устройство для измерения девиации частоты

Формула изобретения

Устройство для измерения девиации частоты, содержащее источник входного сигнала, исследуемый генератор частотно-модулированных колебаний, опорный управляемый генератор с блоком автоматической подстройки частоты в цепи обратной связи, фазовый детектор и индикатор, отличающееся тем, что в него введены коммутатор, второй фазовый детектор на D-триггере, последовательно соединенные кварцевый генератор импульсов и делитель частоты, два фopмиpoвaтeля импульсов, синтезатор частоты, триггеры знака и сброса, счетчик, одновибратор, логичесий элемент 2ИЛИ и реверсивный счетчик, подключенный через регистр памяти к цифровому индикатору, причем источник входного сигнала соединен с входом опорного управляемого генератора и одним входом коммутатора, а также через первый формирователь импульсов соединен с С-входом триггера сброса, D-вxoд которого подключен к выходу счетчика, первому входу логического элемента 2ИЛИ и через триггер знака соединен с управляющим входом коммутатора, входом "Направление счета" реверсивного счетчика и входом одновибратора, выход которого подключен к стробирующему входу регистра памяти и входу сброса реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом первого фазового детектора, а его вход "Разрешение счета" подключен к выходу логического элемента 2ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом триггера сброса и R-входом счетчика, С-вход которого подключен к выходу второго фазового детектора, два входа которого соединены соответственно с выходом опорного управляемого генератора и выходом делителя частоты и подключены к входам блока автоподстройки частоты, второй вход коммутатора соединен с нулевой цепью, а его выход через последовательно включенные исследуемый генератор частотно-модулированного сигнала и второй формирователь импульсов подключен к одному входу первого фазового детектора, второй вход которого через синтезатор частоты соединен с выходом генератора импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано для измерения параметров генераторов частотно-модулированных колебаний, в том числе и измерения отклонения девиации частоты от номинального значения.

Известные устройства для измерения девиации частоты основаны на спектральном разложении частотно-модулированного ЧМ-сигнала и содержат генератор модулирующего напряжения с регулируемым аттенюатором, исследуемый ЧМ-генератор, коммутатор, частотомер и анализатор спектра.

Точность измерения данных устройств ограничена влиянием сопутствующей (паразитной) амплитудной модуляции и искажением формы модулирующего сигнала, с учетом которых погрешность измерения девиации частоты составляет не менее (0,5...4)%.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является измеритель девиации частоты, содержащий источник входного сигнала, исследуемый генератор ЧМ-колебаний, опорный управляемый генератор с блоком автоматической подстройки частоты в цепи обратной связи на основе полосового фильтра, амплитудного детектора и регулируемого усилителя, фазовый детектор и индикатор.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения девиации частоты из-за высоких требований к стабильности амплитуды и формы входного сигнала, подаваемого на исследуемый ЧМ-генератор. Кроме того, метрологические свойства устройства ограничиваются нестабильностью и нелинейностью характеристик применяемых аналоговых функциональных узлов.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения девиации частоты в широком динамическом диапазоне модулирующего сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения девиации частоты, содержащее источник входного сигнала, исследуемый генератор ЧМ-колебаний, опорный управляемый генератор с блоком автоматической подстройки частоты в цепи обратной связи, фазовый детектор и индикатор, дополнительно введены аналоговый коммутатор, второй фазовый детектор на D-триггере, последовательно соединенные кварцевый генератор импульсов и делитель частоты, два формирователя импульсов, синтезатор частоты, триггеры знака и сброса, счетчик, одновибратор, логический элемент 2ИЛИ и реверсивный счетчик, подключенный через регистр памяти к цифровому индикатору, при этом источник входного сигнала соединен со входом опорного управляемого генератора и одним входом коммутатора, а также через первый формирователь импульсов соединен с C-входом триггера сброса. При этом D-вход триггера сброса подключен к выходу счетчика, первому входу логического элемента 2ИЛИ и через триггер знака соединен с управляющим входом коммутатора, входом "Направление счета" реверсивного счетчика и входом одновибратора, выход которого подключен к стробирующему входу регистра памяти и входу сброса реверсивного счетчика. Счетный вход реверсивного счетчика соединен с выходом первого фазового детектора, реализованного на D-триггере, а вход "Разрешение счета" реверсивного счетчика подключен к выходу логического элемента 2ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом триггера сброса и R-входом счетчика. Счетный C-вход счетчика подключен к выходу второго фазового детектора, два входа которого соединены соответственно с выходом опорного управляемого генератора и выходом делителя частоты и подключены к двум входам блока автоподстройки частоты. Второй вход коммутатора соединен с нулевой цепью, а его выход через последовательно подключенные исследуемый генератор ЧМ-сигнала и второй формирователь импульсов соединен с одним из входов первого фазового детектора, к второму входу которого через синтезатор частоты подключен кварцевый генератор импульсов.

В предложенном устройстве за счет введения дополнительных функциональных узлов устраняется влияние формы входного модулирующего сигала, а также нестабильности несущей частоты исследуемого ЧМ-генератора на точность измерения девиации частоты. Кроме того, при регулировке амплитуды входного сигнала автоматически изменяется длительность цикла измерения девиации частоты, чем обеспечивается высокая точность измерения в широком диапазоне изменения входного сигнала, и погрешность измерения определяется только стабильностью частоты кварцевого генератора импульсов, выполняющего функцию измерительной меры.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу его основных узлов.

Устройство (фиг. 1) содержит источник входного сигнала 1, который подключен к входам коммутатора 2, образцового управляемого генератора 3 и первого формирователя импульсов 4. Второй вход коммутатора 2 соединен с нулевой цепью, а его выход подключен к входу исследуемого генератора ЧМ-колебаний 5. Выход ЧМ-генератора 5 через второй формирователь импульсов 6 соединен с D-входом триггера 7, выполняющим функцию фазового детектора, вход синхронизации (C-вход) которого подключен к выходу кварцевого генератора импульсов 8 через синтезатор частоты 9. Кроме того, выход кварцевого генератора импульсов 8 через делитель частоты 10 соединен с входом блока автоподстройки частоты 11, установленного в цепи отрицательной обратной связи образцового управляемого генератора 3, и подключен к D-входу триггера 12, выполняющего функцию второго фазового детектора, C-вход которого соединен с выходом образцового управляемого генератора 3. К выходу D-триггера 12 подключен счетный вход (C-вход) счетчика импульсов 13, вход сброса которого (R-вход) соединен с выходом триггера сброса 14, а выход счетчика импульсов 13 подключен к входу синхронизации (C-входу) триггера знака 15 и одному входу логического элемента 2ИЛИ 16, второй вход которого соединен с выходом триггера сброса 14. Выход триггера знака 15 подключен к управляющему входу коммутатора 2, входу "Направление счета" реверсивного счетчика 17 и входу одновибратора 18, выход которого соединен с входом сброса (R-входом) реверсивного счетчика 17 и стробирующим входом записи регистра памяти 19, входы данных (D-входы) которого подключены к выходам реверсивного счетчика 17. Цифровая информация с выходов регистра памяти 19 выводится на индикатор 20, служащий для дешифрации и представления результатов измерения в цифровой форме.

Устройство работает следующим образом.

Весь цикл измерения девиации частоты выполняется за два последовательных такта. В первом такте преобразования по командному импульсу, формируемому триггером знака 15, реверсивный счетчик 17 переводится в режим суммирования, а коммутатор 2 подключает вход исследуемого ЧМ-генератора 5 к выходу источника входного сигнала 1. На выходе генератора 5 формируется гармонический сигнал частоты f_чм1= f_н f, определяемый несущей частотой f_н и девиацией частоты f. Формирователь импульсов 6, выполняющий функцию триггера Шмитта, преобразует выходной частотно-модулированный сигнал генератора 5 в последовательность импульсов, имеющих скважность, примерно равную двум. Для выделения контролируемой девиации частоты f применен фазовый детектор 7 на D-триггере, на C-вход которого непрерывно подаются импульсы образцовой частоты f_o= f_н, формируемой синтезатором частоты 9 из выходного сигнала кварцевого генератора импульсов 8 стабильной тактовой частоты f_Т. На выходе фазового детектора 7 выделяется импульсный сигнал разностной частоты, которая при выполнении условия f_н=f_o соответствует модулю девиации частоты так как любой D-триггер фактически выполняет функцию вычитания частот, подаваемых на его D-вход и C-вход, без выделения знака их разности. Модулирующее напряжение U_x от источника входного сигнала 1 преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов формирователем 4 и подается на образцовый управляемый генератора 3, в цепи обратной связи которого применен блок автоматической подстройки частоты 11. С помощью этого блока автоподстройки обеспечивается стабилизация средней частоты f_ср управляемого генератора 3 на уровне, определяемом частотой f_Т кварцевого генератора 8 и коэффициентом деления N_ДЧ делителя частоты 10: f_ср = f_ДЧ=f_Т/N_ДЧ. Вследствие этого на выходе управляемого генератора 3 формируется последовательность импульсов с образцовой девиацией частоты f_o и стабильной средней частотой f_ср:

f_уг= f_ср f_o= f_т/N_дч f_o.

При поступлении импульсов частоты f_Т/N_ДЧ от делителя 10 и импульсов частоты f_УГ от управляемого генератора 3 на входы фазового детектора 12 выделяется модуль образцовой девиации частоты Импульсы разностной частоты с выхода фазового детектора 12 поступают на вход счетчика 13, имеющего номинальный коэффициент счета N_cu, которым задается длительность первого такта контроля T₁= N_си/f_o. В течение первого такта T₁ реверсивный счетчик 17 суммирует импульсы, поступающие на его C-вход от фазового детектора 7, поэтому в конце такта T₁ на выходе реверсивного счетчика формируется код

N₁= (f_чм1-f_o)T₁= [(f_н+f)-f_o]N_си/f_o.

По окончании первого такта на выходе счетчика 13 появляется перепад напряжения, стробирующий триггер знака 15. При срабатывании триггера знака 15 реверсивный счетчик 17 переводится в режим вычитания, а вход исследуемого ЧМ-генератора 5 подключается коммутатором 2 к нулевой цепи. Одновременно выходной сигнал счетчика импульсов 13 подается на вход логического элемента 2ИЛИ, запрещающего работу реверсивного счетчика 17, и на D-вход триггера сброса 14. Этот триггер 14 стробируется выходными импульсами формирователя 4, поэтому длительность импульса на выходе триггера 14 соответствует периоду модулирующего напряжения U_x, поступающего от источника входного сигнала 1. Вследствие этого начало каждого такта контроля синхронизируется с периодом входного сигнала, чем обеспечивается равенство длительностей первого и второго тактов в каждом цикле измерения. Выходным импульсом триггера сброса 14 счетчик 13 устанавливается в исходное состояние, а логическим элементом 2ИЛИ 16 запрещается работа реверсивного счетчика 17 на время сброса в конце каждого такта.

В течение второго такта измерения длительности T₂ = T₁ частота выходного сигнала ЧМ-генератора 5 остается постоянной и определяется только значением его несущей f_ЧМ2= f_н, а разностная частота импульсов (f_н - f_о) на выходе фазового детектора 7 соответствует отклонению несущей f_н от установленного синтезатором частоты 9 значения f_о. В результате вычитания импульсов частоты (f_н - f_о) реверсивным счетчиком 17 в течение второго такта T₂ в конце цикла контроля на выходе реверсивного счетчика формируется код N = N₁-N₂= fN_си/f_o,

значение которого не зависит от несущей частоты f_н исследуемого генератора 5.

При срабатывании счетчика импульсов 13 и триггера знака 15 в конце второго такта контроля T₂ одновременно срабатывает одновибратор 18. Передним фронтом выходного сигнала одновибратора 18 стробируется регистр памяти 19, а его логическим уровнем выполняется сброс реверсивного счетчика 17 в исходное (нулевое) состояние. Полученный в конце второго такта результат измерения выводится с выходов регистра памяти 19 на цифровой индикатор 20, после чего процесс измерения повторяется.

Особенностью данного устройства является использование в качестве измерительной меры высокоточного управляемого генератора импульсов, обеспечивающего нелинейность преобразования напряжения в частоту менее (0,001... 0,01)% при максимальном значении выходной частоты до 500 кГц. Такой управляемый генератор, реализуемый на микросхемах типов КР1108ПП1А, К1564ГГ1, нельзя использовать в качестве ЧМ-генератора систем связи из-за несинусоидальной формы его выходного сигнала и ограниченного частотного диапазона. Однако его применение в качестве образцового блока или измерительной меры при измерении позволяет значительно снизить преобразования при оценке девиации частоты гармонических ЧМ-генераторов.

К дополнительным достоинствам предложенного устройства относится возможность его применения для измерения нелинейности характеристик ЧМ-генераторов и допускового измерения технологического разброса их параметров на стадии серийного производства ЧМ-средств связи. В частности, регулировкой коэффициента преобразования входного сигнала в образцовую девиацию частоты (K_уг= f_o/U_x) и изменением цифровой емкости счетчика N_cu можно обеспечить измерения отклонений девиации частоты f относительно заданного значения в десятых-сотых долях процента. Кроме того, аналогичную операцию можно реализовать с высокой точностью при различных значениях входного напряжения, так как при уменьшении U_x понижается образцовая девиация частоты f_o и соответственно увеличивается длительность такта измерения.

Предложенное устройство может быть реализовано на типовых интегральных микросхемах: формирователи импульсов - на элементах К561ЕЛ1, К1533ТЛ2, триггеры знака и сброса и фазовые детекторы - на D-триггерах типа К1554ТМ2, делитель, реверсивный счетчик и счетчик импульсов - на микросхемах типа К561ИЕ14, регистр памяти - на микросхемах К561ИР9, а в цифровом блоке индикации можно применить дешифраторы К176ИД2 и индикаторную панель типа ИЖКП4. Логический элемент 2ИЛИ и кварцевый генератор импульсов можно реализовать на микросхемах типа К1561ЛЛ1 и К1561ЛЕ5, а в одновибраторе можно использовать микросхему типа К1006ВИ1.