Адаптивное устройство измерения частоты

(Г 9) ( ) 1 В 23/О ДАРСТВЕННОЕ ПМСТВО СССРАТЕНТ СССР) НТН ГОС ВЕД ЕЛЬСТ нический инсти аровтво СССР20, 1983,ЙСТВО ИЗМЕРЕыть использовано частоты квазидеов. Цель изобретести ров сигн ском лов САНИЕ ИЗС) К АВТОРСКОМУ СВ(54) АДАПТИ В Н О Е УСТ РО НИЯ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение может бв устройствах измерениятерминированных сигнал Изобретение относится к технике для радиоиэмерений и преимущественно может использоваться в устройствах измерения частот квазидетерминированных сигналов при большом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов, а также для систем связи в автоподстройке частоты.Цель изобретения - повышение точно- измерения частоты и квазидетерминианных сигналов при малом отношенииал/помеха и неизвестном динамичедиапазоне амплитуд входных сигнаНа фиг. 1 приведена структурная схема адаптивного устройства измерения частоты; на фиг. 2- временные диаграммы напряжений, поясняющих принцип работы устройства; на Фиг. 3 - дискриминационная характеристика адаптивного устройства измерения частоты.За счет введения блоков первого электронного ключа, генератора тактовых импульсов достигается временная синхронизация работы всех блоков устройния - повышение точности измерения частоты - достигается тем, что в адаптивное устройство измерения частоты введены электронные ключи, генератор тактовых импульсов, ждущий мультивибратор, инвертор напряжения, интеграторы, аналого-цифровые преобразователи, формирователи мо.- дуля напряжений, блоки компараторов, аналоговые мультипликаторы, блоки опорных напряжений и фазовый детектор, Устройство также содержит полосовой фильтр, линию задержки, фазовые детекторы, фазовращатель. 2 ил,ства в целом на интервале анализа, блоки ждущего мультивибратора, второго электронного ключа, инвертора напряжения, четвертого электронного ключа, пятого электронного ключа и третьего электронного ключа обеспечивают сброс интеграторов устройства и подготовку их к следующему такту работы, блоки четвертого интегратора и второго формирователя модуля напряжений осуществляют оценку амплитуды сигнала в верхнем канале, а третьего интегратора и первого формирователя модуля напряжения - в нижнем канале, что является необходимбй операцией для адаптации устройства, блоки первого и второго компараторов и опорных напряжений формируют величину квантованного управляющего напряжения и тем самым осуществляют установку квантов напряжения первого и второго аналого-циФровых преобразовате лей,Адаптивное устройство измерения частоты содержит последовательно соединенные первый электронный ключ 1, полосовой55 фильтр 2, линию задержки 3, вход которой соединен с первым входом первого фазового детектора 4 и фазовращателем 5, выход линии задержки 3 соединен со вторыми входами первого 4 и второго 6 фазовых детекторов, выход генератора тактовых импульсов 7 соединен со вторым входом первого электронного ключа 1 и входами ждущего мультивибратора 8, второго электронного ключа 9, инвертора напряжения 10, первый выход ждущего мультивибратора 8 соединен со входом четвертого электронного ключа 11, а второй выход со входом пятого электронного ключа 12, выход инвертора напряжения 10 соединен со входом третьего электронного ключа 13, выход которого соединен со вторым входом второго интегратора 14, с выходом второго электронного ключа 9 и вторым входом первого интегратора 15, выход которого соединен с первым входом первого зналого-цифрового преобразователя 16, выход первого 4 фазового детектора соединен с первым входом четвертого интегратора 17, выход которого соединен со входом второго формирователя модуля напряжения 18, выход второго фазового детектора 6 соединен с первым входом третьего интегратора 19, выход которого соединен со входом первого формирователямодуля напряжения 20, вторые входы третьего 19 и четвертого 17 интеграторов присоединены к параллельно соединенным выходам четвертого 11 и пятого 12 электронных ключей; выход первого формирователя модуля напряжения 20 соединен с й входами второго блока компараторов 2.1, а выход второго формирователя модуля напряжения 18 - с К входами первого блока компараторов 22, й выходов которого соединены с И входами в-адресного первого аналогового мультиплексора 23, М выходов второго блока опорных напряжений 21 соединены с Й входами второго аналогового мультиплексора 24, на информационные входы которого подключены К выходов второго блока опорных напряжений 25, И выходов первого блока опорных напряжений 26 подключены к информационным входам первого аналогового мультиплексора 23, выход которого соединен со вторым входом первого аналого-цифрового преобразователя 16; выход второго интегратора 14 соединен с первым входом второго аналого-цифрового преобразователя 27, второй вход которого соединен с выходом второго аналогового мультиплексОра 24, выходы первого 23 и второго 27 анзлого-цифровых преобразователей соединены с первым И вторым входами третьего фазового детектора 28,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Работает устройство следующим образом,Входной сигнал, представляющий собой непрерывное квазигармоническое колебаниеОввх сов ( Кос 1 + ф ), 1 СО, Тс ),где Ол - амплитуда входного сигнала,йЪ р - его центральная частота и начальная фаза,Полагаем, что Оввх Ощвхщп Ощвхпая 3ос( осао гооввх )( г, Г)Входной сигнал, поступающий на первый электронный ключ 1, где формируетсяпри помощи синтезатора частот, которыйперестраивается частотными ступеньками,равными ширине полосы пропускания полосового фильтра (2), и с промежуточной частотой, равной центральной частотеполосового фильтра (2), причем длительность анализа частотной ступеньки равнаТв = То - и совпадает с длительностью временных стробов генератора тактовых импульсов 7 (а), поступающих на второй входэлектронного ключа (1). Так как входнаячасть, состоящая из синтезатора и смесителя, присуща всем одноканальным устройствам измерения частоты, работающим вшироком диапазоне частот. то зти блоки вструктуре устройства не введены. Одновременно в полосе полосового фильтра 2 можетприсутствовать не более одного сигнала,После полосовой фильтрации в 2 сигналпоступает на первый вход первого фазовогодетектора 4 и имеет вид01 фд (1 ) = Ол 11 соз ( йЬс т + А)1 )1 (О Тс)и на первыи вход второго фазового детектора 6 через фазовращатель наОгфд(1) = Овг СОЗ ( Воо т + Ср 1 + - ) =Л- Ощг 81 п ( Й 3 ос т + щ ) .Для формирования дискриминационной характеристики Овх(т) поступает на линию задержки 3 с величиной задержки глз,величина которой выбирается из условия,что гл, больше времени корреляции помехи,но меньше времени корреляции сигнала сучетом заданной полосы полосового фильтра 2. После этого на вторых входах первогофазового детектора 4 и второго фазовогодетектора 6 соответственно получим:Озфд(1) = Ол зсоз (в,с (т + тлз) + р 1 ),04 фд(1) = Овдзп (соос ( с + тлз) + ф 1)Тогда отклик первого 4 и второго 6 фазовых детекторов равен соответственно:05 фд Ол 15 соз йЬо 7 лзОвфд = ОФезп ЙЬс лзКоэффициенты передачи 4 и 6 выбираются так, чтобы Ов 5 = Овб, иногда после первого 15 (9) интегратора и второгоинтегратора 14 (е) получимОинт 1 " Та Ов 2 сов вас тлз,Оинт 2 = ТаОв 231 п 0 ос тлзс учетом, что импульсная характеристикаидеального интегратора равна 1/Та. тоОинт 1 Овсоз шос ГлзОинт 2 - Овззп соос лз .Одновременно сигнал с генератора тактовых импульсов поступает на вход второгоэлектронного ключа 9 (в), который на времяработы первого 15 и второго 14 интеграторов Та закрыт, после инвертирования в 10(б) открывается третий электронный ключ 13(г) на время восстановления юа первого 15 ивторого 14 интеграторов. Таким образом,блоки 9, 10, 13 обеспечивают тактированиеработы интеграторов 14, 15; в моменты времени Та интеграторы 14 и 15 интегрируют, ав моменты Та восстанавливаются. Очевидно, что Та Та Для обеспечения адаптациидинамического диапазона дискриминационной характеристики производится одновременное оценивание амплитуды. Дляэтого напряжения с выхода первого 4 и второго 5 фазовых детекторов подаются натретий 19 и четвертый 17 интеграторы спостоянной интегрирования Ти 2Ти 1 = Тат,е, на выходе четвертого и третьего интеграторов имеем04 и =Ти 4 Ов 4 соз Иос лз 1Оз=Тиз Овз Мп ассглз,где Ов 4 - оценка амплитуды Ов 2, Овз -ОцЕНКа аМПЛИтудЫ Ов 2, ПрИ Ти 4= ТиЗ= ТирТа, Ов 4 И ОвЗ СОВПаДаЮт С Ов 2, НО ДИСПЕРсия оценки в этом случае больше, т,к. постоянная интегрироеания третьего ичетвертого интеграторов меньше постоянной интегрирования первого и второго интеграторов. Выполнение условия Ти 2Тапринципиально, т.к. его сообщение позволяет получить оценку амплитуды быстрее повремени и тем самым обеспечить необходимое время адаптации и анализа устройства,С учетом импульсной характеристики идеального интегратора получим04 и Ов 4 СОЗ й)ос Хлз;Ози =Овз ви лоос глз.Так как 04 и и Ози в зависимости от значения аос тлз могут иметь разные знаки, тодалее происходит модульная оценка амплитуды, т.е. на выходе блоков формированиямодуля напряжения 20 и 18 получим соответственноО 04 = 1 О 4 соз оь г5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 Он = Ози= Ов 5 зп оос глз )где- означает операцию формирования модуля, Работа интеграторов, третьего 19 и четвертого 17, синхронизируются генератором тактовых импульсов 7.Временные диаграммы, показывающие синхронизацию процессов по времени, приведены нэ фиг. 2, где ждущий мультиеибратор 8 (ж) запускается передним фронтом импульсов в генератора тактовых импульсов 7; сигнал с одного плеча ждущего мультиеибратора (ж) открывает четвертый электронный ключ 11 (и), э с другого плеча закрывает пятый электронный ключ 12 (к) и тем самым управляет временем включения интеграторов 19 (л) и 17 (м) и их сброса, Выходы блоков формирования модуля напряжения 20 и 18 подключены на й входов первого блока компэраторов 22 и второго блока компараторов 21, Первый и вторые блоки компараторов 21, 22 в зависимости от величины Оа и Он, которые сравниваются с напряжением Оо 10 о 2, Оо 2.0 оз, Ооной и выдают логическую единицу на одном из входов аналогового мультиплексора 23(24),например, если сработал блок 22 (г), то будет следующий код на выходах компаратора 22 0100.0, тогда на выходе 23 появится напряжение с блока (первый блок опорного напряжения), пропорциональное оценке амплитуды сигнала. Аналогично работает нижний канал. Причем число уровней напряжения второго блока опорных напряжений 25 и первого блока опорных напряжений 26 выбирается из условия допустимой погрешности аппроксимации дискриминационной характеристики (фиг. 3 и) заданного входного динамического диапазона амплитуд, Число градаций опорного напряжения блоков 25 и 26 равно числу уровней сравнения компараторое 21 и 22.Таким образом, на выходе первого аналогового мультиплексора 23 вырабатывается с первого блока опорных напряжений 26 управляющий сигнал, который поступает на установочный вход первого аналого-цифрового преобразователя 16, в результате чего происходит адаптация динамического диапазона 16 (фиг. 3) под уровень сигнала с выхода первого интегратора 15, пропорционального измеряемой частоте. Аналогичные операции происходят в блоках 21, 24, 25 и 27. В результате в третьем фазовом детекторе 28 происходит деление, откликов первого 16 и второго 27 аналого-цифровых преобразователей и функциональное преобразование вида арктангенса.Положительный эффект изобретения заключается в следующем.При измерении центральной частоты сигналов йЬс в широкой мгновенной полосе Ьйь большой интерес представляет собой случай приема слабых сигналов, когда входное отношение сигнал/помеха по мощности 2 Рси,Бь где Рс - мощность сигнала; пп = М ЬЬ - мощность помехи.,2 Среднеквадратицная погрешность оценивания частоты гармонических сигналов определяется как 2 лтлзцА" БпЧвх ЪЬ 7 Т чА=1 авиа - время запаздывания в линии задержки;Та - время интегрирования (анализа), С целью уменьшения влияния уровня входного сигнала Рс на величину погрешности ог используют различного рода нормировки, например ограничитель или усилитель с АРУ на входе автокорреляционных частотных дискриминаторов или устройство с квадратурной обработкой и устройством деления квадратурных составляющих, Однако использование для нормировки ограничителя или усилителя с АРУ целесообразно только при. 0 ах1, когда2еще обеспечивается стабилизация уровня сигнала Рс. Поскольку при оах1 уровень2стабилизации определяется в основном мощностью шума сгп и на выходе ограничителя отношение сигнал/помеха цаых =2 "цах, то при этом не устраняется влияние й гуровня сигнала на Ж что делает такую операцию неприемлемой.Более подходящей является нормировка с использованием квадратур и делителя, поскольку операция деления проводится после интегрирования, которое существенно уменьшает влияние шумов. Недостатком такого варианта нормировки является возникновение значительных аппаратурных погрешностей, обусловленных дрейфом нуля в усилителе постоянного тока, используемых дпя увеличения уровня эффекта на выходе интегратора. Для устранения данного недостатка целесообразно после фильтрации напряжений на выходе фазовых детекторов автокорреляционного частотного дискриминатора с квадратурной обработкой использовать аналого-цифровой преобразователь, что позволяет существенно уменьшить аппаратурную погрешность входной части адаптивного устройства измерения частоты,На фиг, 3 приведена положительнаяйетвь дискриминационной характеристики,5 реализованной на аналого-цифровом преобразователе. Задаваясь динамическим диаПЭЗОНОМ О = Отах Овп В ПОЛОСЕ ЧаСтотЬаах и величиной допустимой погрешности,приближенно равной 6 ах, можно исходя10 из величины Ощп определить Ьпь, В связис тем, что при приеме слабых сигналовОах1 На ВЫХОДЕ фаЗОВЫХ ДЕтЕКтОРОВ2оаых = 0 вх, т,е; проявляется пороговый эф 2 4фект, который приводит к расширению вы 15 ходного динамического диапазона посравнению со входным динамическим диапазоном, Это обстоятельство при фиксированном шаге и числе разрядов АЦПприводит к возрастанию методической по 20 грешности из-за несогласования шага квантования и допустимого изменения уровнясигнала, В предлагаемом адаптивном устройстве измерения частоты осуществляетсяэкспресс-оценка Рс и измерение шага кван 25 тования, обеспечивающие гарантированную точность измерения частоты,Например, если Р = 2,56 В, цисло разрядовпр = 8, т.е. число уровней 2 = 256, то Ь О =830 256 - 0,01 В = 10 мВ при крутизне дискри 2,56минационной характеристики Я - О/айвах(Ьах = 256 кГц, Я = 0,01 В/кГЦ); т.е, 10 мВсоответствует 1 кГц, таким образом, точность измерения цастоты составляет 1 кГц.35 Если динамический диапазон уменьшился в10 раз, т,е. 0 = 0,256 В, то при пр - 8, т = 256,ЬО = 10 мВ Я = 0,001 В/кГц,отсюда увелицение погрешности составляет 0,01/0,001 ==10 раз. Если осуществлять адаптацию кру 40 тизны с одновременной оценкой Рс, то увеличения погрешности измерения частоты непроисходит во всем допустимом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов.45Формула изобретения Адаптивное устройство измерения частоты, содержащее первый фазовый детектор, второй фазовый детектор. линию 50 задержки, полосовой фильтр, фазовращатель, выход линии задержки соединен с вторыми входами первого и второго фазовых детекторов, выход фазовращателя соединен с первым входом второго фазового де тектора, вход - с выходом полосовогофильтра и входом линии задержки, выход полосового фильтра соединен с первым входом первого фазового детектора, о т л и ч а.ю щ е е с я тем, что, с целью повышенияточности измерения частоты, в него введены первый, второй, третий, четвертый и пятый электронные ключи, генератор тактовых импульсов, ждущий мультивибратор, инвертор напряжения, первый и второй, третий и четвертый интеграторы, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, первый и второй формирователи модуля напряжения, первый и второй аналоговые мультиплексоры, первый и второй блоки опорных напряжений и третий фазовый детектор, причем вход первого электронного ключа является входом устройства, а выход соединен с входом полосового фильтра, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом ждущего мультивибратора и входами второго электронного ключа и инвертора, выход первого фазового детектора через первый интегратор соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя и непосредственно с первым входом четвертого интегратора, выход второго фазового детектора через второй интегратор соединен с первым входбм второго аналого-цифрового преобразователя и непосредственно с первым входом третьего интегратора, выходы четвертого и пятого электронных ключей объединены и подключены к вторым входам третьего и четвертого интеграторов, , первьй выход ждущего мультивибратора соединен с входом пятого электронного ключа, а второй выход - с входом четвертого электронного ключа, выход третьего электронного ключа соединен с вторыми входами первого и второго интеграторов и выходом 5 второго электронного ключа, а вход - с выходом инвертора напряжения, входы первого и второго формирователей модуля напряжений соединены соответственно с выходом третьего интегратора и выходом 10 четвертого интегратора, выходы первого ивторого формирователей модуля напряжений соответственно соединены с входами второго и первого блоков компараторов, информационные входы первого аналогового 15 мультиплексора соединены с выходами первого блока опорных напряжений, а управляющие входы соединены с выходами первого. блока компараторов, информационные входы второго аналогового мультиплексора со единены с выходами второго блока опорныхнапряжений, а управляющие входы соеди нены с выходами второго блока компараторов, выход первого аналогового мультиплексора соединен с вторым входом 25 первого аналого-цифрового преобразователя, а выход второго аналогового мультиплексора соединен с вторым входом второго аналого-цифрового преобразователя, при этом первый и второй входы третье го фазового детектора соединены свыходами первого и втОрого аналого-цифро-.вых преобразователей соответственно.1812516 Составитель А. Дятл Техред М,Моргентал Максимишин Коррек Реда ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 ро Заказ 1574 Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5