DE2825660C2

DE2825660C2 - Vorrichtung zur Frequenzmessung

Info

Publication number: DE2825660C2
Application number: DE2825660A
Authority: DE
Inventors: Luiz Peregrino; Darwin Harold Cupertino Calif. Throne
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1977-07-15
Filing date: 1978-06-12
Publication date: 1984-06-07
Also published as: US4135243A; JPS5420768A; JPS5836310B2; DE2825660A1

Description

Λ = I ΓRUNDUNG

wobei f\ die erste Festfrequenz, /j die zweite Festfrequenz, /}fi die Zwischenfrequenz bei der ersten Festfrequenz, fiF2 die Zwischenfrequenz bei der zweiten Festfrequenz und RUNDUT-.G die dem Quotienten nächstliegende ganze Zahl bedeuten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß für eine vorbestimmte Zeitdauer nur das Signal der ersten Festfrequenz (f\) dem Oberwellen-Samplingmischer (115) als Umsetzsignal zugeführt wird, daß die FreqrenzfZ/Fo) des so entstehenden Zwischenfrequenzsignals bestimmt wird und daß die unbekannte Frequenz (Q entsprechend der Gleichung bestimmt wird:

t ΐ ηΤΤΚΐΤΛΪT'lTf //PI JIF2/ Ij* j* I

χ — I I Λ 1//YLOiVl/ "■* " I J] —JlFOi

L /l -fi J

wobei f\ die erste Festfrequenz, h die zweite Festfrequenz, fin die Zwischenfrequenz bei der ersten Festfrequenz, fiF2 die Zwischenfrequenz bei der zweiten Festfrequenz und RUNDUNG die dem Quotienten nächstliegende ganze Zahl bedeuten.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Frequenzmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus US-PS 39 32 814 ist eine Frequenzmeßeinrichtung bekannt, bei welcher das Eingangssignal der zu bestimmenden Frequenz in einem Oberwellen-Sampling-Mischer (Abtaster) mit einem Umsetzsignal gemischt wird, um Zwischenfrequenzsignale zu erzeugen. Die Frequenz des Umsetzsignals wird über einen bestimmten* Frequenzbereich linear durchgefahren und von einem Detektor wird dabei das Auftreten von Zwischenfrequenzsignalen einer vorbestimmten Frequenz festgestellt. Aus der Zeitspanne zwischen dem hintereinanderfolgenden Auftreten dieser Zwischenfrequenzsignale während des Durchfahrens der Frequenz kann die Ordnungszahl der Harmonischen und aus der Richtung des Durchfahrens das Vorzeichen des Seitenbandes bestimmt werden. Aus der Ordnungszahl, dem Vorzeichen, der Zwirchenfrequenz und der jeweiligen Frequenz des Umsetzsignals kann die Frequenz des Eingangssignals berechnet werden. Nachteilig bei dieser Frequenzmeß· einrichtung ist neben dem großen Schaltungsaufwand, daß eine Frequenzmodulation oder Frequenzdrift des Eingangssignals während der Zeit, in der die Frequenz des Umsetzsignals durchgefahren wird, zu Fehlern in der Besiimmung der Ordnungszahl und des Vorzeichens des Seitenbandes führen kann.

Aus US-PS 39 84 770 ist eine Frequenzmeßeinrichtung bekannt, bei welcher das Eingangssignal der unbekannten Frequenz alternierend mit Umsetzsignalen zweier verschiedener im voraus gewählter Frequenzen gemischt wird. Aus den Zwischenfrequenzen und den Umsetzfrequenzen wird unter interner Ermittlung der Oberwellenordnungszahl und des Vorzeichens des Seitenbandes die unbekannte Eingangsfrequenz berechnet. Das Umschalten zwischen den beiden Umsetzsignalen unterschiedlicher Frequenz erfolgt dabei jeweils zu den Zeitpunkten, zu denen die beiden Signale in Phase sind. Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist es, daß zwischen der Zeit, zu der das Signal der ersten Frequenz zum Mischen bzw. Abtasten verwendet wird, und der Zeit, zu der das Signal der zweiten Frequenz verwendet wird, sich die Eingangsfrequenz aufgrund von Frequenzmodulation oder Frequenzdrift ändern kann, so daß Fehler in der Berechnung der Ordnungszahl der Harmonisehen und des Seitenbandes und somit bei der Bestimmung der Frequenz des Eingangssignals auftreten können. Ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff liegt der Erfindung gegenüber dem erläuterten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Frequenzmessung zu schaffen, die auch bei

frequenzmodulierten Eingangssignalen eine genauere Bestimmung der Ordnungszahl der Harmonischen und des Seitenbandes und damit eine präzisere Frequenzmessung ermöglicht.

Bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch das Kennzeichen von Anspruch 1.

Erfindungsgemäß wird die Frequenz des dem Abtaster zugeführten Umsetzsignals durch eine Steuereinrichtung in unregelmäßiger oder zufälliger Weise variiert. Das Zwischenfrequenzausgangssignal des Abtasters wird einer Zählereinrichtung zugeführt, welche die Frequenz synchron mit dem von der Steuereinrichtung abgegebenen Steuersignal zählt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach Anspruch 2 wird das Zwischenfrequenzsignal mit dem Steuersignal korreliert, so daß eine etwaige Frequenzmodulation des Eingangssignals bei der Frequenzmessung herausfällt. Gemäß weiterer Unteransprüche wird das Umsetzsignal durch zufälliges Umschalten zwischen zwei mit jeweils festen Frequenzen schwingenden Oszillatoren erzeugt und die jeweils entstehende_ Zwischenfrequenz von jeweils einem Zähler gemessen. Bei beiden Ausführungsbeispielen werden unter "Verwendung des Zwischenfreqaenzwertes die Ordnungszahl A/der Harmonischen und das Vorzeichen des Seitenbandes bestimmt und daraus die Frequenz des Eingangssignals berechnet Die Zwischenfrequenz ändert sich bis auf einen Maßstabsfaktor in der gleichen Weise wie die Umsetzfrequenz. Dieser Maßstabsfaktor ist gleich der Ordnungszahl der Harmonischen.

Falls sich die Frequenz des Eingangssignals aufgrund von Modulation oder Drift ändert, wird die Wirkung dieser Änderung auf die Meßgenauiglceit durch Benutzen des zufällig in seiner Frequenz veränderlichen Umsetzsignals und die Anwendung des Korrelationsverfahrens bzw. durch Benutzen zweier Frequenzzähler unterdrückt

Im folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellt dar

F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung mit einem einzigen Abtaster, der durch eine vorbestimmte Pseudo-Zufalls-Folge von Signalen bei der Frequenzmessung gesteuert wird,

F i g. 2 ein Blockdiagramm eines Systems mit einem einzigen Abtaster, welcher zwei Frequenzzähler und zwei verschiedene Umsetzfrequenzen verwendet

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Frequenzmessung mit einem einzigen Sampling-Mischer. Auf einer Eingangsleitung 110 erhält der abtastende harmonische Mischer 115 Eingangssignale mit einer unbekannten Frequenz f_t. Ein bezüglich der Frequenz gesteuerter Oszillator 120 gibt auf einer Leitung 118 Umsetzsignale ab. Die Frequenz der Signale auf der Leitung 118 ändert sich proportional den Signalen auf einer Leitung 125, die von einem Signalgenerator 130 stammen. Der Signalgenerator 130 gibt ein exakt zufälliges oder pseudo-zufälliges Signal auf einer Leitung 125. Die Fiequenz //rdes Signals auf der Leitung 116 ändert sich entsprechend dem Signal auf der Leitung 118. Die Zwischenfrequenzveränderung ist über einen Faktor mit der Ordnungszahl der Harmonischen, d. h. ± N, verknüpft.

Es gilt:

k=f₀+Af₀(I)
und

L = I+Af4t)

wobei T₀ der Durchschnittswert der Oszillatorfrequenz des Signals auf der Leitung 118, Λ der Durchschnittswert der Frequenz des Eingangssignals, Af₀(O die Änderung der Oszillatorfrequenz entsprechend dem zufälligen Signal auf der Leitung 125 und AL(t)d\e eventuelle Änderung in der Frequenz des Eingangssignals ist. Für das obere und das untere Seitenband gilt dann:

45 Uf₀ = Uf+Af_ui0=l+Ah(I)-^-NAf₀(O (la)

Ur₁₁=Ur+AW)-Nh+ NAf₀(I)- f\-AfJ(I) (Ib) '

-NAf₀(V+Af_x(O (2a) so

Durch Berechnung der Kreuzkorrelation zwischen der zujefü'.inen Frequenzvariation Af₀(OmW dem resultierenden Wert von Afir(0 ergibt sich

C= -N ■ KOn(Af₀(O-Af₀(O)+ Kon(Af₀(O-AL(O) (3a)

C= + N ■ Kon (Af₀(O. Af₀(O)- Ken (Af₀(O. AL(O) (3b)

Wenn Af₀(I) unabhängig oder unkorrclieri gegenüber AU(i) ist, dann kann der letzte Ausdruck in den Gleichungen für C vernachlässigbar klein gemacht und eliminiert werden. Dieses kann erfolgen durch Vervendung einer zufälligen Änderung der Frequenz f₀.

Definiert man R = Korr(Af₀(I), Af₀(I)) und eliminiert man den letzten Ausdruck, so ergibt sich für N:

N= RUNDUNG(\C]/ R)
dabei bedeutet RUNDUNG d'\c nächstcganzc Zahl zum exakt berechneten Wert.

Eine Vieldeutigkeit bei der Bestimmung der Ordnungszahl N der Harmonischen scheidet bei diesem Vorgehen aus. Außerdem gibt das Vorzeichen von /Van, welches Seitenband vorliegt.

Der Abtaster 115 gibt auf einer Leitung 116 ein Zwischenfrequenzsignal ab, dessen Frequenz durch die Frequenz des Eingangssignals auf einer Leitung 110 und die Frequenz des Umsetzsignals auf der Leitung 118 bestimmt ist. Nach Verstärken und Filtern durch den Zwischenfrequenzverstärker 135 liegt auf einer Leitung 137 das Zwischenfrequenzausgangssignal an.

Ein dem Oszillator 120 auf einer Leitung 121 zugeführles Abstimmsignal wird so eingestellt, daß das Ausgangssignal des Zwischenfrequenzverstärkers auf der Leitung 137 ungefähr in der Mitte des Durchlaßbands des Zwischenfrequenzverstärkers liegt, wenn ein sollfrequentes Eingangssignal auf der Leitung 110 auftritt. Der

to Signalgenerator 130 gibt ein zufälliges oder pseudo-zufiilliges Steuersignal auf der Leitung 125 ab. welches bewirkt, daß der in seiner Frequenz einstellbare Oszillator 120 das Umsetzsignal auf der Leitung 118 in zufälliger oder pseudo-zufälliger Weise ändert. Bei Erscheinen eines ZF-Signals wird das Logikglied 140 durch das Steuersignal auf der Leitung 131 aufgetastet und die Zwischenfrequenz des Signals auf der Leitung 137 durch einen Zähler 145 gemessen. Das zufällige oder pseudo-zufällige Signal auf der Leitung 125 vom Signalgenerator 130 wird als ein Eingangssignal in einem Korrelator 150 mit dem Zwischcnfrequenzausgangssignal auf der Leitung 137 als zweitem Eingangssignal korreliert. Da die Zwischenfrequenz auf der Leitung 137 sich bis auf einen Maßstabsfaktor von ± N in der gleichen Weise wie das Signal auf der Leitung 118 ändert, kann man aus dem Signal auf der Leitung 151 sowohl die Ordnungszahl der Harmonischen als auch das jeweils relevante Seitenband in der beschriebenen Weise besiimmen. Die Rechen und Anzcigcschsiiungcn 160 berechnen dann Λ aus der Ordnungszahl der Harmonischen und der Seitenbandinformalion des Signals auf der Leitung 151 und aus der vom Zähler 145 gemessenen Zwischenfrequenz gemäß den Gleichungen:

In Fig. 2 ist eine Abwandlung der Grundschaltung gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Schaltung gemäß Fig. 2 verwendet zwei Frequenzzähler als Ersatz des !"Correlators 150. Ans! tue der zufälligen Veränderung des Signals auf der Leitung 118 über einen Frequenzbereich, wird dieses zwischen zwei unterschiedlichen festen Frequenzen /ι und f₂ in zufälliger oder pseudo-zufälliger Weise umgeschaltet. Die Zwischenfrequenz auf der Leitung 137 wird dann synchron abgetastet und durch Frequenzzähler 201 und 202 gemessen. Wie in dem Meßsystem gemäß Fig. 1 steuert ein Meßsteuersignal auf der Leitung 131 das Zählen der Zwischenfrequenz. A-us den bekannten Werten für /Ί und h und aus den von den Zählern 201 bzw. 202 gemessenen Werten für fc\ bzw. fci kann Λ berechnet werden gemäß der Gleichung:

Λ = I [rundung ] /. -

Falls eine größere Genauigkeit gewünscht ist, kann eine zusätzliche Messung vorgenommen werden. Weil die Zwischenfrequenzsignale zwischen den Zeitpunkten zerhackt werden, zu denen der Frequenzzähler 201 bzw. der Frequenzzähler 202 betätigt sind, ergibt sich bei jedem Umschalten der Zähler ein Fehler von + 1. Dieser Fehler kann kumulativ sein und wird nicht notwendigerweise in jedem Fall ausgelöscht. Nachdem fc\ und fc2 unter Verwendung der Frequenzzähler 201 und 202 bestimmt worden sind, kann das Zufalls-Steuersignal auf der Leitung 125 beendet werden und bewirkt werden, daß die Frequenz U während einer vorbestimmten Periode zur Leitung 118 weitergeschaltet wird. Während dieser Zeitdauer kann entweder der Zähler 201 oder der Zähler 202 betätigt werden, um die Zwischenfrequenz fco zu zählen. Bei der Ytrvsndung ; dieses Verfahrens wird eine genauere Zwischenfrequenz erhalten, da keine Kumulation der genannten Zählfehler auftritt. Die Frequenz Γ, wird dann folgendermaßen berechnet:

RUNDUNG

Um -fm) fx-Ji

Das Ergebnis der Teilung von (fc\—fcji durch (f\—fi) ergibt die Ordnungszahl der Harmonischen. Ein bei der Bestimmung der Ordnungszahl eventuell auftretender Fehler, beispielsweise infolge einer nicht vollständigen Ausschaltung des Einflusses einer Frequenzmodulation des Eingangssignals, stört die Genauigkeit der Messung in der Regel nicht, da die Ordnungszahl der Harmonischen stets eine ganze Zahl ist. Daher wird der berechnete Wert einfach auf die nächste ganze Zahl gerundet, und der kleine möglicherweise vorliegende Fehler bleibt ohne Auswirkung auf die Berechnung von /,.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Vorrichtung zur Frequenzmessung mit einem Oberwellen-Sampling-Mischer, dem das Signal unbekannter Frequenz (f_x) sowie ein durch eine Steuereinrichtung frequenzgesteuertes Umsetzsignal (fo) zugeführt wird und welcher Zwischenfrequenzsignale erzeugt die nach Bandfilterung auf ein Signal einer bestimmten Oberwellenordnungszahl bezüglich der Umsetzfrequenz begrenzt sind, und wobei eine wenigstens einen Digitalzähler enthaltende Rechenschaltung vorhanden ist die die zu messende Frequenz unter interner Ermittlung der Oberwellenordnungszahl und unter Benutzung der Zwischenfrequenz berechnet d a ιί u r c h gekennzeichnet, daß die Frequenzsteuerung durch einen Zufallsgenerator (130) erfolgt, entsprechend

ίο dessen Ausgangssignal (125) das Umsetzsignal (fo, 118) in seiner Frequenz variiert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Korrelatorschaltung(150),die die Oberwellenordnungszahl aus der Kreuzkorrelation der Frequenzänderung des Zwischenfrequenzsignals (116) und dem Ausgangssignal (125) des Zufallsgenerators (130) ermittelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (125) des Zufallsgenerators (130) ein digitales Zufallssignal ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß dem Oberwellen-Samplingmischer (115) entsprechend den logischen Zuständen des digitalen Zufallssignals (125) abwechselnd ein Signal einer ersten (f\) und einer zweiten (fi) Festfrequenz zugeführt wird und mit Hilfe jeweils eines digitalen Zählers (201 -bzw. 202) die Zwischenfrequenz (7//Γ, bzw.///T₂) bei der ersten bzw. bei der zweiten Festfrequenz bestimmt wird.
5. Vorriehiung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung so ausgelegt ist, daß die unbekannte Frequenz (7»y entsprechend der Gleichung bestimmt wird: