Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: радиоизмерительная техника; измерение частоты и демодуляция частотно-модулированных колебаний. Устройство для измерения частоты содержит дифференцирующую и интегрирующую RC-цепи 1 и 2, первый и второй амплитудные детекторы 3 и 4, функциональный делитель 5, сумматор 6, генератор 7 с резонатором на железо-иттриевом гранате, фазовый детектор 8, третий амплитудный детектор 9, синхронный детектор 10, усилитель 11 и генератор переменного напряжения 12. Использование в качестве выходного сигнала генератора 7, охваченного экстремальной системой регулирования, стремящейся максимально приблизить частоту генератора 7 к измеряемой частоте, причем на вход генератора 7 также воздействует напряжение с выхода функционального делителя 5, позволяет повысить точность измерения. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2090969
Класс(ы) патента: H03D3/06
Номер заявки: 4908126/09
Дата подачи заявки: 04.02.1991
Дата публикации: 20.09.1997
Заявитель(и): Новосибирский государственный технический университет
Автор(ы): Паулин Г.Н.; Рубанович М.Г.
Патентообладатель(и): Новосибирский государственный технический университет
Описание изобретения: Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения частоты и для демодуляции частотно-модулированных колебаний в СВЧ-диапазоне.
Наиболее близким к изобретению является устройство для детектирования частотно-модулированных сигналов, содержащее подключенные параллельно к входу устройства интегрирующую и дифференцирующую RC-цепи, к выходам которых подключены два амплитудных детектора, выходы которых подключены к выходам функционального делителя [1]
Благодаря практически линейной зависимости между частотой и выходным напряжением это устройство может использоваться также в качестве устройства для измерения частоты (частотомера).
Однако известное устройство обладает большой погрешностью измерения частоты. Эта погрешность объясняется недостатками амплитудных детекторов, особенно проявляющимися при работе в широком динамическом и частотном диапазоне. Погрешность обусловлена действием следующих факторов:
1. влиянием гармоник контролируемого СВЧ-сигнала, которые, детектируясь в амплитудном детекторе, вносят вклад в постоянную составляющую его выходного сигнала;
2. нелинейностью характеристик амплитудных детекторов, из-за которых изменяется коэффициент передачи амплитудного детектора в зависимости от амплитуды входного сигнала;
3. температурной погрешностью амплитудных детекторов;
4. погрешностью функционального делителя, которая достигает 0,25% при большом динамическом диапазоне изменения входных сигналов.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении точности. Этот технический результат достигается тем, что в устройство для измерения частоты, содержащее подключенные параллельно входу интегрирующую и дифференцирующую RC-цепи, к выходам которых подключены два амплитудных детектора, выходы которых подключены к входам функционального делителя, введены генератор переменного напряжения и последовательно соединенные сумматор, генератор с резонатором на железо-иттриевом гранате, фазовый детектор, третий амплитудный детектор, синхронный детектор и усилитель, причем выходы функционального делителя, усилителя и генератора переменного напряжения соединены с входами сумматора, второй вход фазового детектора соединен с входом устройства, управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом генератора переменного напряжения, а вход генератора с резонатором на железо-иттриевом гранате является выходом устройства.
На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства для измерения частоты. На фиг. 2 представлены графики, поясняющие принцип действия устройства для измерения частоты. На фиг. 3 представлена зависимость напряжения синхронного детектора устройства для измерения частоты от девиации частоты Δf
Устройство для измерения частоты содержит подсоединенные параллельно к входу устройства дифференцирующую RC-цепь 1 и интегрирующую RC-цепь 2, выходы которых через амплитудные детекторы 3 и 4 соответственно подключены к входам функционального делителя 5. Выход функционального делителя 5 соединен с одним из входов сумматора 6, его выход подключен к входу генератора 7 с резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ). Выход генератора 7 соединен с одним входом фазового детектора 8, второй вход которого соединен с входом частотомера. Выход фазового детектора 8 через амплитудный детектор 9 подключен к входу синхронного детектора 10, выход которого через усилитель 11 соединен со вторым входом сумматора 6. Генератор 12 переменного напряжения подключен к третьему входу сумматора 6 и к управляющему входу синхронного детектора 10. Вход генератора 7 соединен с выходом устройства для измерения частоты. Следует заметить, что в качестве частотозависимых цепей 1 и 2 можно использовать не только RC-цепи; возможно использование LC-цепей и отрезков линий передачи.
Блоки 1, 2, 3, 4 и 5 могут быть выполнены так же, как и в [1]
Сумматор 6 может быть выполнен на операционном усилителе по схеме, приведенной в [2] на с. 26.
Генератор 7 с резонатором на ЖИГ может быть выполнен в соответствии со схемой и эскизом, приведенными на рис. 7.13 в монографии [3] на с. 195.
Фазовый детектор 8 может быть выполнен по схеме балансного фазового детектора, приведенной на рис. 4.8 в [3] на с. 106.
Амплитудный детектор 9 может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 5.2, а в учебнике [4] на с. 140.
Синхронный детектор 10 может быть выполнен по схеме балансного фазового детектора, приведенной на рис. 4,7 в [3] на с. 106.
Усилитель П может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1 10 в [2] на с. 128.
Генератор 12 может быть выполнен по схеме, приведенной в монографии [5] на рис. 5.18 на с. 142.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Измеряемая частота fx с входа устройства поступает на дифференцирующую 1 и интегрирующую 2 RC-цепи. При изменении частоты fx амплитуда колебаний на выходе дифференцирующей RC-цепи 1 будет увеличиваться с ростом частоты, а амплитуда колебаний на выходе интегрирующей RC-цепи 2 будет, напротив, уменьшаться с ростом частоты. Аналогичным образом постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора 3 будет увеличиваться с ростом частоты, а постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора 4 будет с ростом частоты уменьшаться. Следовательно, постоянное напряжение U1 на выходе функционального делителя 5, пропорциональное отношению напряжения с выхода амплитудного детектора 3 к напряжению с выхода амплитудного детектора 4, будет также увеличиваться с ростом частоты. Как показано в описании основного изобретения, между измеряемой частотой fx и выходным напряжением U1 функционального делителя 5 получается строго пропорциональная зависимость
U1=K1·fx (1)
Однако это имеет место лишь в идеальном случае. В действительности из-за влияния таких факторов, как гармоники измеряемой частоты, нескомпенсированные остатки нелинейности амплитудных детекторов, нескомпенсированные остатки температурной погрешности амплитудных детекторов и погрешность функционального делителя, строгая пропорциональность (1) нарушается. При этом погрешность измерения частоты с помощью этой схемы, состоящей из блоков 1, 2, 3, 4 и 5, может составлять 3 5% Дополнительно введенные блоки предназначены для существенного повышения точности измерения частоты. Для этого используется генератор 7 с резонатором на ЖИГ, у которого пропорциональность между входным напряжением и выходной частотой выдерживается с высокой точностью (±0,05%), ([3] с. 196).
f0=K2·U2 (2)
Коэффициенты преобразования K1 для устройства по основному изобретению и K2 для генератора 7 должны быть обратными
K1 1/K2 (3)
Если на вход генератора 7 поступает только напряжение U1 с выхода делителя 5, то с учетом условия (3) в идеальном случае на выходе генератора 7 получается частота, совпадающая с fx. Но из-за погрешности, присущей основному изобретению, частота f0 на выходе генератора 7 будет отличаться от входной частоты fx на величину
Δf = fo-fx (4)
Так как на входы фазового детектора 8 поступают частоты f0 и fx, то на его выходе получаем разностную частоту (4). Последующие элементы (амплитудный детектор 9 и синхронный детектор 10) формируют постоянное напряжение U10, которое пропорционально величине Δf и имеет полярность, соответствующую знаку величины Δf. Формируется напряжение U10 так. На выходе фазового детектора имеем сигнал переменного тока, частота которого равна Δf, а амплитуда изменяется в зависимости от Δf следующим образом. При малых значениях амплитуда максимальна, а при увеличении из-за влияния входящего в состав фазового детектора 8 сглаживающего конденсатора, включенного на его выходе, амплитуда уменьшается, стремясь асимпотически к нулю. Аналогичным образом постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора 9 будет наибольшим при Δf ≈0 и будет уменьшаться по мере увеличения . Зависимость напряжения U9 от Δf приведена на фиг.2. Для того, чтобы определить, на какой ветви (восходящей или нисходящей) кривой, приведенной на фиг. 2, работает устройство в данный момент, введена дополнительная частотная модуляция сигнала. Для этого от генератора 12 переменного напряжения, например, треугольной формы через сумматор 6 на генератор 7 подается небольшое напряжение частотой F, под действием которого частота f0 изменяется в небольших пределах, что, в свою очередь, приводит к изменению в небольших пределах постоянного напряжения на выходе детектора 9. На фиг. 2 показаны графики изменения частоты Δf и выходного напряжения U9 от времени для трех случаев: Δf <0, Δf 0 и Δf >0. Как видно из временных зависимостей, при Δf <0 изменения Δf и U9 совершаются в фазе, а при Δf >0 в противофазе. Переменная составляющая сигнала U9 частоты F поступает на синхронный детектор 10, на управляющий вход которого подается от генератора 12 сигнал той же частоты F. В зависимости от фазы переменной составляющей сигнала U9 на входе синхронного детектора получается постоянное напряжение U10 той же полярности, что и знак величины Δf. То есть при работе на восходящей ветви (фиг. 2) получаем на выходе синхронного детектора 10 положительное напряжение, а при работе на нисходящей ветви отрицательное. Если мы работаем в точке Δf 0, то на выходе амплитудного детектора 9 получаем сигнал, не содержащий частоту F, поэтому на выходе синхронного детектора напряжение будет равно нулю. Зависимость выходного напряжения синхронного детектора 10 от Δf представлена на фиг.3.
Напряжение U10 после усиления усилителем II поступает на сумматор 6, где суммируется с напряжением U1 таким образом, что, если Δf > 0, то полученное напряжение U11 вычитается из U1, напряжение U2 уменьшается, следовательно, уменьшается и f0, что в итоге приводит к уменьшению Δf. Наоборот, если Δf <0, то U11 изменяет знак на противоположный, т.е. теперь уже U1 складывается с U11, в результате чего растут U2 и f0, f0 приближается к fx, так что уменьшается. Из сказанного ясно, что элементы 6, 7, 8, 9, 10 и 11 образуют систему авторегулирования, стремящуюся путем изменения U2 приблизить f0 к fx. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 11 расхождение между f0 и fx может быть доведено до уровня ± несколько десятых процента. Так как в соотношении (2) существует весьма точная пропорциональность между U2 и f0, а f0 максимально приближена к fx, используем постоянное напряжение U2 в качестве напряжения, несущего информацию о измеряемой частоте fx. Погрешность измерения частоты складывается из вышеупомянутого расхождения между f0 и fx и нелинейности характеристики генератора 7 на ЖИГ, т.е. составляет величину порядка нескольких десятых процента, что значительно меньше, чем погрешность устройства по основному изобретению (3 5%).
Таким образом, результаты анализа функциональной схемы предлагаемого устройства для измерения частоты показывают, что точность измерения частоты по сравнению с основным изобретением повышена не менее, чем на порядок.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 471651, кл. НОЗD 3/06, 1969.
2. М. И.Маклюков и др. Применение аналоговых микросхем в вычислительных устройствах. М. Энергия, 1980.
3. Л. Г.Гассанов и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М. РиС, 1988.
4. Н.Н.Буга и др. Радиоприемные устройства. М. РиС, 1986.
5. А. Г. Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. РиС, 1989.
Формула изобретения: Устройство для измерения частоты, содержащее подключенные параллельно к входу устройства интегрирующую и дифференцирующую RC-цепи, к выходам которых подключены два амплитудных детектора, выходы которых подключены к входам функционального делителя, отличающееся тем, что в него введены генератор переменного напряжения и последовательно соединенные сумматор, генератор с резонатором на железо-иттриевом гранате, фазовый детектор, третий амплитудный детектор, синхронный детектор и усилитель, причем выходы функционального делителя, усилителя и генератора переменного напряжения соединены с входами сумматора, второй вход фазового детектора соединен с входом устройства, управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом генератора переменного напряжения, а вход генератора с резонатором на железо-итриевом гранате является выходом устройства.