Устройство измерения частоты

щ)5 О 01 В 23/12 айСМЩ,1ЙаТЕНТЮ ТУ,.,.; Яфф ф,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Комитет Российской федерации по патентам н товарным знакам(54) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для Ю 2 2000578 С измерения частоты сигнала. Устройство измерения частоты содержит; ключ 1, линию 2 задержки, сумматоры 3, 6, 7, вычитающее устройство 4, цепи 5, 8 фазового сдвига, амплитудные детекторы 9 - 12, аналого-цифровые преобразователи 13-16, вычислитель 17, устройство 18 управления, 3 э,п. ф-лы, 3 ил.чИзобре 1 ение огносщ,; к устройст 1 зм измерения частоты электрических сигналов, в частности радиосигналов, и может бытьиспользовано е различных измерительных системах, е том числе в интеоферометрах, работающих в широком часотном диапазоне.Известно устпойство контроля стабильности частоты генератора (см. патент США1 Ф 2902649, кл, 324-82, 01.09.59), содержащее две ветви, соединенные с входом устройства .1 с:держгщие: одна ограничитель,а другая - последовательно соединенные1 Р,-:1 огра.цчигел:, линию задержки иРтооп с; рэ, .Итсль, При этом выходы указ;.н; ., -, й .;о. лочены к соответствую, ээо" ОГО, етекторэ, выходОТ:. ."., . . , ИДИКЭтРГ 1,Г";с;,. эом э.ого устройства являетя Отс,; г , .О н,кяя точост 1 абсолютного .;; Ия частоты, связанная с; " .эв .,.е устройство ццф рового:, . из :,Од ого сигнала линии задер ки-; .".здрово сигнала пгосового фильГрэ, .:,; :у-ого нэ ";0", формиоуется третийс,м вр; .:й сг.л, Сфорглироеэ ные сум;лр . ".:. ноет ый сигналыдетектируются и .От Г,эот нэ соответству ощие входыпери-го кпглпз эторэ, а прсдетектированные Второ 1 и третий суммарные сиГ .элыпостуг;ают цэ соответствующие входы второго компэраторэ, выходные сигналы которых образуют код, позволяющий оценитьчастоту входного сигнала.Нэдостаком укаэанного устройства является нсобхдц,ость использования большого числа канаое, подобных Описанному.для обеспеения еьсской точнос 1 и измере.ния, что приводит к значительному усложнению всего устройства, увеличению егогабаритов и веса,Цельо цзобретения является обеспечение высокой точности иэмРренця частоты вОтносительно широком частотном диэпээп.НЕ беэ ээлРТО 0 ув: лиИв Г:,1 то иЯЕСЛ СТРОйГ 1 ВЭ40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 35 ЦГГЬ ДОСТИГаЕтея тЕм, чГО в иэеЕСтнСе устройство измерения частоты, содержащее линию задержки, выход которой соединен с входом первого сумматора, с входом вычитающего устройства, входом второго сумматора и входом первой цепи фазового сдвига, и четыре амплитудных детектора, подключенных к соответствующим выходам первого сумматора, вычитающего устройства, второго сумматора и третьего сумматора, первый вход которого соединен с входом устройства, а также с вторыми входами первого сумглатора и еычитающего устройства и с входом второй цепи Фазового сдвига, выход которой подк цочен к второму входу второго сумматора, с выход первой цепи фазового сдвига - к второму входу третьего суглматорэ, введены ключ, четыре аналогоцифровых преобразогтеля (АЦП). вычислитель и блок управления, причем упомянутые АЦП подключены между выходами соответствующих аГлплитудных детекторов и соответствующими входами вычислителя, вход клоча соединен с входол устройства, выход - с входом линии задержки, а вход управления - с выходом блока управления, который СОЕДИНЕН таКжЕ С ВХОЛОМ УПРЭЕЛЕНИЯ ВЫчИС- литея,Подобное выполнение устройства позволяес беспечц. ь высокую точность измерения частот кэк за счет воэможности Оценки Сычи:лителем процзвольного фазового сдвига, создаваемого линией задержки, так и зэ счет возможности колпенсэции неидентичности коэфФициентов передачи каналов благодаря введенного ключа. Сопостаеительньй анализ заявленного техничес.ого решения с прототцпол 1 показывает, что заявленное техническое решение отличается от прототипа наличием ключа, четырех АЦП, вычислителя и блока управления, а также включением упомянутого ключа между входом устройства и входом линии задержки, соединением выходов амплитудньх детекторов через соответствующие АЦП с соответствующими входами вычислителя, управляющий вход которого и управляющий вход упомянутого ключа соединен, с выходом блока управления, Поскольку укаэанные признаки обеспечивают достижения требуемого технического результата. Они являются существенными и необходильл 1 И во всех случаях использования предложеного усгройсеа Кэ фГ. 1 приведена блок семэ устроиства; нэ ф 1. 2 с.опч ди;ГГммэ нэМцряжении е Од , , ,".11;,:.л на Фи 3:, . 11Устройство измерения частоты содержит последовательно соединенные ключ 1 и линию 2 задержки. При этом вход ключа соединен с входом устройства, а выход линии задержки соединен с первым сумматором 3. вычитэющим устройством 4, первой цепью 5 фазового сдвига и с вторым сумматором б, Кроме того, вход устройства соединен с вторым входом первого сумматора 3, вторым входом вычитающего устройства 4, с входом третьего сумматора 7 и с второй цепью 8 фазового сдвига, выход которой соединен с вторым входом второго сумматора б, а выход первой цепи 5 фазового сдвига - с вторым входом третьего сумматора 7. В свою очередь, выход первого сумматора 3, вычитающего устройства 4, третьего сумматора 7 и второго сумматора б соответственно соединены с амплитудными детекторами 9, 10, 11, 12, выходы которых подключены к соответствующим АЦП 13, 14, 15, 1 б, выходы которых подключены к соответствующим входам вычислителя 17. При этом вход управления ключа 1 и вход управления вычислителя 17 соединены с выходом устройства 18 управления.Устройство работает следующим образом. Перед очередным измерением частоты блок управления вырабатывает команду, обеспечивающую размыкание ключа 1 и работу вычислителя 17 в режиме калибровки каналов. Благодаря раэмыканию ключа 1 при наличии сигнала на входе устройства сигналы на выходах сумматоров 3, б, 7 и вычитающего устройства 4 будут одинаковыми по величине, Обозначив укаэанные напряжения величиной О, может записать выходные напряжения соответствующих детекторов с учетом их коэффициентов передачи как01 З = О К 1 З014 - ОК 14015 = О К 15016 = О К 16 (1)На выходах АЦП при этом появятся цифровые коды, соответствующие указанным величинам, которые поступают на соответствующие входы вычислителя 17. Последний, находясь в режиме калибровки, вычислит отношения напряжения 01 З к напряжениям 014, 015 и 016, равные соответственно01 з й 1 э 01 э К 1 з 0 1 з К 1 з 014 014 015 К 15 016 К 16(2)величины которых запоминаются,Через временной интервал, достаточный для вычисления указанных отношенийи их запоминания, блок управления снимаеткоманду. благодаря чему ключ 1 оказывается замкнутым, а вычислитель 17 переходитв режим измерения частоты,Пусть входной сигнал имеет вид синусоиды с амплитудой, равной О. и частотой,равной в. Мгновенное значение такого сиг 10 нала может быть записано какц-О созе (3)Считая, что величина задержки в линии 15 2 задержки равна т, можем записать мгновенное значение сигнала на выходе линии 2 задержки какит = О соз(вс - вг) (4) 20Сравнивая выражения (3) и (4) видим,что напряжение на выходе линии задержки оказывается сдвинутым относительно входного сигнала по фазе на величину вг.25 Обозначим 0 р(2 л величину. равнуюр =вглп.30 где п - целое число, и рассмотрим векторную диаграмму фиг. 2, где;Х - амплитуда напряжения на входе устройства;У - амплитуда напряжения на выходе 35 линии задержки;Х 9 о - амплитуда напряжения на выходевторой цепи фазового сдвига (на л/2);У 9 о - амплитуда напряжения на выходепервой цепи фазового сдвига (на л/2);40 А - амплитуда напряжения на выходепервого сумматора;В - амплитуда напряжения на выходевычитающего устройства;С - амплитуда напряжения на выходе 45 третьего сумматора;О - амплитуда напряжения на выходевторого сумматора.Учитывая, что первая и вторая цепи фазового сдвига обеспечивает фазовый сдвиг, 50 равный л/2, и используя известные геометрические соотношения в треугольнике, можем записатьА 2 Хз+ у 2+ 2 х,т,В-Х+ УХУсоз оС- Х+ У 2-2 ХУ зп рО -Х +У +2 ХУзпр (5)Вычитая из первого равенства второе, аиз четвертого третье, получимА - В 4 ХУ сов фО - С - 4 ХУ 81 лр(10) 50 55 Разделив второе равенство на первое,получим Из (7) с учетом знаков синуса и косинуса(6) можем найти выражения для значения О 2 СЭ о" тг+агс 19 2 2,еслиАВ А - В. 3 г 2 2 2 22Зная величину р, легко можно определить искомое значение частоты, которое будет равно Аналогично (1) в режиме измерения частоты напряжения на соответствующих выходах детекторов будут равны а на выходах соответствующих АЦП будут выработаны соответствующие коды.В режиме измерения частоты вычислитель 17 умножает выходные коды АЦП 14-16 на соответствующие ранее вычисленные отношения и, иу, что приводит к формироК 1 З ванию четырех чисел: А К 1 з; В К 14КВ К 1 з; С К 15 - С К 1 зи О К 16=К 1 з К 1 з К 15 К 16ОК 1 з. Вычисляя отношение квадратов разностей О К 1 з)2 - (С К 1 з)2) и д К 1 з)2 - -(В К 1 З) ), убеждаемся, что оно совпадает с правой частью выражения (17) что в соответствии с соо 1 ношениями (8) и (9) позволяет 5 10 15 20 25 30 35 40 45 определить точное значение искомой частоты.Из вышеизложенного следует, что наличие режима калибровки позволяет исключить влияние разброса и нестабильности коэффициентов передачи таких "активных" элементов, как амплитудные детекторы, а принятый метод измерения, кроме того, нечувствителен к нестабильности коэффициента передачи замкнутого ключа 1 (см, выражения (5)-(7,Таким образом, точность измерения в предложенном устройстве будет определяться линией задержки, схемами фазового сдвига, сумматорами и вычитающим устройством, Но т.к. перечисленные устройства могут быть выполнены исключительно на пассивных элементах типа линий передачи, их точность и стабильность могут быть достаточно высокими, обеспечивая точность измерения частоты на уровне десятых или даже сотых долей процента.Последнее позволяет обеспечить высокую точность измерения частоты при достаточно простом построении устройства и его небольших габаритах.Устройство достаточно просто реализуется с использованием стандартной элементной базы в части создания ключа, линии задержки, сумматоров, вычитающего устройства, схем фазового сдвига. амплитудных детекторов, АЦП и вычислителя (с учетом алгоритма, приведенного на фиг. 3). В качестве же управляющего устройства в простейшем случае может быть использован мультивибратор в автоколебательном режиме,Из описания работы устройства также следует, что при использовании квадратичных амплитудных детекторов могут быть исключены операции возведения в квадрат в вычислителе 17 (исключаются операции, обьединенные пунктиром на фиг, 3).Формула изобретения 1, Устройство измерения частоты, содержащее подключенные к входу устройства две ветви, одна из которых содержит линию задержки, причем выход первой ветви соединен с первым сумматором. вычитающим устройством, вторым сумматором и первой цепью фазового сдвига, четыре амплитудных детектора, подключенных соответственно к выходам первого сумматора, вычитающего устройства, второго сумматора и третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом второй ветви, к которому подключены также вторые входы первого сумматора, вычитающего устройства и вторая цепь фазового сдвига, выход которой подключен к второму входу второгосумматора. а выход первой цепи фазового сдвига соединен с вторым входом третьего сумматора, о т л и ч а ю щ е е с я тем. что в него дополнительно введены ключ, четыре . аналого-цифровых преобразователя, вычис литель и блок управления, причем упомянутые аналого-цифровые преобразователи подключены между соответствующими выходами амплитудных детекторов и входами вычислителя, ключ установлен в одной иэ 10 упомянутых ветвей устройства, а его вход управления и вход управлсния вычислитед подключены к выходу блока управления,2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что амплитудные детекторы являются линейными детекторами.3, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щее с я тем, что амплитудные д-.екторы являются квадратичными детекторами.4, Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что цепи фазового сдвига обеспечивают фазовый сдвиг 90.2000578 оставитель А.Янишевскиехред М.Моргентал Ред Максимишине учердкова ррек Заказ 3077 Тираж Подписное НПО " Поиск Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 юиэнодс твенно издагеллгкий комбинат "Патент", г, Ужгород, чиЛ аглринэ, 1