Устройство для измерения частоты

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено с присоединен (23) Приоритет 4,04,79 (21) 2747522/18 заяви Госу арственный комитетСССРелам изобретенийи открытий публиковано 15,0 З 81 Бюллетень ата опубликования описания 150. В. Печени Г. Ноздрин и Л.А, Краси 71 Заявите арьковский авиационный инсти 4 УСТРОИСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может бытьиспользовано при анализе радио- игидролокационной информации.5Известно устройство для измерения частоты по переходам напряжениячерез нулевой уровень, содержащеепоследовательно соединенные счетчикчисел, соответствующих моментам нульпересечений, умножитель и суммматор,счетчик числа нуль-пересечений, выход которого подключен ко второмувходу умножителя, а вход соединенс первым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, а также генератор эталонныхметок времени соединенный выходомсо вторым входом счетчика чисел,соответствующих моментам нуль-пересечений Ц 20Однако это устроиство дает существенные систематические погрешностииэ-эа его чувствительности к неизвестной случайной начальной фазе сигнала.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является устройство для измерения частоты, содердащее генератор эталонных меток времени, счетчик чисел, соответствующихмоментам нуль-пересечений, умножи тель и сумматор, счетчик числа нуль- пересечений, блок вычитания, ячейку памяти и делитель, при этом выход генератора эталонных меток времени соединен со вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль- пересечений, вход счетчика числа нуль- пересечений и первый вход счетчика чисел, соответствующих моментам нуль- пересечений.,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-.пересеченийподключены ко входам блока умножения, выход которого соединен со входом сумматора, выход сумматора и второй выход ячейки памяти подсоединены ко входам делителя 2.Недостатком этого устройства является то, что качественные показатели его работы существенно ухудша.отся при уменьшении отношения сигнал-шум на выходе. Это связано с появлением аномальных "ложных" нулей, что обусловлено широкополосным характером действия помехи, а также перескоками фазы сигнала на 180 о в пороговых устройствах из-эа амплитудных замираний.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 импуль 5 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 Ю з адержки, си гналь ным входом второго элемента совпадения и счетным входом второго триггера, выход котого подключен к одному из входов третьего триггера, другой вход которого подключен 40 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 55 интегратор подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого элемента задержки.На фиг. 1 представлена структурная о схема устройства для измерения частоты, на Фиг. 2-временные диаграммы, поясняющие его работу.Устройство для измерения частоты содержит формирователь 1 нуль-пеРесе чений, элементы 2 и 3 совпадения, регулируемый элемент 4 задержки, формирователь 5 стробирующих импульсов,генератор 6 эталонных меток времени,счетчик 7 импульсов, умножитель 8,сумматор 9, триггеры 10-12, счетчик13 числа нуль-пересечений, блок 14вычитания, ячейку 15 памяти, делитель 16, первые интеграторы 17 и 18,дифференциальный усилитель 19, амплитудный дискриминатор 20, цифроаналоговый преобразователь 21, вход22, шину 23 опорного напряжения ивыход 24. Причем формирователь 1нуль-пересечений, первый элемент 2совпадения, регулируемый элемент 4задержки, формирователь 5 стробирующих импульсов и второй элемент 3совпадения последовательно соединены,выход регулируемого элемента 4 задержки подключен к управляющему входупервого элемента 2 совпадения и к одному из входов первого триггера 12,первый элемент 2 совпадения соединенс другим входом первого триггера 12,счетным входом второго триггера 10и сигнальным входом второго элемента 3 совпадения, один вход третьеготриггера 11 соединен с выходом второго триггера 10, а другой вход триггера 11 подключен к выходу формирователя 5 стробирующих импульсов, выходы первого триггера 12 и третьеготриггера 11 соединены со входами первого интегратора 17 и второго интегратора 18, выходя которых подключены ковходам дифференциального усилителя19, вход усилителя 19 подключен к управляющему входу регулируемого элемента 4 задержки, выход второго элемента 3 совпадения соединен с объединенными входами счетчика 7 импульсов исчетчика 13 числа нуль-пересечений,генератор 6 эталонных меток времени,счетчик 7 импульсов, умножитепь 8 исумматор 9 последовательно соединены,выход счетчика 13 числа нуль-пересечений и первый выход ячейки 15 памяти подключены ко входам блока 14 вычитания, выход которого соединен совторым входом умножителя 8, второйвыход ячейки 15 памяти и выход сумматора 9 подключены ко входам делителя 16, выход которого соединен совходом цифроаналогового преобразователя 21, выход цифроаналогового преобразователя 21 соединен с сигнальнымвходом амплитудного дискриминатора 20,управляющий вход которого соединен сшиной 23 опорного напряжения, а выход - с управляющим входом формирователя 5 стробирующих импульсов. Исследуемый сигнал подается на вход 22Формирователя 1 нуль-пересечений,опорное наряжение подается на управляющий вход 23 амплитудного дискриминатора 20, оценка исследуемого сигнала формируется на выходе 24 делителя 16Устройство работает следующим об-разом.При поступлении на вход устройства 22 исследуемого сигнала на выходеформирователя 1 нуль-пересеченийобразуется поток коротких импульсов,поступающих на вход первого элемента 2 совпадения, который в исходномсостоянии открыт. При появлении навыходе 2 элемента 2,первого импульса производится запуск регулируемогоэлемента 4 задержки, который формиру Оет импульс длительностью То, соответствующий на первом шаге измерения априорным сведениям об исследуемом сигнале. "На время действия этого импульса элемент 2 совпадения запирается, 15что позволяет не пропустить на входизмерителя "аномальных" нулей. В момент, соответствующий заднему фронту импульса регулируемого элемента 4задержки, триггер 12 переводится в 2 Оединичное состояние и одновременнозапускается формирователем 5 стробирующих импульсов, длительность импульса которого соответствует априорнымсведениям о частоте и определяется вы ражением для дисперсии периода нульпересечений следующим образом.6 т -1 + К(Го )="д Д ) 2 ь+ Й(,) )(О Ащ)где Ю)=1+/Ь)о(Г-Со)- РГо 1 ЗОфункция корреляции для двух. соседнихнулей при достаточно высоком отношении сигнал-шум.Такая модель диспресии нуль-пересе З 5чений хорошо соответствует потоку"нормально" Флюктуирующих нулей приусловии эффективного стробированиявыборки,При поступлении на вход устройства второго "нормального" нуля триггер 4 О12 устанавливается в исходное состояние, одновременно с этим триггер 10,который также возвращается в исходное положение; переводит триггер 11 вединичное состояние, Второй "нормальный" нуль через второй элемент 3 совпадения поступает на объединенныйвход счетчика 13 числа нуль-пересечений и счетчика 7 импульсов и служитдля формирования оценки частоты. В 50момент окончания стробирующего импульса в формирователе 5 триггер 11 воз-,вращается в исходное состояние. Навыходах триггеров 12 и 11 образуютсяимпульсы, длительность которых определяет сдвиг второго "нормального"нуля относительно. центра стробирующего импульса. На фиг, 2 приведены временные диаграммы, поясняющие принципстробирования "нормальных" нулей иметод временного сдвига очередного ну ля относительно центра стробирующегоимпульса. Полученная информация о положении очередного нуля используетсядля управления положением стробирующего импульса, На фиг. 2 а 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 вре" менным положением стробирующего импульса на последующих шагах измере" ния.Поток нулей с выхода элемента 3поступает на объединенные входы счетчика 7 импульсови счетчика 13 числануль-пересечений. На выходе счетчика13 числа нуль-пересечений формируется число и, равное количеству переходов исследуемого сигнала через нулевой уровень в течение интервала наблюдения без учета "аномальныхф 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, Форьяруются числа , которые соответствуют интервалу времени от начала интервала наблюдения до и-го 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 Г 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-М. Указанная разность чисел и и чисел с выхода счечика 7 импульсов поступает на вход умножителя 8, который реализует операцию вычисления ис. Полученное произведение подается на вход сумматора 9, на выходе которого формируется число, равное У ис, 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 оценкучастоты. Полученная оценка частоты подается на вход цифроаналогового преобразователя 21, который вырабатывает напряжение, пропорциональное частоте, определенной в результате усреднения выборки "нулей" фиксиро 5 ванной длительности. Напряжение с выхода цифроаналогового преобраз ователя 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.15Таким 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 првдыду- 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 измеряет" ся дискретно от выборки к выборке. Это позволяет существенно повысить точность и достоверность измерения частоты сигналов с неизвестной начальной фазой.Формула изобретенияУстройство 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 которо" го соединен со вторым входом умножителя, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подключены ко входам дв" лителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности измерения частоты сигналов с неизвестнойначальной, фазой при малых отношенияхсигнал-шум, в него введены Формирователь нуль-пересечений, два элементасовпадения, три триггера, два интегратора, дифФеренциальный усилитель, регулируемый элемент задержки, Формирователь стробирующих импульсов, амплитудный дискриминатор и цифроаналоговый преобразователь, причем выход формирователя нуль-пересечений подключенк сигнальному входу первого элементасовпадения, управляющий вход которогосоединен со входом формирователя стробирующих импульсов, выходом регулируемого элемента задержки и одним извходов первого триггера, другой входкоторого соединен с выходом первогоэлемента совпадения, входом регулируемого элемента задержки, сигнальнымвходом второго элемента совпадения исчетным входом второго триггера, выход которого подключен к одному извходов третьего триггера, другой входкоторого подключен к управляющему входу второго элемента совпадения и квыходу формирователя стробирующихимпульсов, управляющий вход которогосоединен с выходом амплитудного дискриминатора, выход делителя через цифроаналоговый преобразователь подключен к сигнальному входу амплитудногодискриминатора, к управляющему входу которого подключена шина опорногонапряжения, выход второго элементасовпадения. соединен со входом счетчика числа нуль-пересечений, выход первого триггера через первый интеграторподключен к первому входу дифференциального усилителя, выход третьеготриггера через второй интегратор подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого элемента задержки. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Андронов И.А., Снитко Б.Н. Обизмерении частоты по переходам напряжения через нулевой уровень. - "Радиотехника", т, 29, 19749 б, с, 7679.2. Авторское свидетельство СССР позаявке Р 2594953, кл. 6 01 К 23/00,19 78.813291 и г.2 Составитель Е.ИосолковТехред А,Савка Корректор В. Бутяга р Т.Весел е каз ал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 65/55 Тираж 732ВНИИПИ Государственного комитетапо делам изобретений и откры113035, Москва, Ж, Раушская н Псдпис нСРйд. 4/5