Измеритель нестабильности частоты

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН А 1)4 С 01 0 ЫЙ НОМИТЕТ СССРРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ГОСУДАРСТВЕ ПО ДЕЛАМ ИЗ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ И с Ю ие.1(46) 15.07,88. Бюл. Кф 26 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова (72) А.В.Мулеванов и Е.Г.Бакаев (53) 62 1.317(088.8)(56) Авторское свидетельство СССР В 413431, кл. 6 01 К 23/00, 1973.Авторское свидетельство СССР Ф 393690, кл. С 01 К 23/00. 1973. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ(57) Изобретение может быть использовано для измерения частотных флук туаций стабильных источников колебаний. Цель изобретения - повышение точности измерения нестабильности частоты, Измеритель содержит линию 2 задержки, гетеродины 7. 1, 7.2,ЯО 140994 смесители 6. 1-6.4, умножители 8. 1 и 8.2 частоты, усилители 9.1 и 9,2 и индикатор 18. В измеритель введены амплитудные компараторы 4,1-4.4, 0 лок 5 управления аналоговыми ключами 3.1 и 3.2, формирователь 10 временных интервалов, блок 11 управления реверсивным счетчиком 12, регистры 13 и 15 результата и знака результата, ийдикаторы 14 и 16 результата и знака результата, блок 17 переполнения, блок 19 формирования управляющих сигналов, счетчик 20 цикла и генератор 2 1 счетных импульсов. Благодаря этому снижается влияние на результат измерения собственных фазовых шумов измерителя путем использования двух чередующихся режимов работы: режима "Измерение" и режима "Самоконтроль". 7 ил.Изобретение относится к областирадиотехнических измерений и можетбыть использовано для измерения частотных Флуктуаций стабильных источ 5ников колебаний.Цель изобретения - повышение точности измерения нестабильности частоты за счет снижения влияния на результат измерения собственных фазовых шумов измерителя путем использования двух чередующихся режимов работы; режима "Измерение" и режима"Самоконтроль",На Фиг. 1 изображена схема измерителя нестабильности частоты генераторов; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу блока управления аналоговыми ключами;на Фиг.3 -временные диаграммы, поясняющие ра.- 20боту формирователя временных интервалов; на фиг.4 - схема блока управления входами реверсивного счетчика;на Фиг.5 - временные диаграммы, поясняющие работу блока управления входами реверсивного счетчика; йа фиг.6схема блока формирования управляющихсигналов; на фиг.7 - временные диаграммы, поясняющие работу блока формирования управляющих сигналов,Измеритель нестабильности частотысодержит (фиг. 1) двухканальный частотный компаратор 1, линию 2 задержки, вход которой соединен с входомустройства и первым входом двухканаль-,ного частотного компаратора 1, двааналоговых ключа 3.1 и 3.2, соединенные своими выходами с вторым входомдвухканального частотного компаратора 1, вход первого аналогового ключа3. 1 соединен с выходом линии 2 задержки а вход второго аналоговогоключа 3.2 соединен с входом устройства, четыре амплитудных компаратора 4.1-4,4, вход первого амплитудного компаратора 4. 1 соединен с входомустройства, а вход второго амплитудного компаратора 4.2 соединен с выходом линии 2 задержки, блок 5 управления аналоговыми ключами, первыйвход которого соединен с выходом первого амплитудного компаратора, а второй вход блока 5 управления аналоговыми ключами соединен с выходом второго амплитудного компаратора, первый и второй выходы блока 5 управле ния аналоговыми ключами соединены с управляющими входами соответственно первого 3.1 и второго 3,2 аналоговых ключей, четыре смесителя 6 1-6,4, первый вход первого си.сителя 6, 1 является первым входом двухканального частотного компаратора 1, а первый вход третьего смесителя 6.3 является вторым входом двухканального частотного компаратора 1, два гете- родина 7.1 и 7.2,выход первого гетероднна 7. 1 соединен с вторыми входами первого 6,1 н третьего 6,3 смесителей, а выход второго гетероднна 7.2 соединен с вторыми входами второго 6,2 и четвертого 6.4 смесителей, два умножителя 8.1 и 8.2 частоты, соединенные своими входами с выходами соответственно первого 6. 1 и третьего 6.3 смесителей, а выходы умножителей 8.1 и 8.2 частоты соединены с первыми входами второго 6,2 и четвертого 6.4 смесителей, два усилителя 9. 1 и 9,2,входы которых соединены с выходами второго 6,2 и четвертого 6.4 смесителей, а выходы усилителей 9,1 и 9.2 являютсясоответственно первым и вторым выходами частотного компаратора 1, формирователь 10 временных интервалов, первый и второй входы которого соединены соответственно через третий 4.3 и четвертый 4,4 амплитудные компараторы с первым и вторым выходами двухканального частотного компаратора 1, блок 11 управления входами реверсивного счетчика, соединенный своим пер-. вым и вторым входами соответственно с первым и вторым выходами формирователя 10 временных интервалов, реверсивный двоично-десятичный счетчик 12,сумсуммирующий и вычитающий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 11 управления входами реверсивного счетчика, регистр 13 результата, входная информационная шина которого соединена с соответствующей выходной информационной шиной реверсивного счетчика 12, индикатор 14 результата, входная шина которого соединена с выходной шиной регистра 13 результата, регистр 15 знака результата, информационный вход которого соединен с третьим выходом блока 11 управления входами реверсивного счетчика, индикатор 16 знака результата, вход которого соединен с выходом регистра 15 знака результата, блок 17 переполнения, соединенный своим первым входом с выходом переполнения реверсивного счетчика3 140912, индикатор 18 переполнения, соединенный входом с выходом блока 7 переполнения, блок 19 формирования уп-равляющих сигналов, первый вход которого соединен с третьим выходом формирователя 10 временных интервалов,счетчик 20 циклов, вход которого соединен с первым выходом блока 19 формирования управляющих сигналов и третьим входом блока 5 управления аналоговыми ключами, генератор 21 счетных импульсов, выход которогс соединен с вторым входом блока 19 Формирования управляющих сигналов и третьим входом блока 11 управления входами реверсивного счетчика, четвертый вход которого соединен с выходомзаема реверсивного счетчика 12, приэтом второй выход блока 19 Формирования управляющих сигналов соединен суправляющими входами регистра 15 знака результата и регистра 13 результата, третий выход блока 19 Формирования управляющих сигналов соединенс вторым входом блока 17 переполненияи пятым входом блока 11 управлениявходами реверсивного счетчика, шестойвход которого .соединен с четвертымвыходом блока 19 формирования управ-ляющих сигналов, пятый выход которого соединен с входом установки в нулевое состояние реверсивного счетчика12, четвертый вход блока 5 управления аналоговыми ключами соединен сшестым выходом блока 19 формирования управляющих сигналов, третий входкоторого соединен с выходом счетчика20 циклов.Блок 11 управления (фиг,4) образуют элемент ИЛИ 22, инверсный выходкоторого соединен со счетным входомтриггера 23, выходы которого соединены с входами элементов И-НЕ 24-27,выходы которых соединены через эле,менты И-НЕ 28 и 29 с выходами ин 45верторов 30 и 31.Блок 19 формирования управляющихсигналов (фиг.б) содержит (фиг,б)триггер 32, выход которого через элемент И-НЕ 33 соединен со счетным вхо дом счетчика 34, дешифратор 35, элемент ИЛИ-НЕ 36, триггер 37, инверторы 38-41 и триггер 42.Устройство работает следующим образом, 55Входной аналоговый сигнал имеетвид 0 б(й) = А сояИ +Ц(Т)3Этот сигнал поступает на первый вход 949двухканального частотного компаратора 1 и на вход первого амплитудного компаратора 4. 1, а на второй вход двухканального частотного компараторапоступает сигнал в виде 0(т))1 (г - время задержки сигналалинией 2 задержки) через первый аналоговый ключ 3.1 либо незадержанный сигнал через второй аналоговый ключ 3.2 в зависимости от Фазы управляющих сигналов на первом и втором выходах блока 5 управления аналоговыми ключами. Амплитудный компаратор 4.1 Формирует последовательность прямоугольных импульсов, соответствующей уровнр " 1", а время существования импульса соответствует длительности положительного полупериода сигнала.Выходной сигнал первого амплитудного компаратора 4.1 принимает вид, представленный на фиг.2 а. Этот сигнал поступает на первый вход блока 5 управления аналоговыми ключами. Выходной сигнал линии задержки поступает на вход второго ам- плитудного компаратора 4.2, который формирует из сигнала импульсную последовательность, представленную на фиг.2 е. Этот сигнал поступает на второй вход блока 5 управления аналоговыми ключами. Блок 5 управления аналоговыми ключами формирует под действием управляющих сигналов (фиг.2 б, в), поступающих на его третий и четвертый входы (уровень " 1" на четвертом входе соответствует режиму "Измерение", а уровень " 1" на третьем входе - режиму "Самоконтроль" ), сигналы на своих первом и втором выходах, которые управляют работой аналоговых ключей 3,1 и 3.2, В режиме работы "Измерение" на первый вход двухканального частотного компаратора 1 подается входной исследуемый сигнал, а на его второй вход подается задержанный линией 2 задержки сигнал. В режиме "Самоконтроль" на второй вход подается входной незадержанный сигнал. Кроме того, для обеспечения минимальных переходных процессов в двухканальном частотном компараторе 1 необходимо обеспечивать подачу аналоговых сигналов на второй вход двухканального частотного компаратора 1 только в моменты перехода этого сигнала через фазу 0 или 18040 50 есть не что иное как нестабильность частоты исследуемого сигнала при достаточно малой величине; Фразность собственных шумов измерительных каналов двухканального час-, тотного компаратораПроцесс определения разности длительностей импульсных последоваель 5 14099 Эту функцию выполняет блок 5 управления аналоговыми ключами.В соответствии с логикой работы от моментадо е на первом выходе5 (фиг,2 д) блока 5 присутствует импульс, соответствующий уровню "1", а на втором выходе от с до 1 - уровень "0". От момента с и далее на. первом выходе присутствует уровень "0", а на втором выходе от момента.- уровень "1". Из этого следует, что аналоговый ключ 3.1 от йо до открыт, а ключ 3,2 закрыт - это соответствует работе устройства в режиме измерения. От момента С дооба ключа 3.1 и 3,2 заперты, С момента.открывается аналоговый ключ 3,2, а ог момента и далее ключ 3.1 закрыт - это соответствует режиму "Самоконт роль".Сигналы на выходах двухканального частотного компаратора 1 содержат и собственные шумы двухканального частотного компаратора. 25Выходные сигналы двухканального частотного компаратора 1 (фиг,За) поступают далее соответственно на третий и четвертый амплитудные компараторы, где из них Формируются импульсные последовательности, представленные на фиг.Збв.Импульсные последовательности, образованные таким образом, различаются длительностями за счет нестабильности частоты исследуемого сигнала и моментами появления за счет наличия линии 2 задержки и нестабильности частоты сигнала.Вычисляя разность длительностей выходных импульсных последовательно". стей можно получить искомую информацию о нестабильности частоты исследуемого сигнала в виде Нц(с)М(г.) - 4(С -) а 581 дП( И и С+ щс.о ) 49 6ной осуществляется в два этапа, На первом этапе формирователь 10 временных интервалов формирует предварительную разность, а на втором этапе реверсивный счетчик 12 вычиспяет окончательную разность, которая регистрируется регистром 13 результата и индицируется индикатором 14.Из сигналов (Фиг,Зб, в) исключается тот промежуток времени, когда они оба одновременно присутствуют на первом и втором входах формирователя 10. Вычисление окончательной разности длительностей импульсных последовательностей производится путем вычисления модуля разности и знака разности сформированных импульсных последовательностей (фиг,Зг,д) реверсивным счетчиком 12. Блок 11 управляет работой реверсивного счетчика 12 так, что первый приходящий импульс (Фиг.Зг,или д) подается на вход суммирования реверсивного счетчика 12, а второй импульс подается на вход вычитания. В результате этого образуются разность йи знак разности от первой пары импульсов.Рассмотрим подробнее работу блока 11 управления (фиг.5). Пусть за некоторый интервал времени на первый и второй входы блока 11 поступает по одному импульсу, появление которых предшествовало установке в "0" всех разрядов реверсивного счетчика 12, начальной установке триггера 23 (фиг.4) блока 11, т,е. устройство находится в .режиме "Измерение". Пришедший, например, первый импульс на втором входе (фиг.4) разрешает поступление импульсов с эталонной частотой повторения от генератора 2 1 счетных импульсов на выход вычитания реверсивного счетчика 12 (Фиг,5 а, в). Под действием фронта первого импульса счетчик 12 формирует сигнал" 0" (заем),который поступает на четвертый вход блока 11. Этот импульс опрокидывает триггер 23 (Фиг,5 г), после чего счетные импульсы (фиг,5 д) поступают на вход суммирования реверсивного счетчика 12. После этого приходит импульс на первый вход блока 1 (фиг,56) и блок 11 разрешает прохождение счетных импульсов на вход вычитания реверсивного счетчика 12. Содержимое счетчика 12 при этомуменьшается. Если длительность импульса на фиг.5 б больше длительности7 140 импульса на фиг.5 в, то в момент,когда содержимое счетчика 12 становится равным нулю, появляется сигнал на выходе счетчика 12 и на четвертом входе блока 11, который опрокидывает триггер 23 (фиг.4) блока 11 и разрешает прохождение счетных импульсов на вход суммирования счетчика 12 последующих импульсов (фиг.5 д). Таким образом формируется в счетчике 12 число, равное разности д, длительностей первой пары импульсов (фиг.5 бр в),а уровень "0" на третьем выходе блока 11 соответствует положительному знаку разности Л, . Последующие пары импульсов обрабатываются аналогично первой паре, только начальное состояние счетчика 12 равно величине полученной предыдущей разности ДВНа третьем выходе, формирователя 10 уровень "1" появляется только в том случае, когда на его первом или втором входе сигнал отсутствует (фиг,5 л). Сформированный таким образом импульс (фиг.3 е) с третьего выхода формирователя 10 подается на пер " вый вход блока 19 формирования управляющих сигналов. Положительный фронт сигнала (фиг.7 б) устанавливает на выходе Ц триггера 32 (см. фиг,6) уровень " 1" (фиг.7 в) 1 разрешая прохождение импульсов тактовой частоты (фиг.7 а) с второго входа блока 19 (фиг.6) через элемент И-НЕ 33 на вход пвоично-десятичного счетчика 34 (фиг.7). Разряды счетчика 34 при этом подключены к соответствующим входам дешифратора 35 двоично-десятичного кода в позиционный. Дешифратор 35 формирует на своих выходах сдвинутые по времени импульсы (фиг.7 д, э). Восьмым по счету импульсом (фиг.7 э) триггер 42 перебрасывается в противоположное состояние, Выходные сигналы триггера 42, находящиеся в противофазе друг относительно друга (фиг.7 п,р), поступают соответственно на тоетий и четвертый входы блока 5 управления аналоговыми ключами и под их действием устройство переключается иэ режима "Измерение" в режим "Самоконтроль". Формиврование величины о (С) в счетчике 12 происходит аналогично рассмотренному процессу, При этом выходной сигнал на четвертом выходе блока 19 поступает на шестой вход блока 11 управления в виде, представленном на фиг.7 д, изменяет сбстояние триггера ляются разрешающими для записи в регистр 13, а потом обнуления реверсивного счетчика 12, начальной установки триггера 23 блока 11, триггера42 блока 19, и сброса блока 17 пе-реполнения. Последний управляющийсигнал (фиг.7 з) с восьмого выходадешифратора 35 (фиг.6) сбрасывает 4 ББО триггер 32, устанавливает уровень"О" на выходах счетчика 34, изменяет состояние триггера 42 режимов работы на противоположное. Индикаторы ББ 14,и 16,индицируют результат измерения в виде десятичного числа и знака результата до момента перезаписи в регистры 13 и 15 следующего результата. Вычитание из текущего ре 9949 8 23 (фиг.4) на противоположное, обее спечивая получение разности А - Ф в счетчике 12. После окончания режима "Самоконтроль" устройство пере- .Б11 11ключается в режим Измерение и т.д, В результате чередования определен" ного числа циклов измерения и само" контроля в счетчике 12 формируется 10 среднее значение зедичиныа"тСЦ, которое заносится а регистр 13 результата и индицируется индикатором 14, Знак результата заносится в регистр 15 знака и индицируется индикатором 16 знака. Если при выл оГг.-т сй хотя бы однократно счетчик 12 переполнялся, то блок 17 переполнения подает на индикатор 18 сигнал, равный 20 "1"Такой результат вычисления не несет достоверную информацию об изме ряемой величине, и его надо исключить из рассмотрения, а разрядность счетчика 12 следует увеличить, Если те Б кущий цикл измерения или самоконтро ля является постоянным в серии циклов (число циклов задается коэффициентом деления счетчика 20 циклов), то при переходе в этом цикле от режима "Измерение" к режиму "Самоконтроль" под 30 действием сигнала (фиг.7 п) на первом выходе блока 19 формирования управляющих сигналов двоично-десятичный счетчик 20 числа циклов измерения и самоконтроля формирует на своем вы- ЗБ ходе и на третьем входе блока 19 сигнал "0". Этот сигнал переключает триггер 37 (фиг.6) в противоположное состояние,и на выходе инверторов 38 и 39 появляется уровень "О", разре шающий формирование сигнала на втором, а затем и на третьем и пятом выходах блока 19. Эти сигналы яве н з орм Измеритель нестабильности частоты, содержащий линию задержки, два гетеродина, последовательно соединенные первый смеситель, первый умножитель частоты, второй смеситель и первый усилитель, последовательио соединенные третий смеситель, второй умно- житель частоты, четвертый смеситель и второй усилитель, выход первого гетеродина соединен с вторыми входами первого и третьего смесителей, а выход второго гетеродина - с вторыми входами второго и четвертого смесителей, первый вход первого смесителя 3 является входом измерителя и соеди нен с входом линии задержки,а выходы первого и второго усилителей соединены с индикатором, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повыше 40 ния точности измерения, в него введены два аналоговых ключа, четыре амплитудных компаратора, формирователь временныхинтервалов, реверсивный счетчик, блок управления входами ре версивного счетчика, блок формирования управляющих сигналов, счетчик циклов, блок управления аналоговыми ключами, регистр результата, регистр знака результата, блок переполнения, 5 генератор счетных импульсов, индикатор знака результата и индикатор переполнения реверсивного счетчика, при этом выход линии задержки соединен с входом второго амплитудного компаратора и через первый аналоговый ключ с входом второго смесителя и выходом второго аналогового ключа, первый вход блока управления аналоговыми клювультата Л в режимеИзмерениеекущего результата д в режиме Самоконтроль" и образов енной разности в виде авной величине нестабильности частоты исследуемого сигнала, позволя ют на порядок и более снизить влияние собственных фазовых шумов д(С)змерительных каналов двухканального частотного компаратора 1. При этом точность измерения повышается. Использование двух режимов "Измерение" и "Самоконтроль" эффективно только для тех фазовых и амплитуднь шумов, у которых интервал корреля значительно больше затрат времени на проведение измерения и самоконтчами соединен с выходом второго аналогового ключа, второй вход блокауправления аналоговыми ключами соединен с выходом первого амплитудного 5компаратора, вход которого соединенс входами линии задержки и второгоаналогового ключа, первый и второйвыходы блока управления аналоговымиключами соединены с управляющими входами соответственно первого и второгоаналоговых ключей, первый и второйвходы формирователя временных интервалов соединены соответственно с выходами третьего и четвертого амплитудных компараторов, входы которыхсоединены с выходами усилителей, первый и второй выходы формирователявременных интервалов соединены соответственно с первым и вторым входамиблока управления входами реверсивного счетчика, а его третий Выход соединен с первым входом блока формирования управляющих сигналов, первый ивторой выходы блока управления вхо-.дами реверсивного счетчика соединенысоответственно с входом суммированияи входом вычитания реверсивного счетчика, а третий выход блока управления входами реверсивного счетчика соединен с информационным входом регистра знака результата, выход которогосоединен с индикатором знака результата, выход генератора счетных импульсов соединен с третьим входом 5 блока управления входами реверсивногосчетчика и вторым входом блока формирования управляющих сигналов, третийвход которого соединен с выходомсчетчика числа циклов, вход которого соединен с третьим входом блокауправления аналоговыми ключами и первым выходом блока формирования управляющих сигналов, второй выход которого соединен с управляющими входа ми регистра знака результата и регистра результата, входная шина которого соединена с выходной шиной реверсивного счетчика, а его выходнаяшина - с входной шиной индикатора О результата, выход заема реверсивного счетчика соединен с четвертым входом блока управления входами реверсивного счетчика, пятый вход которого соединен с третьим выходом блока 5 формирования управляющих сигналов,четвертый выход которого соединен сшестым входом блока управления входами реверсивного счетчика, пятыйвьгход которого соединен с входомустановки в нулевое состояние реверсивного счетчика, выход переполнениякоторого соединен с первым входомблока переполнения, выход которойсоединен с индикатором переполнения,а второй вход - с третьим выходомблока Формирования управлякнцйх сигналов, шестой выход которой соединенс четвертым входом блока управления Баналоговыми ключами.Составитель В,Новоселов Техред Л.Олийнык Корректор М,Пож актор А.О Заказ 3475/4 пи 3 полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Производстве раж 772ИИПИ Государственного кпо делам изобретений иМосква, Ж, Раушск митета СССРоткрытийя наб., д. 4(5