Адаптивное устройство измерения частоты

Адаптивное устройство измерения частоты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение может быть использовано в устройствах измерения частоты квазидетерминированныхсигналов. Цель изобретения - 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 модуля напряжений, блоки компараторов, аналоговые мультипликаторы, блоки опорных напряжений и фазовый детектор. Устройство также содержит полосовой фильтр, линию задержки, фазовые детекторы, фазовращатель. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 R 23/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ

{21) 4873453/21 (22) 09.10.90 (46) 30.04.93. Бюл. N. 16 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. B.Ä.Êàëìûêîâà (72) А.П.Дятлов и А,M.Ìàêàðîâ (56) Авторское свидетельство СССР

М 1062886, кл, Н 04 27/20, 1983, (54) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение может быть использовано в устройствах измерения частоты квазидетерминированных сигналов. Цель изобретеИзобретение 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 точности измерения частоты и квазидетерминированных сигналов при малом отношении сигнал/помеха и неизвестном динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов.

На 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 устрой,, ЖÄÄ 1812516 Al ния — 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 2 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 необходимой 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 преобразователей, Адаптивное устройство измерения частоты содержит последовательно соединенные первый электронный ключ 1, полосовой

1812516

55 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 формирователя модуля 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 N входами второго блока компарэторов 21, а выход второго формирователя модуля напряжения 18 — с N входами первого блока компараторов 22, N выходов которого соединены с N входами m-адресного первого аналогового мультиплексора 23, N выходов второго блока опорных напряжений 21 соединены с N входами второго аналогового мультиплексора 24, на информационные входы которого подключены N выходов второго блока опорных напряжений 25, N 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 мультиплекс0рэ 24, выходы первого 23 и второго 27 аналого-цифровых преобразователей соединены с первым И вторым входами третьего фазового детектора 28.

Работает устройство следующим образом.

Входной сигнал, представляющий собой непрерывное квазигармоническое колебание (Umzx cos (CDpc t + P ), t C t 0 Tc ), и„()= где Um. амплитуда входного сигнала, аос, р — его центральная частота и начальная фаза, Полагаем, что (Um» Я(0л,„„, „, Umsx f

В„, 6 f cmln cmax ), Р 61 — Л, Л) .

Входной сигнал, поступающий на первый электронный ключ 1, где формируется при помощи синтезатора частот, который перестраивается частотными ступеньками, равными ширине полосы пропускания полосового фильтра (2), и с промежуточной частотой, равной центральной частоте полосового фильтра (2), причем длительность анализа частотной ступеньки равна

Тз = Тс — и совпадает с длительностью временных стробов генератора тактовых импульсов 7 (а), поступающих на второй вход электронного ключа (1). Тэк как входная часть, состоящая из синтезатора и смесителя. присуща всем одноканальным устройствам измерения частоты, работающим в широком диапазоне частот. то зти блоки в структуре устройства не введены. Одновременно в полосе полосового фильтра 2 может присутствовать не более одного сигнала, После полосовой фильтрации в 2 сигнал поступает на первый вход первого фазового детектора 4 и имеет вид

U t tt p (t ) = Um 1t cos (Wc t + 1 ), (О, Тс), и на первыи вход второго фазового детектора 6 через фазовращатель на

Uzyz(t) = Umq cos (в„ t + р1 + — ) =

z — UmZ Sin (М с t + ф ) °

Для формирования дискриминационной характеристики Usx(t) поступает на линию задержки 3 с величиной задержки глз, величина которой выбирается из условия, что г больше времени корреляции помехи, но меньше времени корреляции сигнала с учетом заданной полосы полосового фильтра 2. После этого на вторых входах первого фазового детектора 4 и второго фазового детектора 6 соответственно получим:

U3$g(t) = Um3COS(Abc(+ Tna)+p1), U4$p(t) = UmgSitl (Фос (t + тлз} + ф1)

Тогда отклик первого 4 и второго 6 фазовых детекторов равен соответственно:

05фд = Umgcos eoc лз, Обфд = 0аез1п Noc Тлз °

1812516

Коэффициенты передачи 4 и 6 выбираются так, чтобы 0в5 = 0„6, иногда после первого 15 (О) интегратора и второго интегратора 14 (е) получим

U«r - Ta Umq сов а rn3, 0инт2 = TaUmgSIA О ос <п3 с учетом, что импульсная характеристика идеального интегратора равна 1/Òa. то

0инт1 0всоз Okc

U«2 = Um3s ï в, т.3, Одновременно сигнал с генератора тактовых импульсов поступает на вход второго электронного ключа 9 (в), который на время работы первого 15 и второго 14 интеграторов Те закрыт, после инвертирования в 10 (б) открывается третий электронный ключ 13 (г) на время восстановления ta первого 15 и второго 14 интеграторов. Таким образом, блоки 9, 10, 13 обеспечивают тактирование работы интеграторов 14, 15; в моменты времени Тл интеграторы 14 и 15 интегрируют, а в моменты Т, восстанавливаются. Очевидно, что Ta <

ПОСТОЯННОЙ ИНТегрИроваНИЯ Ти2 < TH1 = Ta. т,е, на выходе четвертого и третьего интеграторов имеем

04и = 1и4 Um4COS ®ос лз 1

03„= Тиз Um3 Sin Oac tn3, где Um4 — оценка амплитуды 0в2, 0в3—

ОцЕНКа аМПЛИТудЫ Umg, ApM Ти4 Тиз Тир<

< Ta, Um4 И Um3 СОВПадаЮт С Um, НО дИСПЕрсия оценки в этом случае больше, т,к. постоянная интегрирования третьего и четвертого интеграторов меньше постоянной интегрирования первого и второго интеграторов. Выполнение условия Ти2 <. Ta принципиально, т.к. его сообщение позволяет получить оценку амплитуды быстрее по времени и тем самым обеспечить необходимое время адаптации и анализа устройства, С учетом импульсной характеристики идеального интегратора получим

04и Um4COS й)ос Тпа;

03и 0вз S П ®oc

Так как 04и и 03и в зависимости от значения ао r» могут иметь разные знаки, то далее происходит модульная оценка амплитуды, т.е. на выходе блоков формирования модуля напряжения 20 и 18 получим соответственно

Ua IU4 l= IUm4C0S Ь

Временные диаграммы, показывающие синхронизацию процессов по времени, приведены на фиг. 2, где ждущий мультивибратор 8 (ж) запускается передним фронтом импульсов в генератора тактовых импульсов 7; сигнал с одного плеча ждущего мультивибратора (ж) открывает четвертый электронный ключ 11 (и), а 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 íà 1ч входов первого блока компараторов 22 и второго блока компараторов 21, Первый и вторые блоки компараторов 21, 22 в зависимости от величины Ua и 0н, которые сравниваются с напряжением Uo>...0ог, 0от...Uo3, 0ом-1".UoN 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, иногда 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 компараторов 21 и 22.

Таким образом, на выходе первого аналогового мультиплексора 23 вы рабаты вается 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.

1812516

При измерении центральной частоты сигналов ОЬс в широкой мгновенной полосе

Лвп большой интерес представляет собой случай приема слабых сигналов, когда входное отношение сигнал/помеха по мощности

2 Pñ и Хь где Pa — мощность сигнала;

On.2 = Nm Мп — МОщНОСтЬ ПОМЕХИ.

Среднеквадратичная погрешность оценивания частоты гармонических сигналов определяется как

2 Лтлэ ЧА " Бп (lax Af Т

ЦА= г э — время запаздывания в линии задержки;

Тз — время интегрирования (анализа), С целью уменьшения влияния уровня входного сигнала Рс на величину погрешности пг 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 qax > 1. когДа

2 еще обеспечивается стабилизация уровня сигнала Рс. Поскольку при q» < 1 уровень

2 стабилизации определяется в основном мощностью шума оп и на выходе ограничителя отношение сигнал/помеха qa ix

- цвх, то при этом не устраняется влияние

7г г уровня сигнала на of, 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 для 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 положительная ветвь дискриминационной характеристики, 5 реализованной на аналого-цифровом преобразователе. Задаваясь динамическим диаПЭЗОНОМ 0 = Umax Umln В ПОЛОСЕ ЧаСтот

fmax и величиной допустимой погрешности, приближенно равной 6 », можно исходя

10 иэ величины Umln опРедЕлить Anln. В СвЯЗи с тем, что при приеме слабых сигналов

q» < 1 на выходе фазовых детекторов

qa»x = q», т.е; проявляется пороговый эф2 4 фект, который приводит к расширению вы15 ходного динамического диапазона по сравнению со входным динамическим диапазоном, Это обстоятельство при фиксированном шаге и числе разрядов АЦП приводит к возрастанию методической по20 грешности из-за несогласования шага квантования и допустимого изменения уровня сигнала, В предлагаемом адаптивном устройстве измерения частоты осуществляется экспресс-оценка Рс и измерение шага кван25 тования, обеспечивающие гарантированную точность измерения частоты, Например, если Р = 2,56 В, число разрядов п = 8, т.е. число уровней 2 = 256, то h. О =

30 256 — 0,01 В = 10 мВ при крутизне дискри2,56 минационной характеристики S — О/fmax (fmax = 256 кГц, S = 0,01 В/кГЦ); т.е, 10 MB соответствует 1 кГц, таким образом, Т04ность измерения частоты составляет 1 кГц.

35 Если динамический диапазон уменьшился в

10 раз, т,е. 0 = 0,256 В, то при пр - 8, m = 256, hU = 10 мВ $ = 0,001 В/кГц, отсюда увеличение погрешности составляет 0,01/0,001 =

=10 раз. Если осуществлять адаптацию кру40 тизны с одновременной оценкой Р,, то увеличения погрешности измерения частоты не происходит во всем допустимом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов.

Формула 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 де55 тектора, вход — с выходом полосового фильтра 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 повышения

10 точности измерения частоты, в него введены первый, второй, третий, четвертый и пятый электронные ключи, генератор тактовых импульсов, ждущий мультивибратор, инвертор напряжения, первый и BTOрой, 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,, первый 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 nepaoro u второго 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 со20 единены с выходами второго блока опорных напряжений, 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 третье30 ro фазового детектора соединены с выходами первого и второго аналого-цифро-. вых преобразователей соответственно.

1812516

1812516

ФИГ.2

1812516

Составитель А. Дятлов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M. Максимишинец

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1574 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5