетчик, одновибратор, логический элемент 2ИЛИ и реверсивный счетчик, подключенный через регистр памяти к цифровому индикатору, при этом источник входного сигнала соединен со входом опорного управляемого генератора и одним входом коммутатора, а также через первый формирователь импульсов соединен с C-входом триггера сброса. При этом D-вход триггера сброса подключен к выходу счетчика, первому входу логического элемента 2ИЛИ и через триггер знака соединен с управляющим входом коммутатора, входом "Направление счета" реверсивного счетчика и входом одновибратора, выход которого подключен к стробирующему входу регистра памяти и входу сброса реверсивного счетчика. Счетный вход реверсивного счетчика соединен с выходом первого фазового детектора, реализованного на D-триггере, а вход "Разрешение счета" реверсивного счетчика подключен к выходу логического элемента 2ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом триггера сброса и R-входом счетчика. Счетный C-вход счетчика подключен к выходу второго фазового детектора, два входа которого соединены соответственно с выходом опорного управляемого генератора и выходом делителя частоты и подключены к двум входам блока автоподстройки частоты. Второй вход коммутатора соединен с нулевой цепью, а его выход через последовательно подключенные исследуемый генератор ЧМ-сигнала и второй формирователь импульсов соединен с одним из входов первого фазового детектора, к второму входу которого через синтезатор частоты подключен кварцевый генератор импульсов.

В предложенном устройстве за счет введения дополнительных функциональных узлов устраняется влияние формы входного модулирующего сигала, а также нестабильности несущей частоты исследуемого ЧМ-генератора на точность измерения девиации частоты. Кроме того, при регулировке амплитуды входного сигнала автоматически изменяется длительность цикла измерения девиации частоты, чем обеспечивается высокая точность измерения в широком диапазоне изменения входного сигнала, и погрешность измерения определяется только стабильностью частоты кварцевого генератора импульсов, выполняющего функцию измерительной меры.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу его основных узлов.

Устройство (фиг. 1) содержит источник входного сигнала 1, который подключен к входам коммутатора 2, образцового управляемого генератора 3 и первого формирователя импульсов 4. Второй вход коммутатора 2 соединен с нулевой цепью, а его выход подключен к входу исследуемого генератора ЧМ-колебаний 5. Выход ЧМ-генератора 5 через второй формирователь импульсов 6 соединен с D-входом триггера 7, выполняющим функцию фазового детектора, вход синхронизации (C-вход) которого подключен к выходу кварцевого генератора импульсов 8 через синтезатор частоты 9. Кроме того, выход кварцевого генератора импульсов 8 через делитель частоты 10 соединен с входом блока автоподстройки частоты 11, установленного в цепи отрицательной обратной связи образцового управляемого генератора 3, и подключен к D-входу триггера 12, выполняющего функцию второго фазового детектора, C-вход которого соединен с выходом образцового управляемого генератора 3. К выходу D-триггера 12 подключен счетный вход (C-вход) счетчика импульсов 13, вход сброса которого (R-вход) соединен с выходом триггера сброса 14, а выход счетчика импульсов 13 подключен к входу синхронизации (C-входу) триггера знака 15 и одному входу логического элемента 2ИЛИ 16, второй вход которого соединен с выходом триггера сброса 14. Выход триггера знака 15 подключен к управляющему входу коммутатора 2, входу "Направление счета" реверсивного счетчика 17 и входу одновибратора 18, выход которого соединен с входом сброса (R-входом) реверсивного счетчика 17 и стробирующим входом записи регистра памяти 19, входы данных (D-входы) которого подключены к выходам реверсивного счетчика 17. Цифровая информация с выходов регистра памяти 19 выводится на индикатор 20, служащий для дешифрации и представления результатов измерения в цифровой форме.

Устройство работает следующим образом.

Весь цикл измерения девиации частоты выполняется за два последовательных такта. В первом такте преобразования по командному импульсу, формируемому триггером знака 15, реверсивный счетчик 17 переводится в режим суммирования, а коммутатор 2 подключает вход исследуемого ЧМ-генератора 5 к выходу источника входного сигнала 1. На выходе генератора 5 формируется гармонический сигнал частоты f_чм1= f_н± Δf, определяемый несущей частотой f_н и девиацией частоты Δf. Формирователь импульсов 6, выполняющий функцию триггера Шмитта, преобразует выходной частотно-модулированный сигнал генератора 5 в последовательность импульсов, имеющих скважность, примерно равную двум. Для выделения контролируемой девиации частоты Δf применен фазовый детектор 7 на D-триггере, на C-вход которого непрерывно подаются импульсы образцовой частоты f_o= f_н, формируемой синтезатором частоты 9 из выходного сигнала кварцевого генератора импульсов 8 стабильной тактовой частоты f_Т. На выходе фазового детектора 7 выделяется импульсный сигнал разностной частоты, которая при выполнении условия f_н=f_o соответствует модулю девиации частоты так как любой D-триггер фактически выполняет функцию вычитания частот, подаваемых на его D-вход и C-вход, без выделения знака их разности. Модулирующее напряжение U_x от источника входного сигнала 1 преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов формирователем 4 и подается на образцовый управляемый генератора 3, в цепи обратной связи которого применен блок автоматической подстройки частоты 11. С помощью этого блока автоподстройки обеспечивается стабилизация средней частоты f_ср управляемого генератора 3 на уровне, определяемом частотой f_Т кварцевого генератора 8 и коэффициентом деления N_ДЧ делителя частоты 10: f_ср = f_ДЧ=f_Т/N_ДЧ. Вследствие этого на выходе управляемого генератора 3 формируется последовательность импульсов с образцовой девиацией частоты Δf_o и стабильной средней частотой f_ср: f_уг= f_ср± Δf_o= f_т/N_дч± Δf_o. При поступлении импульсов частоты f_Т/N_ДЧ от делителя 10 и импульсов частоты f_УГ от управляемого генератора 3 на входы фазового детектора 12 выделяется модуль образцовой девиации частоты Импульсы разностной частоты с выхода фазового детектора 12 поступают на вход счетчика 13, имеющего номинальный коэффициент счета N_cu, которым задается длительность первого такта контроля T₁= N_си/Δf_o. В течение первого такта T₁ реверсивный счетчик 17 суммирует импульсы, поступающие на его C-вход от фазового детектора 7, поэтому в конце такта T₁ на выходе реверсивного счетчика формируется код N₁= (f_чм1-f_o)·T₁= [(f_н+Δf)-f_o]·N_си/Δf_o. По окончании первого такта на выходе счетчика 13 появляется перепад напряжения, стробирующий триггер знака 15. При срабатывании триггера знака 15 реверсивный счетчик 17 переводится в режим вычитания, а вход исследуемого ЧМ-генератора 5 подключается коммутатором 2 к нулевой цепи. Одновременно выходной сигнал счетчика импульсов 13 подается на вход логического элемента 2ИЛИ, запрещающего работу реверсивного счетчика 17, и на D-вход триггера сброса 14. Этот триггер 14 стробируется выходными импульсами формирователя 4, поэтому длительность импульса на выходе триггера 14 соответствует периоду модулирующего напряжения U_x, поступающего от источника входного сигнала 1. Вследствие этого начало каждого такта контроля синхронизируется с периодом входного сигнала, чем обеспечивается равенство длительностей первого и второго тактов в каждом цикле измерения. Выходным импульсом триггера сброса 14 счетчик 13 устанавливается в исходное состояние, а логическим элементом 2ИЛИ 16 запрещается работа реверсивного счетчика 17 на время сброса в конце каждого такта.

В течение второго такта измерения длительности T₂ = T₁ частота выходного сигнала ЧМ-генератора 5 остается постоянной и определяется только значением его несущей f_ЧМ2= f_н, а разностная частота импульсов (f_н - f_о) на выходе фазового детектора 7 соответствует отклонению несущей f_н от установленного синтезатором частоты 9 значения f_о. В результате вычитания импульсов частоты (f_н - f_о) реверсивным счетчиком 17 в течение второго такта T₂ в конце цикла контроля на выходе реверсивного счетчика формируется код N = N₁-N₂= Δf·N_си/Δf_o, значение которого не зависит от несущей частоты f_н исследуемого генератора 5.

При срабатывании счетчика импульсов 13 и триггера знака 15 в конце второго такта контроля T₂ одновременно срабатывает одновибратор 18. Передним фронтом выходного сигнала одновибратора 18 стробируется регистр памяти 19, а его логическим уровнем выполняется сброс реверсивного счетчика 17 в исходное (нулевое) состояние. Полученный в конце второго такта результат измерения выводится с выходов регистра памяти 19 на цифровой индикатор 20, после чего процесс измерения повторяется.

Особенностью данного устройства является использование в качестве измерительной меры высокоточного управляемого генератора импульсов, обеспечивающего нелинейность преобразования напряжения в частоту менее (0,001... 0,01)% при максимальном значении выходной частоты до 500 кГц. Такой управляемый генератор, реализуемый на микросхемах типов КР1108ПП1А, К1564ГГ1, нельзя использовать в качестве ЧМ-генератора систем связи из-за несинусоидальной формы его выходного сигнала и ограниченного частотного диапазона. Однако его применение в качестве образцового блока или измерительной меры при измерении позволяет значительно снизить преобразования при оценке девиации частоты гармонических ЧМ-генераторов.

К дополнительным достоинствам предложенного устройства относится возможность его применения для измерения нелинейности характеристик ЧМ-генераторов и допускового измерения технологического разброса их параметров на стадии серийного производства ЧМ-средств связи. В частности, регулировкой коэффициента преобразования входного сигнала в образцовую девиацию частоты (K_уг= Δf_o/U_x) и изменением цифровой емкости счетчика N_cu можно обеспечить измерения отклонений девиации частоты Δf относительно заданного значения в десятых-сотых долях процента. Кроме того, аналогичную операцию можно реализовать с высокой точностью при различных значениях входного напряжения, так как при уменьшении U_x понижается образцовая девиация частоты Δf_o и соответственно увеличивается длительность такта измерения.

Предложенное устройство может быть реализовано на типовых интегральных микросхемах: формирователи импульсов - на элементах К561ЕЛ1, К1533ТЛ2, триггеры знака и сброса и фазовые детекторы - на D-триггерах типа К1554ТМ2, делитель, реверсивный счетчик и счетчик импульсов - на микросхемах типа К561ИЕ14, регистр памяти - на микросхемах К561ИР9, а в цифровом блоке индикации можно применить дешифраторы К176ИД2 и индикаторную панель типа ИЖКП4. Логический элемент 2ИЛИ и кварцевый генератор импульсов можно реализовать на микросхемах типа К1561ЛЛ1 и К1561ЛЕ5, а в одновибраторе можно использовать микросхему типа К1006ВИ1.

Формула изобретения

Устройство для измерения девиации частоты, содержащее источник входного сигнала, исследуемый генератор частотно-модулированных колебаний, опорный управляемый генератор с блоком автоматической подстройки частоты в цепи обратной связи, фазовый детектор и индикатор, отличающееся тем, что в него введены коммутатор, второй фазовый детектор на D-триггере, последовательно соединенные кварцевый генератор импульсов и делитель частоты, два фopмиpoвaтeля импульсов, синтезатор частоты, триггеры знака и сброса, счетчик, одновибратор, логичесий элемент 2ИЛИ и реверсивный счетчик, подключенный через регистр памяти к цифровому индикатору, причем источник входного сигнала соединен с входом опорного управляемого генератора и одним входом коммутатора, а также через первый формирователь импульсов соединен с С-входом триггера сброса, D-вxoд которого подключен к выходу счетчика, первому входу логического элемента 2ИЛИ и через триггер знака соединен с управляющим входом коммутатора, входом "Направление счета" реверсивного счетчика и входом одновибратора, выход которого подключен к стробирующему входу регистра памяти и входу сброса реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом первого фазового детектора, а его вход "Разрешение счета" подключен к выходу логического элемента 2ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом триггера сброса и R-входом счетчика, С-вход которого подключен к выходу второго фазового детектора, два входа которого соединены соответственно с выходом опорного управляемого генератора и выходом делителя частоты и подключены к входам блока автоподстройки частоты, второй вход коммутатора соединен с нулевой цепью, а его выход через последовательно включенные исследуемый генератор частотно-модулированного сигнала и второй формирователь импульсов подключен к одному входу первого фазового детектора, второй вход которого через синтезатор частоты соединен с выходом генератора импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2