Измеритель резонансной частоты колебательной системы

(51) 5 001 КЙ 7 2,ЕТЕНИЯ ИЗО Комитат Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Институт проблем управления(73) Институт проблем управления(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫКОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ(57) Использование: изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено дляизмерения резонансной частоты преимущественнонизкодобротных колебательных систем. Оно может быть использовано для измерения резонансной частоты колебательных контуров, длительных линий с распределенными параметрами, объемных резонаторов, имеющих большие электромагнитные потери. Сущность изобретения: целью изобретения является повышение точности измерения и чувствительности измерителя Цель достигается тем, что устройство снабжено первым и вторым О-триггерами, вторым элементом выборки-хранения, разностным усилителем, вторым пиковым детектором, вторым компаратором и элементом И-НЕ. 2 ил.Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для измерения резонансной частоты преимущественно низкодобротных колебательных систем. Оно может быть использовано для измерения резонансной частоты колебательных контуров, длинных линий с распределенными параметрами, объемных резонаторов, имеющих большие электромагнитные потери, в цифровом виде.Известен измеритель частотных динамических параметров кварцевых резонаторов 1, содержащий автогенератор, частотомер, исследуемый четырехполюсник с кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель, индикатор, пороговое устройство, симметричный триггер и интегратор,Недостатком данного измерителя является зависимость точности измерения от величины динамического сопротивления .исследуемого четырехполюсника и от отношения периода качания генератора к периоду отсчета частоты, а эти параметры зависят от добротности исследуемой колебательной системы. С ухудшением добротности последнего значительно возрастает погрешность измерения резонансной частоты,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения собственной частоты резонансной системы 2, содержащее последовательно соединенные генератор меандра, формирователь треугольных импульсов, элемент выборки хранения, управляемый генератор, выход которого подсоединен к первой входной клемме устройства и к первому входу блока измерения, к второй входной клемме устройства подсоединены последовательно соединенные амплитудный детектор, усилитель и пиковый детектор, вход которого подсоединен к первому входу компаратора, а выход компаратора подсоединен к установочному входу КЯ- триггера, выход усилителя - к второму входу компаратора, выход КЯ-триггера подключен к входу первой линии задержки, к первому входу элемента И и к управляющему входу элемента выборки-хранения, Выход генератора меандра подключен к второму входу элемента И, выход которого соединен непосредственно с Ч-входом записи регистра сдвига, а через вторую линию задержки - с тактовым Т-входом. К информационным входам регистра сдвига подключены выходные разряды счетчика, являющиеся информационными выходами блока измерения, к выходу сброса счетчика, являющемуся вторым входом блока измерения, через первый 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дифференциатор подключен выход второй линии задержки, Выходные разряды регистра сдвига подключены к соответствующим входам индикатора, Выход первой линии задержки подключен к входу запуска одновибратора, который является третьим входом блока измерения, выход одновибратора подключен к управляющему входу ключа, являющемуся синхронизирующим выходом блока измерения, который через второй дифференциатор подключен к входам сброса ВЯ- триггера и пикового детектора, причем выход ключа подключен к счетному входу счетчика Счетчик, одновибратор и ключ образуют блок измерения. Зто устройство с высокой точностью измеряет собственную частоту низко- добротных колебательных систем, но только преимущественно при симметричной АЧХ резонансной системы и при линейной характеристике функции преобразования напряжения в частоту управляемого генератора, На практике характеристика управляемого генератора нелинейна, вследствие чего точность измерения собственной частоты, особенно для низкодобротных колебательных систем, ухудшается; Чтобы устранить этот недостаток, необходимо приблизиться к экстремальному значению резонансной кривой АЧХ колебательной системы и на более близком уровне измерить частоты 11 и т 2, но вблизи экстремального значения проявляется нестабильность срабатывания компаратора, вызванная крутизной характеристики резонансного импульса и зоной нечувствительности компаратора, что в итоге приводит к нестабильности результата измерения.В предложенном измерителе указанные недостатки устраняются путем двух- этапного определения экстремального значения: сначала первый пиковь 1 й детектор "грубо" определяет экстремальное значение, которое фиксируется вторым элементом выборки-хранения, разностное напряжение между зафиксированным и экстремальным значениями усиливается разностным усилителем и вторым пиковым детекторам фиксируется более "точное" экстремальное значение, что позволяет улучшить крутизну характеристики резонансной кривой АЧХ исследуемого обьекта вблизи экстремального значения (растянуть по.вертикали разностное нап ряжение) и тем самым уменьшить нестабильность результата измерения на уровне, более приближенном к точкерезонанса. Точки, в которых измеряются частоты б 1 и 12 по шкале частот, находятся более близко друг от друга на одном уровне, что позволяет уменьшить погрешность, вызванную нелинейностью характеристики функции преобразования45 50 55 напряжение - частота управляемого генератора, а также уменьшить влияние асимметрии кривой АЧХ исследуемого объекта и уменьшить нестабильность результата измерения,Целью изобретения является повышение точности измерения и чувствительности измерителя, преимущественно низкодобротн ых колебател ьн ых систем.Цель достигаетсятем, что в измеритель резонансной частоты колебательной системы дополнительно введены первый и второй О- триггеры, последовательно соединенные второй элемент выборки-хранения, разностный усилитель, второй пиковый детектор, второй компаратор и элемент И - НЕ, второй вход элемента И - НЕ соединен с тактовым С-входом первого О-триггера и подключен к выходу первого компаратора, а выход -к тактовому С-входу второго О-триггера, йвход второго О-триггера соединен с й-входом первого О-триггера и с входом сброса второго пикового детектора, выход первого О-триггера подключен к управляющему входу второго элемента выборки-хранения, вход которого соединен с вторым входом разностного усилителя и подключен к входу первого пикового детектора, выход разностного усилителя подключен к второму входу второго компаратора, выход второго О-триггера подключен к управляющему входу первого элемента выборки-хранения, причем к информационным О-входам первого и второго О-триггеров подключены источники напряжения высокого уровня, соответствующего логической "1",Существенными отличительными признаками в этой совокупности являются, наличие соответственно соединенных первого и второго О-триггеров, второго элемента выборки-хранения, разностного усилителя, второго пикового детектора, второго компаратора и элемента И-НЕ. Укаэанные выше признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, в совокупности обеспечивают появление у заявляемого объекта нового свойства, состоящего в том, что повышается чувствительность устройства в М раз, уменьшается влияние асимметрии АЧХ колебательной системы и уменьшаются погрешности, вызваннные не- линейностью преобразования напряжения- частота управляемого генератора. Таким образом, считаем, что заявляемый объект соответствует критерию "существенные отличия".Функциональная схема предложенного измерителя приведена на фиг. 1; временная диаграмма его работы - на фиг. 2. 5 10 15 20 25 30 35 40 Измеритель резонансной частоты колебательной системы содержит последовательно соединенные генератор 1 меандра, формирователь 2 треугольных импульсов, первый элемент 3 выборки-хранения, управляемый генератор 4, выход которого подключен к первой входной клемме устройства и к первому входу блока измерения, а к второй входной клемме устройства подключены последовательно соединенные амплитудный детектор б, усилитель 7, первый пиковый детектор 8, первый компаратор 9, к второму входу которого подключен выход усилителя 7. К входу первого пикового детектора также подключены последовательно соединенные второй элемент 10 выборки-хранения, разностный усилитель 11, второй пиковый детектор 12, второй компаратор 13, элемент И - НЕ 14, Второй вход элемента И - НЕ объединен с тактовым С- входом первого О-триггера 15 и подключен к выходу первого компаратора 9, а выход элемента И - НЕ подключен к тактовому С- входу второго О-триггера 16, В-вход второго О-триггера 16 объединен с входом сброса второго пикового детектора 12, с В-входом первого О-триггера 15 и подключен к входу сброса первого пикового детектора 8. Выход первого О-триггера 15 подключен к управляющему входу второго элемента 10 выборки-хранения, вход второго элемента выборки-хранения соединен с вторым входом разностного усилителя, выход разностного усилителя 11 подключен к второму входу второго компаратора 13, Выход второго О-триггера подключен к управляющему входу первого элемента 3 выборки-хранения, к входу первой линии 17 задержки и к первому входу элемента И 18, причем к информационным О-входам первого и второго О-триггеров подведено напряжение высокого уровня, соответствующее логической "1". Выход генератора меандра подключен к второму входу элемента И 18, выход элемента И 18 соединен с входом записи Ч регистра 19, К информационным входам регистра 19 подключены выходные разряды счетчика 20, являющиеся информационными выходами блока 5 измерения, к входу В счетчика 20, являющегося вторым входом блока 5 измерения, через первый дифференциатор 21 подключен выход второй линии 22 задержки. К входу второй линии 22 задержки подключен выход элемента И 18, Выходные разряды регистра 19 подключены к соответствующим входам блока 23 индикации, Выход первой линии 17 задержки подключен к входу запуска одновибратора 24, являющемуся третьим входом блока 5 измерения, выход одновибратора подключен к управля 200530435 40 45 50 ющему входу ключа 25 и является синхронизирующим выходом блока 5 измерения, который через второй дифференциатор 26 подключен к входу сброса первого пикового детектора 8, Первый вход блока измерения является входом ключа 25, а выход ключа 25 подключен к счетному входу счетчика 20. Счетчик 20, одновибратор 24 и ключ 25 образуют блок 5 измерения.Измеритель работает следующим образом, В начале работы при включении питания одновибратор 24 вырабатывает прямоугольный импульс и на выходе второго дифференциатора 26 вырабатывается нулевой импульс запуска, благодаря чему устанавливаются в исходное состояние пиковые детекторы 8 и 12 и сбрасываются в нуль О-триггеры 15 и 16. Следовательно, на управляющие входы элементов выборки- хранения подаются напряжения лог. "0" и элементы 3 и 10 выборки-хранения находят-ся в режиме выборки. На выходе разностного усилителя напряжение равно нулю, на выходах компараторов 9 и 13 низкие уровни. С выхода генератора 1 меандра прямоугольные импульсы (фиг. 2 а) (со скважностью О = 2) поступают на вход формирователя 2 треугольных импульсов, который преобразует прямоугольные импульсы в симметричные треугольные импульсы(фиг. 2,б). Линейно изменяющийся сигнал через первый элемент 3 выборки-хранения поступает на вход управляемого генератора 4 (фиг, 2,в. Выходная частота управляемого генератора 4 является линейной функцией ВХОДНОГО НаПряжЕНИя 1 ьцх = р(0 вх(1, На ЕЕ выходе возникают высокочастотные колебания, которые подаются на объект исследования. Т.к. на вход линейно управляемого генератора воздействует линейно изменяющееся напряжение, то на выходе генератоРа частота тоже меняется по линейному закону, который воздействует на объект исследования и на его выходе вызывает изменение амплитуды напряжения высокочастотного колебания. Изменение амплитуды ВЧ-колебания соответствует закону изменения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) объекта исследования, и после детектирования на выходе амплитудного детектора 6 выделяется огибающая - видеоимпульс, Далее видеоимпульс поступает на усилитель 7, с выхода которого он однсвременно поступает на входы первого пикового детектора 8, второго элемента 10 выборки-хранения, на первый вход первого компаратора 9 и на второй (прямой - "+") вход разностного усилителя 11. Первый О- триггер 15 находится в нулевом состоянии, с его выхода напряжение низкого уровня 5 10 15 20 25 30 подается на управляющий вход второго элемента 10 выборки-хранения, что обусловливает режим выборки и поступающее на его вход напряжение без изменения пропускается через него и подается на первый (инверсный "-") вход разностного усилителя 11, Разностный усилитель вычитает значения напряжений 01 от 02, поступающие на его прямой и инверсный входы таким образом, что на его выходе разностное напряжение определяется как: к (02 - 01) когда 0201Л 0=О, когда 0 01,где 01 - напряжение на выходе второго элемента 10 выборки-хранения, поступающее на первый (инверсный "-") вход разностного усилителя 11;02 - напряжение на выходе усилителя 7, поступающее на второй (прямой "+") вход разностного усилителя 11;М - коэффициент усиления разностного усилителя 11.Далее разностное напряжение Й 3 с выхода усилителя 11 подается на вход второго пикового детектора 12 и на первый вход второго компаратора 13, который находится в нулевом состоянии (т,е. на его выходе низкий уровень). Когда напряжение с выхода усилителя 7 приблизится к амплитудному значению видеоимпульса (точка "а" на фиг, 2,г), вблизи экстремального значения в окрестности резонансной частоты исследуемой колебательной системы диод первого пикового детектора 8 находится в полузакрытом состоянии и на выходе пикового детектора 8 напряжение будет увеличиваться более медленйо, чем на его входе (т,к. производная напряжения вблизи экстремального значения приближается к нулю), благодаря чему напряжение на первом входе первого компаратора 9 будет больше, чем на втором входе, и компаратор изменит свое состояние (в точке "а" на фиг. 2,г). На его выходе формируется напряжение высокого уровня, которое подается на один из входов элемента И-НЕ 14 и на тактовый С-вход первого О-триггера 15. Под действием переднего фронта сигнала, поступающего с выхода первого компаратора 9, меняется состояние первого О-триггера 15 и триггер устанавливается в единичное состояние, Высокий уровень с выхода первого О-триггера 15 (см, фиг. 2,в) воздействует на управляющий вход второго элемента 10 выборки-хранения, переводит его в режим хранения и второй элемент 10 выборки-хра 2005304 1010 Ж 3 (Ог - Оа) М 50 55 нения запоминает мгновенное значение напряжения, соответствующее О (т.е. на его выходе формируется уровень напряжения 01 = Оа). А напряжение 02 продолжает возрастать (изменяется по закону АЧХ исследуемого объекта) и в промежутке времени, когда 0201 на выходе разностного усилителя 11(см. фиг, 2,д), напряжение ЬО определяется как и которое поступает на вход компаратора 13, В промежутке времени, когда 0201, форма напряжения 02 - колоколообразная, т.е. имеет экстремум, пройдя это экстремальное значение, второй компаратор 13 (аналогично компаратору 9) меняет свое состояние и на его выходе формируется сигнал высокого уровня (см. фиг, 2,ж), который подается на один иэ входов элемента И - НЕ 14. С этого момента на элементе И - НЕ 14 происходит совпадение сигналов высокого уровня, т,е, совпадение логических единиц, и на выходе элемента формируется низкий уровень (логического "0"), но второй Р-триггер 16 находится в нулевом состоянии и состояние его не изменяется до того момента, пока с выхода элемента И-НЕ 14 не придет передний фронт сигнала. Это произойдет тогда, когда экстремальное значение напряжения, зафиксированного вторым пиковым детектором 12, не будет больше, чем.напряжение, снимаемое с выхода разностного усилителя 11(точка "в" на фиг. 2,д). Когда это произойдет, второй компаратор 13 возвращается в исходное состояние и низкий уровень с его выхода вызывает формирование высокого уровня логической "1" на выходе элемента И-НЕ 14, вследствие чего на выходе второго Р-триггера 16 появляется уровень логической "1", который воздействует на управляющий вход первого элемента 3 выборки-хранения и переводит его из режима выборки в режим хранения. С этого момента запоминается мгновенное значение напряжения, поступающего от формирователя 2 треугольных импульсов. На выходе элемента 3 выборки-хранения фиксируется это напряжение, которое вызывает фиксацию частоты на выходе управляемого генератора 4. С выхода второго триггера 16 последний фронт сигнала с помощью первой линии 17 задержки задерживается на Ьт 1 времени (см, фиг, 2,и) и поступает на третий вход блока 5 измерения (на вход запуска одновибратора 24). Одновибратор 24 на выходе формирует прямоугольный импульс, длительность которого равна полови 15 20 25 30 35 40 45 Ьэм. не времени измерения частоты т = -по 2 ложительный прямоугольный импульс открывает ключ 25, измеряемая частота поступает на счетный С-вход счетчика 20, который подсчитывает импульсы, количество которых равно После истечения времени г = -ключ 25Ьзм.2закрывается и на счетчике 20 прекращается прохождение ВЧ-импульсов. К этому времени в счетчике записан код, соответствуюЩий Й 1 -2С выхода одновибратора 24 задний. фронт орямоугольного импульса вызывает формирование на выходе второго дифференциатора 26 короткого импульса, который (см. фиг. 2,к) сбрасывает первый и второй пиковые детекторы, соответственно 8 и 12, а также первый и второй Р-триггеры 15 и 16. На выходе триггеров низкие уровни воздействуют на первый и второй элементы выборки-хранения, 3 и 10 соответственно, и переводят их в режим выборки. Этим первая половина цикла измерения заканчивается и начинается вторая половина цикла измерения.Во второй половине цикла, аналогично изложенному выше, измеряется частота 12 на том же уровне, что и 11, разница заключается в том, что напряжение на выходе формирователя 2 треугольных импульсов линейно изменяется в обратную сторону (линейно уменьшается). После завершения измерения частоты тг в счетчике 20 к предыдущему значению добавляется ещегИг = - , в результате в счетчике будет зафиксирован код й=й 1+ Иг= - + - =т 1 тг т 1+ 122 2 2 соответствующий резонансной частоте исследуемой колебательной системы. В следующем цикле измерения (т.е. в начале повторного измерения) перед измерением первой частоты, с выхода элемента И 18 передний фронт воздействует на вход записи Ч регистра 19. Код, находящийся в счетчике 20, переписывается в регистр 19 и подается на соответствующие входы блока 23 индикации. Далее с выхода элемента И 18 пеоедний фронт задерживается с по 2005304мощью второй линии 22 задержки на Ьглэ.2 времени (которое необходимо для записи кода в регистр 19) и счетчик 20 сбрасывается в ноль.Таким образом, в предложенном изме рителе определение экстремального значения напряжения амплитудно-частотной характеристики исследуемой колебательной системы и измерение ее резонансной частоты происходит по следующему прин ципу; первый пиковый детектор "грубо" определенное экстремальное значение, "грубо" определенное напряжение фиксируется вторым элементом выборки-хранения, разность между зафиксированным и 15 экстремальным значениями напряжения определяется и усиливается с помощью раэностного усилителя в 1 раз. Вторым пиковым детектором фиксируется точное экстремальное значение, В точках, опреде ленных вторым пиковым детектором, на од,ном и том же уровне АЧХ исследуемого объекта измеряются частоты 1 и т 2, в счетчике фиксируется полусумма этих частот, определяющая резонансную частоту иссле дуемого объекта01+ 230Для выбора оптимального быстродействия и задания требуемого диапазона измерения целесообразно период цикла измерения Т и крутизну(наклон) характеристики импульсов треугольной формы выби рать таким образом, чтобы сохранились нижеприведенные условия:тих=в Т 40ЮЖю.1+- 2 -тизм. где 19 - временной диапазон измерения реэонансной частоты исследуемого объекта; тиз - время измерения частоты;Лаз.1 - временная задержка первой линии задержки.Напряжению Оь в точках В и С(фиг,2,б)3 5с абсциссами - Т и - Т соответствует верх 8 8ний предел измерения резонансной частоты и напряжению Он в точках А и О (фиг, 2,б)Т 7с абсциссами - и - Т соответствует нижний8 8предел измерения.В предложенном измерителе положительные свойства, по сравнению с известным, обусловлены следующим; повышается чувствительность устройства в К раэ и увеличивается точность измерения, т.к, с помощью первого пикового детектора проходит грубое приближение к экстремальному значению, которое фиксируется вторым элементом выборки-хранения, далее зафиксированное значение вычитается иэ экстремального значения видеоимпульса и в М раз усиливается с помощью разностного усилителя, сигнал подается на вход второго пикового детектора и к первому входу компаратора и второй пиковый детектор более точно определяет и фиксирует экстремальное значение видеоимпульса. Точки, в которых измеряются частоты б и 12, по шкале частот находятся более близко друг от друга на одном уровне и близко к резонансной частоте исследуемой колебательной системы, что позволяет уменьшить влияние формы асимметрии АЧХ колебательной системы на результат измерения, а также уменьшить влияние нелинейности преобразования функции напряжение-частота управляемого генератора.Таким образом предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения резонансной частоты исследуемой колебательной системы,(56) 1, Авторское свидетельство СССР М 460510, кл. 6 01 й 23/00, 1975.2, Авторское свидетельство СССР М 1583875, кл. 0 01 й 27/28, 1990.Орормула изооретенияИЗМЕРИТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ, содержащий последовательно соединенные генератор меандра, формирователь треугольных импульсов, первый элемент выборки-хранения, управляемый генератор, выход которого подключен к первой входной клемме устройства и входу ключа, являющемуся первым входом блока измерения, выполненного в виде счетчика, одновибратора и ключа, к второй входной клемме устройства подключены последовательно соединенные амплитудный детектор, усилитель, первый пиковый детектор, первый компаратор, к второму входу которого подключен выход усилителя, к управляющему входу первого элемента выборки-хранения подключен вход первой линии задержки и первый вход элемента И, к второму входу которого подключен выход генератора меандра, а выход элемента И соединен с Ч-входом записи регистра и через последовательно соединенные вторую линию задержки и первый дифференциатор подключен к второму входу блока измерения, являющемуся входом сброса счетчика, выходные разряды которого являются информационными выходами блока измерения, которые подключены к входным разрядам регистра, а выходные разряды регистра подключены к соответствующим входам блока индикации, выход первой линии задержки подключен к третьему входу блока измерения,который является входом запуска одновибраторэ, выход одновибрэтора подключен к управляющему входу ключа, являющемуся синхронизирующим выходом блока измерения, который через второй дифференциатор подключен к входу сброса первого пикового детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и чувствительности измерителя, в него 10 дополнительно введен первый и второй Отриггеры, последовательно соединенные второй элемент выборки-хранения, разностный усилитель, второй пиковый детектор, второй компаратор и элемент И - НЕ, 5 при этом второй вход элемента И - НЕ соединен с тактовым С-входом первого О- триггера и подключен к выходу первого компаратора, а выход - к тактовому С-входу второго О-триггера, Р-вход второго О триггера соединен с Р-входом первогоО-триггера и входом сброса второго пикового детектора и подключен к входу сброса первого пикового детектора, выход первого О-триггера подключен к управляющему 25 входу второго элемента выборки-хранения,вход которого соединен с вторым входом разностного усилителя и подключен к входу первого пикового детектора, выход разностного усилителя подключен к второму 30 входу второго компаратора, э выход второго О-триггера подключен к управляющему входу первого элемента выборки-хранения, причем к информационным О-входам первого и второго О-триггеров подключено напряжение, соответствующее логической единицы.2005304 оста витель Б. Лункехред М. Моргентал орректор Редактор Т. Лошкарев, Ревская Подписно Зак Тираж НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб.,роизводственно-издательский ком 5 инат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1