Устройство для измерения нестабильности частоты

может быть испольения нестабильности бательных систем,повышение точносфункциональных возесителе 4 выделяется та исследуемого и ераторов 1 и 2. На 12 частоты формирульность импульсов ыходе делителя 13 тся последовательГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(21) 4234381/24 (22) 22.04.87 (46) 07.12.88. Б (72) А.И.Вервейк В.М.Уваров и 10.С (53) 621.317 (08 (56) Авторское сУ 1091085, кл. САвторское сви Ф 1335891, кл. С (54) УСТРОЙСТВО БИЛБНОСТИ ЧАСТОТ (57) Изобретение зовано для измер частоты автоколе Цель изобретения ти и расширение можностей. В см разностная часто управляемого ген выходе делителя ется последовате усреднения, На в частоты формируе ность опорных импульсов. Измерительный интервал, формируемый на выходетриггера 15, коммутирует на выходвременного селектора 16 импульсы свыхода умнохсителя 9 частоты. Делитель 18 частоты формирует импульсывременной шкалы, индицируемой нарегистраторе 14. Выходным напржкением блока 3 управления перестраива",ются частоты управляемого генератора2, Импульс установки с третьего выхода блока 6 коррекции Формируетмаксимальный уровень напряжения навыходе преобразователя 11 код - напряжение. Выходной код двоичногосчетчика 17 вызывает появление единичного уровня напряжения на первомвыходе блока 10 сравнения кодов. Выход отклонения частоты от номинального значения компенсируется изменением частоты управляемого генератора 2, что позволяет устранить процесс перестройки генератора 2 на ин- иватервалах усреднения. 8 ил, 4 ъ442928 оставитель Ю,Минкинехред Л.Сердюкова орректор О.Кравцо дактор Е.Па аказ 6380/42 роизводственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 4 Тираж 772 ВНИИПИ Государств по делам изобре 3035, Москва, ЖПодписноенного комитета СССРений иоткрытийРаушская наб д, 4Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для измерения кратковременной и одновременной неста 5 бильностей частоты автоколебательныхсистем, например, кварцевых автогенераторов.Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей.На фиг.1 приведена блок-схема устройства для измерения нестабильности частоты, на фиг.2 - функциональная схема блока коррекции, на фиг,3 - 15 функциональная схема преобразователя код - напряжение;, на фиг,4 - функциональная схема блока управления; на фиг.5 - функциональная схема делителя частоты; на фиг.б - временные диаграммы, поясняющие работу устройства для измерения нестабильности частоты на фиг.7 и 8 - временные ди- аграммы, поясняющие получение отсчетов кратковременной и долговременной нестабильностей частоты.Устройство содержит исследуемый генератор 1, управляемый генератор 2, блок 3 управления, смеситель 4, эталонный генератор 5, блок 6 коррекции, 30 реверсивный счетчик 7, компаратор 8, умножитель 9 частоты, блок 10 сравнения кодов, преобразователь 11 код - напряжение, делитель 12 частоты, делитель 13 частоты, регистратор 14, триггер 15, временной селектор 16,35 двоичный счетчик 17 и делитель 18 частоты.Вход управляемого генератбра 2 со- единен с выходом блока 3 управления, а выход управляемого генератора 2 подключен к второму входу смесителя 4, первый вход которого соединен с выходом исследуемого генератора 1. Первый и второй выходы блока 6 кор 45 рекции соединены с соответствующими входами блока 3 управления и реверсивного счетчика 7, выход смесителя 4 подключен к первому входу компаратора 8, второй вход которого соединен с выходом эталонного генератора 5 и входом умножителя 9 частоты, выход которого соединен с вторым входом блока 6 коррекции, третий и четвертьй входы которого соединены соответственно с первым и вторым вхо дами блока 10 сравнения кодов, вход которого соединен с пятым входом блока б коррекции и с третьим входом преобразователя 11 код - напряжение,. второй вход которого соединен с третьим выходом блока 6 коррекции, выход реверсивного счетчика 7 подключен к первому входу преобразователя 11 код - напряжение. Выход компаратора 8 подключен к информационному входу делителя 12 частоты, управляющий вход которого соединен с выходом делителя 12 частоты с первым входом блока 6 коррекции и с управляющим входом делителя 13 частоты, информационный вход которого соединен с выходом умножителя 9 частоты, выхоц преобразователя 11 код - напряжение подключен к входу регистратора 14, первый и второй входы триггера 15 подключены к выходам соответственно, целителей 12 и 13 частоты, первый и второй вхо" ды временного селектора 16 подключены соответственно к выходам умножителя 9 частоты и триггера 15, первый и второй входы двоичного счетчика 17 соединены с выходами соответственно делителя 13 частоты и временного селектора 16, выход двоичного счетчика 17 подключен к входу блока 10 сравнения кодов, выход умножителя 9 частоты соединен с информационным входом делителя 18 частоты, управляющий вход которого соединен с четвертым входом преобразователя 11 код - напряжение и выходом делителя 18 частоты.Блок б коррекции состоит из триггеров 19 и 20, инвертора 21, триггера 22, элемента ИЛИ 23, элемента И 24, инвертора 25, элементов И 26 и 27, двоичных реверсивных счетчиков 28, кроссировочных полей 29, элементов 30 сравнения кодов, элемен" та И 31, резистора (К) 32 и конденсаторы (С) 33 (фиг.2).Преобразователь 11 код - напряжение состоит из элементов И-НЕ 34 41, резисторов (2 Е) 42 и 43, резисторов (К) 44 и 45, конденсаторов (С) 46 и 47 и резисторов Я) 48 и 49 (фиг, 3). Блок 3 управления состоит из пре, образователя 11 код - напряжение, двоичных реверсивных счетчиков 50, резистора (К) 51, конденсатора (С) 52, инвертора 53, резистора (К) 54, стабилитрона (Ч) 55, резисторов (К) 5659, операционного усилителя (А) 60 и кроссировочных полей 61 (фиг.4),Хо ю где Г- текущее значение частотына выходе исследуемого генератора,Г, дГ - номинальное значение исследуемой частоты и ее отклонение,подается на вход смесителя 4. Вьщеляется разностная частота исследуемого и управляемого генераторов 1 и 2(2)Ъгде Е, Е - текущее и номинальное значения исследуемой частоты навыходе смесителя 4,Осуществляется умножение отклонения, частоты от номинального значения(6) и, Т. Формируется измерительный интервал"и "х "оэ который коммутирует импульсы частоты2 Б эталонного генератора 5, умноженной в ш раз, что позволяет записать(9о где Е- текущее значение частотына выходе компаратора 8,К - коэффициент умножения компаратора 8.Выражение (3) записывается через номинальное значение периода исследуемой частоты Т, на выходе компаратора 8 и его отклонение для обеспечения измерения отклонениячастоты от номинального значения, какв положительную, так и в отрицательную сторону необходимо выполнить условие и х ш Тхо и оТо Т У о+ дТ,(4) где У - начальное число коммутируемых импульсов.С учетом (10) выражение (9) пре-. образуется к виду где Т - текущее значение исследуемой частоты на выходе компаратора 8.Изменение периода исследуемой частоты определяется из соотношения 45 И =У+ =У+И, (11) и,шдТ с(12) и равно Разрешающая способность устройства (отклонение входной частоты от номинального значения, вызывающее изменение количества коммутируемых импульсов на единицу, или выходного К 2ХО( ХО- ХО(5) 3 1442928 4,Делители 12, 13 и 18 частоты сос- Из и импульсов исследуемой частоты,тоят каждый из двоично-десятичных ре- следующих с. периодом Т (фиг,ба),форверсивных счетчиков 62 и кроссиро- мируется последовательность импульвочного поля 63 (фиг.5). сов усреднения с периодом следованияУстройство работает следующим5= и Т.К хеи долговременной нестабильностей час- Иэ и, импульсов эталонного генератототы протекает следующим образом. 10 ра 5, частота которого умножена в вВыходная частота исследуемого раз (фиг.бс, период равен Т /в, гдегенератора 1 Т - период следования импульсов час(1)тоты эталонного генератора 5), формируется последовательность опорйых импульсов, которая задержана относительно импульсов усреднения на временнойинтервал (фиг,бй)(18 например 0,1 1/В измерений рассчи ветствующий йр 15 К й9 ра(14 Ем где дГ - макс клонение часто и осуществ 1 ерестройк 2 Формируе ально допустимое о ного зна 8зна- тавить от номинал екции, кол нака сумм ур, о (19)ка ЗО начение И, п ение по закону уется в нап Визуализация 0позволяет из мерить кратковременную нестабильность частоты на заданном интервале усреднения.Если количество коммутируемых импульсов находится в заданном поле допуска, работа устройства продолжается по описанному алгоритму.Если количество коммутируемых импульсов находится вне поля допуска, частота управляемого генератора 2 пе рестраивается таким образом, чтобь выходная частота смесителя 4 совпала с центральной частотой полосы пропускания компаратора 8, и процесс, измерения повторяется по описанному алгоритму. Частота управляемого генератора 2 при этом должна. изменяться по закону(21 Функьностииналой,измеент дестоты,иТк ния компаратостоты выбирают циент деления танавлив ают танному по Коэффициенты умнож 55 ра 8 и умножителя 9 ч с учетом (13). Коэффи делителя 13 частоты у равным значению,рассчнапряжения на шаг квантования 1 Б)определяется из условия 11 кд . дт 11 и 1 вти с учетом (3) и (5) равна Значение У выбирается из следующих условий. Для того, чтобы компаратор не вносил заметных погрешностей при получении очередного отсчета кратковременной нестабильности частоты, необходимо выполнять ус- ловие чения на выходе компаратораС учетом (3), (13) и (14 чение величины У можно пред В Рм ЛЕм(а+1), ( )ка Контролируется нахождение количества коммутируемых импульсов в заданном поле допуска. Нижнюю и верхнююграницы поля допуска устанавливают,например, равными 0,25 У и 1,75 У,что согласно (14) и (15) соответствует выходным частотам компаратора8 Яа75м и й д+0,75 ЛГм. Количество коммутируемых импульсов преобразуется в напряжение по закону гр = ур,а + Р 0 р текущее и начальное значения выходной частоты управляемого генератора 2- крутизна управления генератора 2, - коэффициент пропорциональности,Перед проведением тывают код, сооткк(" к ша+1)коляют его запоминание. Для и управляемого генератора тся И и (12) импульсов кор ичество которых с учетом руется со значением 71 п 1;р,а К 11,1(20)р каргде И кар, = (И,. - количество импульсов коррекции, равное Нц на последнем интервале усреднения 1-го цикла коррекции. Иаформируетсякар.при И р,1,75 У и суммируется с кодом 1 ур,а р Ы к, формируется при Иар0,25 У и вычитается из кода Ир,а, к, х означают количество положительных и отрицательных тактов коррекции управляемого генератора соответственно.Полученное з реобра 6 х,й И ур,ПНапряжение Бхявляетсадей долговременнои нестабилчастоты за период усредненидицируемый сформированной шкПеред началом проведениярений устанавливают коэффициления первого де:ителя 12 чрассчитанный по Формуле(10) с учетом (15), Крутизну характеристики управления управляемого генератора 2 устанавливают с учетом (18) а шаг квантования по цапряже 95 нию дУ блока 3 управления - равным Юц = 1/ц У. Количество импульсов коррекции блока 3 управления устанавливают равным (12). Коды нижней и верхней границ поля допуска выбирают, например, равными О, 25 У и 1,75 У и заносят их в блок 10 сравнения кодов. В реверсивный счет 7 заносят код Бу (19)Выходным напрякением блока 3 управления значение частоты управляемого генератора 2 устанавливают таким образом, чтобы выходная частота сме- сителя 4 совпадала с центральной частотой полосы пропускания компаратора 8Импульсы частоты с выхода исследуемого генератора 1 (1) поступают на смеситель 4, на выходе которого выделяется разцостная частота иссле,дуемого 1 и управляемого 2 генераторов (2). С выхода смесителя 4 импульсы исследуемой частоты поступают на первый вход компаратора 8, на выходе которого отклонение частоты от номинального значения увеличивается в К раз (3). На выходе делителя 12 частоты из импульсов исследуемой частоты (фиг.ба) формируется последовательность импульсов усреднения,следующих с периодом =п,Т(фиг.бЬ).35 Импульсы усреднения поступают на управляющие входы делителей 12 и 13 частоты и осуществляют синхронизацию их работы. Импульсы частоты эталонно 40 го генератора 5 через умножитель 9 частоты (фиг.бс) поступают на информационный вход делителя 13 частоты, на выходе которого формируется последовательность опорных импульсов (фиг.бс 1), задержанных относительно45 импульсов усреднения на опорный интервал с, (б). Опорные импульсы устанавливают трйггер 15 в единичное состояние, а импульсы усреднения - в нулевое. На выходе триггера 15 формируются измерительные интервалы (фиг.бе), длительность которых равна С ц (7). Измерительный интервал коммутирует на выход временного селектора 16 импульсы с выхода умножи теля частоты 9. Количество коммутируемых импульсов определяется соотнощением (11) (фиг.бк). зя ЯДля наглядного Гоясцеция работы остальных узлов устройства можно выделить дна режима работы;режим 1 - Ицаходится в задаццом поле допуска, режим 11 - Инаходится вце заданного поля допуска.Режим 1.Опорные импульсы, поступающие на первый вход двоичного счетчика 17, устанавливают его й нулевое состояние. Коммутируемые импульсы на выходе двоичного счетчика 17 преобразуются в двоичный код, который преобразуется преобразователем 11 код - напряжение в напряжение с последующей его регистрацией на регистраторе 14 (фиг.7). Выходной код реверсивного счетчика 7 преобразуется преобразователем 11 код - напряжение в напряжение, которое также поступает на регистратор 14. Делитель 18 частоты из выходных импульсов умножителя 9 частоты формирует импульсы временной шкалы, которая индицируется на индикаторе 14 нулевыми отсчетами напряжения (Фиг.8).Режим 11.Если К, 1, 75 У,. то выходной код двоичного счетчика 17 вызывает появление единичного уровня напряжения на первом выходе блока 10 сравнения кодов. С приходом на первый вход блокаб коррекции очередного импульса усреднения выходной код двоичного счетчика 17 записывается в блок 6 коррекции, после чего на его первом выходе появляются импульсы коррекции (фиг.бш), сформированные из выходных импульсов умножителя 9 частоты. Количество импульсов коррекции равно Ии (12). Импульсы коррекции поступают на первый (суммирующий) вход реверсивного счетчика 7 и изменяют его выходной код, а следовательно, и величину очередного отсчета напряжения на регистраторе 14. Параллельно импульсы коррекции поступают на первый вход блока 3 управления, выходным напряжением которого частота управляемого генератора 2 перестраивается таким образом, чтобы выходная частота смесителя 4 в данный момент времени совпадала с центральной частотой полосы пропускация компаратора 8. По началу Формирования очередной пачки импульсов коррекции на третьем выходе блока б коррекции появляется импульс установки (Фиг.61), по ко 9 14429 торому на выходе преобразователя 1 код - напряжение в течение заданного временного интервала формируется максимальный уровень напряжения (фиг,6 ц, момент времени-1:). Наличие на. экране регистратора 14 Б, говорит о протекании процесса перестройки управляемого генератора 2 и о возможности внесения при этом погрешности в процессе преобразованияАналогично работает устройство при И0,25 У, В этом случае единичный уровень напряжения появляется на втором выходе блока 10 сравнения кодов, а импульсы коррекции с второго выхода блока 6 коррекции поступают на второй вход блока 3 управления и на второй (вычитающий) вход реверсивного счетчика 7.Выходные напряжения устройства учетом (16, 12 и 20, 21) можно записать как(У + Ц ) аП;,(22)Таким образом, устройство позволяет осуществить визуализацию функций кратковременной (22) и долговременной (23) .нестабильностей частоты.Работа блока 6 коррекции.На кроссировочных полях 29 наби" рается код У (15). На первый вход поступают импульсы усреднения. При появлении единичного уровня на третьем или четвертом входах один из триг.-.еров 19 или 20 устанавливается в единичное состояние. Элемент И 24 открывается через элемент ИЛИ 23. Импульс усреднения проходит на третий выход, фиксирует в двоичных реверсивных счетчиках 28 двоичный код с пятого входа, и через элемент задержки, собранный на инверторе 21 и одном из45 конденсаторов (С) 33, устанавливает триггер 22 в единичное состояние,Пусть М1,75 У. Скачок напряжения поступающий на третий вход усЭтанавливает триггер 19 в единичное состояние. Элемент И 26 открывается и импульсы с второго входа поступают ла первый выход блока 6 коррекции. а также на вычитающий вход первого из цепочки последовательно соединенных двоичных реверсивных счетчиков28. На выходе последних начинается последовательное уменьшение кода в 10единицу. При равенстве двоичногокода на выходах двоичных реверсивных счетчиков 28 коду, набранномуна,кроссировачных полях 29, на выходах всех элементов 30 сравнениякодов появляются единичные уровни.Элемент И 3 1 открывается и устанавливает триггер 22 в нулевое состояние. Заканчивается коммутация импульсов на первый выход блока 6 коррекции,Аналогично работает блок 6 коррекции при Ик А 0,25 У. В этом случае открывается элемент И 27,.и импульсы с второго входа блока 6 коррекции коммутируются на второй выход, а также на суммирующий входпервого из цепочки последовательносоединенных двоичных реверсивныхсчетчиков 28.Устройство на инвенторе 21, резисторе (К) 32 и, на втором из конденсаторов (С) 33 устанавливает после подачи напряжения питания триггера 19, 20 и 22 в нулевое состояние.Работа преобразователя 11 код -напряжение.Преобразователь 11 код - напряжение имеет два идентичных каналапреобразования, Первый канал - резистивная матрица (К) 44 - (2 К) 42, коммутаторы напряжения на элементах И-НЕ34 и 35, а также формирователь длинных импульсов на элементах И-НЕ 38 и40, резисторе (К) 48 и конденсаторе(С) 46. С приходом импульса на второйвход на выходе элемента И-НЕ 40 формируется нулевой уровень, ЭлементыИ-НЕ 35 закрываются, а элементы И-НЕ34 открываются. На первом выходе преобразователя 11 код - напряжение формируется нулевой отсчет напряжения,Второй канал - резистивная матрица(К) 45 - (2 К) 43, коммутаторы напряжения на элементах И-НЕ 36 и 37, атакже формирователь длинных импульсов на элементах И-НЕ 39 и 41, резисторе (К) 49 и конденсаторе (С) 47. Сприходом импульс на четвертый входпреобразователя 11 код - напряжениена его выходе формируется максимальный отсчет напряжения. Работа блока 3 управления.Выходное напряжение блока 3 управления изменяется по закону, определяемому следующим соотношением:Ыуу П +(Н и+П ) Юугде Нл 1,л.с- ИманИС к -,риПмаис 7 П мин соответственно максимальное и минимальное требуемые значения выходного напряжения.Значение Пустанавливается резистором (К) 54, стабилитроном (Ч)55, резисторами (К) 56, 58 и 59 иоперационным усилицгелем (А) 60. Значение 11, набирается на кроссировочных полях 61. Значение Иполучается автоматически за счет подачи импульсов коррекции на суммирующий иливычитающий входы первого из цепочкипоследовательно соединенных двоичныхсчетчиков 50, выходной код которыхпреобразуется преобразователем 11код - напряжение. Соотношением резисторов (К) 57 и 59 подбирается шаг квантования ЛБу блока 3 управления,Работа делителей 12, 13 и 18 частоты.На кроссировочном поле 63 набирается двоично-десятичный код коэффи 30 циента деления. По импульсу, приходящему на второй вход, двоично-десятичные коды с кроссировочного поля 63 переписываются в реверсивные счетчики 62. Импульсы частоты с первого входа поступают на вычитающий вход 35 первого из цепочки последовательносоединенных двоично-десятичных реверсивных счетчиков 62. На выходе последнего из счетчиков 62 импульс переноса появляется только после при хода на первый вход делителей 12, 13 и 18 частоты того числа импульсов, , количество которых набрано на кроссировочном поле 63.Таким образом, отклонение частоты 45 от номинального значения преобразуется в последовательность квантованных отсчетов напряжения, следующих с интервалом усреднения (фиг.7).Выход отклонения частоты от номиналь ного значения за полосу компаратора 8 компенсируется изменением частоты управляемого генератора 2, что индицируется изменением соответствую щего напряжения (фиг.8). 55Следовательно, устройство позволяет с повышенной точностью измерять кратковременную и долговременную нестабильности частотыф Более высокая точность обусловлена исключением из устройства аналогового фазового детектора, а также устранением перестройки управляемого генератора 2 на всех интервалах усреднения.В устройстве процесс перестройки управляемого генератора 2 происходит только на последнем интервале усреднения каждого такта коррекции (фиг,7).Процесс перестройки индицируется на регистраторе 14 максимальным отсчетом напряжения, Обеспечение возможности визуализации, а следовательно, и измерений долговременной нестабильности частоты (фиг.8) расширяет функциональные возможности устройства.Формула изобретенияУстройство для измерения нестабильности частоты, содержащее управляемый генератор, смеситель, эталонный генератор, умножитель частоты, компаратор, два делителя частоты, триггер, временной селектор, двоичный счетчик, последовательно соединенные преобразователь код - напряжение и регистратор, исследуемый генератор, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй вход которого подключен к выходу управляемого генератора, выход смесителя подключен к первому входу ком" паратора, выход этапонного генератора .подключен к второму входу компаратора и к входу умножителя частоты, выход которого соединен с информационным входом второго делителя частоты и с первым входом временного селектора, второй вход которого подключен к выходу триггера, выход компаратора подключен к информационному входу первого делителя частоты, управляющий вход которого подключен к выходу первого делителя частоты, к управляющему входу второго делителя частоты и к первому входу триггера, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты и с первым входом двоичного счетчика, второй вход которого подключен к выходувременного селектора, а выход двоичного счетчика подключен к первому входу преобразователя код - напряжение, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и13 1442928 14 расширения функциональных возможнос- тора и первым входом блока коррекции, тей, в него введены блок управления, второй вход которого соединен с выблок коррекции, блок сравнения ко- ходом умножителя частоты и информадов, третий делитель частоты, Ревер- ционным входом третьего делителя чассивный счетчик, выход которого соеди- тоты, выход которого подключен к уп - 5вен с вторым входом преобразователя равляющему входу третьего делителянапряжение, третий вход котоРо- частоты и к четвертому входу преобго подключен к третьему выходу блока разователя код - напряжение, первый коррекции первый и второй выходы ко- вход которого соединен с пятым вхокорре 1 Оторого соединены с первым и вторым дом блока коррекции, выход двоичновходами блока управления и первым и го счетчика подключен к входу блока в оры входами реверсивного счетчика, сравнения кодов, первый и второй вывыходы блока управления и пеРвого де- ходы которого соединены соответстлителя частоты соединены соответст 5венно с третьим и четвертым входами венно с входом управляемого генера- блока коррекции.