Цифровой преобразователь частоты

Цифровой преобразователь частоты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ЦИФРОВОЙ riPiEOBPASOBATEJIIb ЧАСТОТЫ, содержащий смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты, отличающийся тем/ что, с целью уменьшения фазовых искажений выходного сигнала и снижения уровня паразитных продуктов преобразования, между каждым входом цифрового преобразователя частоты и входом смесителя включен блок цифрового сопровождения фазы периодического сигнала, а смеситель вьлюлнен в виде арифметического блока.

()9) (И), СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(я) Н 03 Э 7 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В упр

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3351200/18-09 (22) 24 .08.81 (46) 15.11.83. Нюл. М 42 (72) С.В.Демидов, В.A.Êàçàíñêèé, А.Я.Мальчик, Э.С.Мучйик и В.А.Рыдов (71) Особое конструкторское бюро станкостроения (53) 621,314,26 (088.8) (56) 1. Новицкий П.В. и др. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., "Энергия", .1970, с. 246

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 213977, кл. 6 01 R 23/02,15.12.65 (прототип). (54 ) (57) ЦИФРОВОЙ ПРВОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЧАСТОТЫ, содержаций смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты, о т л и— ч а ю ц и и с я тем, что, с целью уменьшения фазовых искажений выходного сигнала и снижения уровня паразитных продуктов преобразования, между каждым входом цифрового преобразователя частоты и входом смесителя включен блок цифрового сопровождения фазы периодического сигнала, а смеситель выполнен в виде арифметического блока.

1054875

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах, синтезаторах частоты, электроиэмерительных приборах.

Известен преобразователь частоты, 5 выполненный на смесителе двух сигналов, осуществляющем функцию сумматора импульсных последовательностей (1).

Недостатком известного устройст- 1О ва является присутствие на выходе устройства частот, участвующих в преобразовании, а также и то, что импульсы суммарной частоты имеют фазовые колебания, что в свою очередь требует в ряде случаев введения в схему преобразователя фильтров.

Наиболее близким к предлагаемому является цифровой преобразователь частоты, содержащий смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты.

Известный преобразователь частоты выполнен как вычитатель импульсных последовательностей. На его выходе формируется импульсная последовательность раэностной частоты, при этом уровень параэитных продуктов преобразования несколько ниже, чем в известном устройстве (1 3 в частности ослабляется составляющая меньшей из входных частот, отсутствует суммарная частота, ниже колебания фазы выходного сигнала С2 3.

Однако известный преобразователь частоты имеет существенные надостат- 35 ки: импульсы разностей частоты на

I выходе преобразователя следуют неравномерно, что приводит к искажению и колебаниям фазы сигнала, в частотном спектре выходного сигнала 4Q присутствуют составляющие входных сигналов, что увеличивает уровень параэитных продуктов преобразования.

Цель изобретения — уменьшеиие фазовых искажений выходного сигнала и снижение уровня паразитных продуктов преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровом преобразователе частоты, содержащем смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты, между каждым входом цифрового преобразователя частоты и входом смесителя вклю-55 чен блок цифрового сопровождения фазы периодического сигнала, а смеситель выполнен в виде арифметического блока.

На фиг, 1 представлена структур- 60 ная электрическая схема предлагаемого цифрового преобразователя; на фиг.2структурная электрическая схема блока цифрового сопровождения фазы периодического сигнала. 65

Цифровой преобразователь частоты содержит смеситель (арифметический блок ) 1, блоки 2 и 3 цифрового сопровождения фазы периодического сигнала.

Блоки 2 и 3 цифрового сопровождения фазы периодического сигнала содержат детектор 4 нулей, измерительный счетчик 5, регистр б памяти, параллельный сумматор-накопитель 7, сумматор 8 импульсных последовательностей, счетчик 9 импульсов, генератор 10 импульсов, Цифровой преобразователь частоты работает следующим образом.

Первая и вторая входные импульсные периодические последовательности подаются на входы соответствующих блоков 2 и 3 цифрового сопровождения фазы периодического сигнала.

Блок цифрового сопровождения фазы периодического сигнала работает следующим образом. Пусть на его вход (фиг. 2) поступает первый периодический сигнал. детектор 4 нулей в момент начала положительного импульса этой последовательности вырабатывает импульс, которым содержимое счетчика 5 записывается в обратном коде в регистр б памяти, а затеи оба счетчика 5 и 9 устанавливаются в исходное (нулевое ) положение. Следует отметить, что в этот момент времени фаза входного сигнала равна О, так как сигнал входной импульсной последовательности переходит от "-" к "+". Таким образом на выходе блока цифрового сопровождения в момент известного нулевого значения фазы входного сигнала принудительно устанавливается нулевое значение сигнала цифрового сопровождения.

Оба счетчика 5 и 9 от генератора 10 заполняются импульсами высо« кой частоты. При этом частота генератора 10 выбирается так, чтобы при наиболее низких частотах сопровождаемого входного сигнала счетчик 5 полностью не заполняется. В результате в момент появления импульса с детектора 4 из счетчика 5 в регистр б памяти запишется рассогласование — разность между величинами максимально возможного периода и данного конкретного периода сопровождаемой частоты. С летчик 9 заполняется от генератора 10 через сумматор 8 импульсных последовательностей. Одновреиенно импульсы, продвигающие счетчик 9, стробируют параллельный сумматор-накопи тель 7, в который с каждым стробом вводится рассогласование из регистра б памяти. В момент переполнения на выходе переноса старшего разряда сумматора-накопителя 7 появляется импульс, который суммируется в сумматоре 8 импульсных последова1054875 тельностей с основной последовательностью импульсов с генератора 10 и дополнительно продвигает на один такт счетчик 9. Одновременно этот импульс проходит на вход стробирования сумматора-накопителя 7 и до« полнительно суммирует сигнал рассогласования из регистра б с содержимым сумматора-накопителя.

Параллельный сумматор-накопитель 7, сумматор 8 импульсных последовательностей и счетчик 9 функционируют так, что дополнительный импульс на счетном входе счетчика

9 появляется в тот момент, когда рассогласование цифрового значения .сигнала блока на выходе цифрового сопровождения фазы и текущего значения фазы периодического сигнала приближается к единице младшего разряда счетчика, т.е. дополнительный импульс сбрасывает накапливающуюся текущую погрешность. На выходе счетчика в результате будет существовать цифровой сигнал сопровождения фазы входного периодического сигнала с погрешностью, равной единице младшего разряда счетчика вне зависимости от частоты входного сигнала и частоты генератора импульсов.!

15

Паразитная фазовая модуляция приводит к паразитной частотной модуляции. диапазон мгновенного 65

Выходы блоков 2 и 3 цифрового сопровождения фазы подключены соответственно на первый и второй входы смесителя 1, выполненного в виде арифметического блока. В ре- 35 зультате на параллельных входах обоих слагаемис арифметического блока существуют цифровые сигныы,мгновенные значения которых соответствуют текущим значениям фаэ каждого иэ входных сигналов.

И зависимости от значения сигнала на входе управления смеситель 1 (арифметический блок )либо вычитает из TeK ùèõ значений первого цифрового 45 сигнала сопровождения текущие значения второго, либо суммирует их.

Вследствие особенностей органи.эации цифрового сопровождения по- . грешности цифрового сопровождения каждого из сигналов лежат в интервале от 0 до 1 дискреты младшего разряда цифрового кода сопровождения. Следовательно, при вычитании погрешность цифрового сопровождения раэностного сигнала не превьваает + 1 младшего разряда. Это соответствует мгновенной фаэовой модуляции выходного сигнала иа величину фазы, определяемую значением младшего разряда выходного ко- 60 да. отклонения частоты на выходе преобразователя от Е„,будет равен

1 1 2ат выл т

8у«-а 7sb «+» а (« где leb,„- период выходной разностной астоты эы«

» - максимальное колебание дли- тельности периода разностной частоты, обусловленное дрожанием фазы (неточ-. ностью 1 цифрового сопровождения обоих сигналов и

ВЫ«

paaHoe npHMepHo eb «,rye

h - разрядность выходного цифрового сигнала.

ЬТ учитывая, что т Ф и 3

6ЬФ 2 получим д

1 Sbl«h Ьым n- ЬЫх

2 2

Таким образом, выходной сигнал раэностной частоты, будет иметь мгновенные значения частоты в диапазоне

g

2 импульса выходного сигнала от идеальной обусловлено погрешностью преоб- разования равной +1 дискрете, т.е. равной — длительности периода вы-.

2п ходного сигиала. Паразитная Фаэовая модуляция, осуществляя мгновенные колебания длительности импульса вы-. ходной разностиой частоты, приводит к царазитной амплитудной модуляции.

Глубина параэктной амплитудной модуляции (модуляции длительности импульса} равна

„"„о -100 /О, 2 1 где О„ — уровень выходного сигнала.

Таким образом, без применения фильтра на выходе предлагаемого преобразователя частоты отношение основного сигнала к параэитным составляющим в худшем варианте будет равно 2" ", т.е. однозначно определяется точностью цифрового сопровождения фазы что количественно характеризует чистоту выходного сигнала и уровень паразитной фазовой модуляции.

При использовании 4-разрядных бло:сов цифрового сопровождения фазы периодического сигнала биение фазы выходного сигнала без применения фильтра составлйет в случае разностной частоты не более 2Ъ, в, случае суммарной частоты — 10В.При использовании 8-раэряпных устройств цифрового сопровождения фазы биение фазы для разностной час1054875 тоты составит 0,1Ъ, а для суммарной

0,7%. Таким образом, чем выше разрядность блоков цифрового сопровождения фазы, тем меньше уровень шумов преобразователя частоты и выше частота спектра выходного сигнала.

С другой стороны увеличение разрядности усложняет техническую реализацию блока и ограиичивает частотный и динамический диапазон входного частотно-модулированного сигнала. Предлагаемый цифровой преобразователь частоты позволяет технически достаточно просто получить спектральную чистоту выходного сигнала порядка 40-б0 дБ и выше, а с применением простого фильтра 80

90 дБ.

Например, при преобразовании двух идеальных сигналов „ = 250 кГц и

150 кГц с 10-разрядным цифро2 вым сопровождением фазы каждого из сигналов при значении тактовых частот блоков цифрового сопровождения фазы соответственно 500 мГц и330 мГц на выходе преобразователя частоты будем иметь!разностный сигнал частоты 100.кГц, разброс мгновенных значений этой частоты будет «+ 100 Гц, отношение основного сигнала к уровню шума преобразования будет не менее 52 ДБ, глубина паразитной амплитудной и фазовой модуляции менее 0,2%. Если последовательности цифровых сигналов преобразователя частоты подать на вход цифроаналогового преобразователя,преобразуя значения фаз в значения амплв туды синусоидального сигнала, то на выходе цифроаналогового преобразователя образуется в первом случае синусоидальный сигнал разностной частоты, во втором случае — синусоидальный сигнал суммарной частоты.

Следует отметить, что фаза синусоидального сиГнала, в обоих случаях будет однозначно определяться фазами входных сигналов с точностью, определяемой разрядностью блока 2 и 3 цифрового сопровождения фазы.

Если использовать только старший выходной разряд арифметического бло" ка, то на выходе этого разряда образуется периодический сигнал разностной или суммарной частоты прямоугольной формы. Фаза этого сигнала также однозначно определяется фаза ми входных сигналов с точностью, определяемой разрядностью блоков

2 и 3.

Предлагаемый преобразователь час тоти легко реализуется на элементах микроэлектронной техники. Современная элементная база позволяет реалиэовать цифровой преобразователь с точностью представления фазы разностного или суммарного периодического сигнала на его выходе 1%

65 при частоте сигнала до 10 мГц. Снижение частоты входных сигналов приводит к повышению стабильности выходного сигнала.

Так, например, восьмиразрядный цифровой арифметический блок, выполняется на четырех микросхемах средней интеграции: 155ИПЗ.и 155ИР1.Во время распространения переноса на выходе сумматора выходные сигналы могут иметь дребезг, который принципиально устраняется стробированием.

Сигнал стробирования осуществляет вывод результата суммирования или вычитания на выход преобразователя с некоторой задержкой от момента возможной смены входного кода на входах сумматора. Эта задержка для указанных выше микросхем составляет ориентировочно 70-100 нс. Вместо стробирования можно подключить конденсаторы небольшой емкости к выходам разрядов смесителя 1.

Различие частот входных сигналов на входах цифрового преобразователя частоты практически неограничено.

При различии частот более чем в 2 раза необходимо согласование обслуживающих частот с генератора 10 импульсов. Так, например, при частотах входных сигналов 10 ИГц и 1 Гц и точности представления фазы выходного сигнала 1% тактовые частоты обслуживания блоков цифрового сопровождения должны быть соо2тветственно около 2 10 Гц и 2 .10 Гц. Наиболее просто согласование тактовых частот достигается при автоматическом подиапазонном переключении частоты обслуживания. Предлагаемый цифровой преобразователь частоты позволяет осуществлять с высокой точностью совместные преобразования более чем двух частот. Для этого необходимо выход первого цифрового, преобразователя частоты подключить на вход второго преобразователя, на другой вход которого подключить сигнал цифрового сопровождения фазы третьей частоты, и т.д..При построении подобных пирамид преобразования многих частот следует обратить внимание на то, что на выхоДе цифрового преобразователя частоты фактически существует цифровой сигнал сопровождения разностной или суммарной выходной частоты. Поэтому в следующем каскаде по этому тракту нет необходимости в блоке цифрового сопровождения фазы, а сигнал с выхода предыдущего преобразователя следует подавать в следующем каскаде цифрового преобразования прямо на один из входов смесителя, выполненного в виде арифметического блока. Одновременно следует отметить, что длина последовательной цепочки, преобразований частот огра1054875

7 ничена точностью блоков цифрового сопровождения фазы первичных сигналов, так как в каждом каскаде цифрового преобразования частоты уменьшается точность представления фазы выходного сигнала и соответст- 5 ванно увеличивается биение фазы суммарного или разностного сигнала.

Предлагаемый цифровой преобразователь частоты может быть нсполь» эован в качестве широкоплосного фазо- Я сдвигающего устройства, для чего вместо второго сигнала цифрового сопровождения достаточно на арифметй ческий блок 1- пода ь постоянное двоичное число равное необходимому 1 фазовому сдвигу. Также предлагаемый цифровой преобразователь частоты мо« жет быть использован в схеме радиоприемного устройства с синхронным детектированием и двойным:преоб1 азованием частоты в тракте несущей.

В этом случае появляется возможность обеспечения приема широковещательных. радиостанций во всем диапазоне их работы без необходимости первстройки фильтров.

Предлагаемый цифровой преобразователь частоты может быть использован в широком классе радиотех; нических устройств,.например, прн приеме и передаче частотно-модулированных сигналов, синтезаторах частот, измерительных приборах и т.д., особенно там, где необходимо сохранение фазы входного сигнала. Прн этом использование предла гаемого цифрового преобразователя частоты позволяет отказаться от применения сложных селективных частотных элементов. В выходном спектре преобразованного сигнала отсутствуют паразитыые продукты преобразования частоты участвующие в преобразоваиии и т.д. Сам выходной сигнал представлен в удобной для дальнейших преобразований цифровой форме, иэ которой легко получить как импульсный, так и синусоидальный сигнал раэностной или суммарной частоты. высодной цифро° вой сигнал допускает дальнейшие частотньЬ и фазовые преобразования. В результате применения данного цифрового преобразователя частоты возможйо одновременно преобразовывать несколько сигналов различных частот и совершать точные фаэовые операции с этими преобразованньвви сигналами.

Таким, образом, предлагаемы цифровой. преобразователь частоты имеет. Иеяьшне фазовые искажения и меньшие паразитные продукты преобразования в выходном сигнале.

t,Вииипи заказ 9117/56 Тираж 9 36 Подписное

Филиал ППП "Патент", г Ужгород,ул.Проектная,4