RU2617172C1 - Precision digital cymometer - Google Patents

Precision digital cymometer Download PDF

Info

Publication number
RU2617172C1
RU2617172C1 RU2016100340A RU2016100340A RU2617172C1 RU 2617172 C1 RU2617172 C1 RU 2617172C1 RU 2016100340 A RU2016100340 A RU 2016100340A RU 2016100340 A RU2016100340 A RU 2016100340A RU 2617172 C1 RU2617172 C1 RU 2617172C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
input
output
microcontroller
phase detector
Prior art date
Application number
RU2016100340A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Анатольевич Кузякин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2016100340A priority Critical patent/RU2617172C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2617172C1 publication Critical patent/RU2617172C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/02Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage

Landscapes

  • Measuring Phase Differences (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: proposed digital counter comprising an input square wave generator, a phase detector, the standard frequency generator according to the invention comprises a frequency comparator, a synthesizer provided with square wave generator, an analog-digital converter, a microcontroller and data processing unit, the display and control.
EFFECT: improved accuracy.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения частоты сигналов, отклонений частоты и фазы от номинального значения, временных интервалов, а также для получения статистических параметров, характеризующих стабильность частоты за различные периоды времени.The invention relates to measuring equipment and can be used in radio engineering, electrical engineering, metrology and other industries for precision measurement of signal frequency, frequency and phase deviations from the nominal value, time intervals, as well as to obtain statistical parameters characterizing frequency stability over different time periods.

Известно достаточно большое количество цифровых частотомеров различных конструкций, в основу работы которых положен подсчет импульсов, возникающих в эталонный интервал времени. Такие частотомеры обладают низкой точностью при малых (не более секунды) эталонных интервалах времени и, кроме того, характеризуются наличием периода времени, называемого «мертвым», как, например, цифровой частотомер, содержащий порт приема импульса измерительного периода, порт приема образцового сигнала, схему синхронизации, счетчик, регистр чтения [Патент США №4984254].A fairly large number of digital frequency meters of various designs are known, the operation of which is based on the counting of pulses arising in the reference time interval. Such frequency meters have low accuracy at small (not more than a second) reference time intervals and, in addition, are characterized by the presence of a period of time called “dead”, such as a digital frequency meter containing a port for receiving a pulse of the measuring period, a port for receiving a reference signal, a circuit synchronization, counter, read register [US Patent No. 4984254].

Известен цифровой частотомер, включающий порт приема входного сигнала, преобразующий входной сигнал в последовательность счетных импульсов, первый счетчик, снабженный первым регистром чтения, порт приема импульса измерительного периода и первую схему синхронизации, через которую выход порта приема импульса измерительного периода соединен с входом управления первым регистром чтения, также он содержит образцовый генератор, формирующий образцовые импульсы, второй счетчик, снабженный вторым регистром чтения, средство обработки и индикации, а также инвертор и вторую схему синхронизации, при этом порт приема входного сигнала соединен через вторую схему синхронизации с тактовым входом первого счетчика, образцовый генератор соединен с тактовым входом второго счетчика, с тактовым входом второй схемы синхронизации и через инвертор с тактовым входом первой схемы синхронизации, вход управления вторым регистром чтения соединен с выходом первой схемы синхронизации, а выходы каждого счетчика соединены через соответствующие им регистры чтения со средством обработки и индикации [Патент РФ №2210785]. В этом частотомере введена сложная схема: второй формирователь импульса ошибки, второй канал измерения длительности и схема селекции несовпадения. Недостатком этого частотомера является сложность его конструкции.A digital frequency meter is known, including an input signal receiving port that converts an input signal into a sequence of counting pulses, a first counter equipped with a first reading register, a pulse receiving port for the measuring period and a first synchronization circuit through which the output of the pulse receiving port for the measuring period is connected to the control input of the first register reading device, it also contains an exemplary generator that generates exemplary pulses, a second counter equipped with a second reading register, a processing means and an indicator In addition, the inverter and the second synchronization circuit, while the input signal receiving port is connected through the second synchronization circuit to the clock input of the first counter, the reference generator is connected to the clock input of the second counter, with the clock input of the second synchronization circuit and through the inverter with the clock input of the first circuit synchronization, the control input of the second read register is connected to the output of the first synchronization circuit, and the outputs of each counter are connected through their respective read registers with the processing means and indicator and [RF patent №2210785]. A complex circuit has been introduced in this frequency meter: a second error pulse shaper, a second duration measurement channel, and a mismatch selection circuit. The disadvantage of this frequency meter is the complexity of its design.

Известен приемник-компаратор с фазовым детектором, включающий приемное устройство, фазометрическую систему и образцовый генератор [Справочник по радиоизмерительным приборам. Под ред. B.C. Насонова, Том 2 "Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы" – М.: Советское радио, 1977. - стр. 9, рис. 1.5]. Этот приемник-компаратор позволяет получать очень узкую полосу пропускания системы и высокое отношение сигнал/шум на выходе. Неопределенность знака отклонения частоты, очень узкий рабочий диапазон частот и большое время измерения являются его недостатками.Known receiver-comparator with a phase detector, including a receiving device, a phase measuring system and a reference generator [Handbook of radio measuring instruments. Ed. B.C. Nasonova, Volume 2 "Measurement of frequency, time and power. Measuring generators" - M.: Soviet radio, 1977. - page 9, Fig. 1.5]. This comparator receiver allows you to get a very narrow system bandwidth and high output signal-to-noise ratio. The uncertainty of the sign of the frequency deviation, the very narrow operating frequency range and the long measurement time are its disadvantages.

Наиболее близкими к заявленному техническому решению является частотомер, содержащий замкнутую систему авторегулирования, в которую входят фазовый детектор, генератор образцовой частоты, двоичный реверсивный счетчик, состояние выходов которого является двоичным представлением результата измерения, двоичный счетчик с управляемым коэффициентом деления [Патент США №4144489], который принят за прототип изобретения.Closest to the claimed technical solution is a frequency meter containing a closed auto-control system, which includes a phase detector, a reference frequency generator, a binary reversible counter, the state of the outputs of which is a binary representation of the measurement result, a binary counter with a controlled division ratio [US Patent No. 4,144,489], which is taken as a prototype of the invention.

Частотомер, принятый за прототип, состоит из полностью цифровой замкнутой системы пропорционального регулирования с цифровым интегратором на двоичном реверсивном счетчике. На вход системы подается сигнал неизвестной частоты. Элементом сравнения является фазовый детектор. Выходные сигналы фазового детектора управляют состоянием реверсивного счетчика так, чтобы убрать различие в частоте между неизвестным сигналом и сигналом, полученным с выхода двоичного счетчика с управляемым коэффициентом деления. В свою очередь, двоичный параллельный код с выхода реверсивного счетчика поступает на выход как результат измерения и одновременно подается на управляющие входы счетчика с управляемым коэффициентом деления, изменяя тем самым его выходную частоту, а система регулирования постоянно приближает ее к входной неизвестной частоте. Зная коэффициент деления двоичного счетчика с управляемым коэффициентом деления и значение опорной частоты, легко получить значение его выходной частоты, а если система регулирования сравняла эти частоты, то на выходе получено условное значение входной неизвестной частоты.The frequency counter adopted for the prototype consists of a fully digital closed-loop proportional control system with a digital integrator on a binary counter counter. An unknown frequency signal is input to the system. The element of comparison is a phase detector. The output signals of the phase detector control the state of the reversible counter so as to remove the difference in frequency between the unknown signal and the signal received from the output of the binary counter with a controlled division ratio. In turn, the binary parallel code from the output of the reversible counter is output as a measurement result and is simultaneously applied to the control inputs of the counter with a controlled division coefficient, thereby changing its output frequency, and the control system constantly brings it closer to the input unknown frequency. Knowing the division coefficient of a binary counter with a controlled division coefficient and the value of the reference frequency, it is easy to obtain the value of its output frequency, and if the control system has equalized these frequencies, then the conditional value of the input unknown frequency is obtained at the output.

Прототип имеет следующие недостатки:The prototype has the following disadvantages:

- использование в работе исключительно фазового детектора с последующим фильтром нижних частот, что обуславливает его работу в сравнительно узком диапазоне входных частот (менее половины октавы) и полную непригодность как частотомера в широком диапазоне входных частот из-за наличия фильтра низких частот на выходе фазового детектора;- the use in the work exclusively of a phase detector followed by a low-pass filter, which leads to its operation in a relatively narrow range of input frequencies (less than half an octave) and complete unsuitability as a frequency meter in a wide range of input frequencies due to the presence of a low-pass filter at the output of the phase detector;

- наличие пропорциональной сигналу ошибки отрицательной обратной связи мешает быстродействию при высокой точности, в результате чего необходимо выбирать меньшую точность при высоком быстродействии или, наоборот, низкое быстродействие при большей точности;- the presence of a negative feedback error proportional to the signal interferes with speed with high accuracy, as a result of which it is necessary to choose lower accuracy with high speed or, conversely, low speed with higher accuracy;

- наличие единственного источника сигнала ошибки - фазового детектора - исключает возможность работы в октавном диапазоне и более, так как может привести к ошибке в несколько раз.- the presence of a single source of an error signal - a phase detector - excludes the possibility of working in the octave range or more, since it can lead to an error several times.

Заявляемое изобретение решает задачу создания цифрового частотомера, имеющего повышенную точностью измерений и сокращенное время измерения, а также работающего в октавном и более диапазоне частот.The claimed invention solves the problem of creating a digital frequency meter having improved measurement accuracy and reduced measurement time, as well as operating in an octave or more frequency range.

Поставленная задача решается тем, что предлагается цифровой частотомер, включающий входной формирователь прямоугольных сигналов, фазовый детектор, генератор образцовой частоты, блок обработки информации, индикации и управления, который содержит также частотный компаратор, синтезатор, снабженный формирователем прямоугольных сигналов, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, причем входом частотомера является вход входного формирователя прямоугольных сигналов, а выход названного формирователя соединен с первым входом частотного компаратора и первым входом фазового детектора, названный частотный компаратор имеет два выхода, соединенных с первым и вторым входами микроконтроллера, синтезатор соединен своим выходом с входом формирователя прямоугольных сигналов синтезатора, а первым своим входом он соединен с первым выходом микроконтроллера, а вторым своим входом - с первым выходом генератора образцовой частоты, названный генератор образцовой частоты вторым своим выходом связан с третьим входом микроконтроллера, а названный микроконтроллер вторым своим выходом соединен с входом средства обработки управления и индикации, при этом выход формирователя прямоугольных сигналов синтезатора связан со вторыми входами частотного компаратора и фазового детектора, а выход фазового детектора связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, а выход блока обработки информации, индикации и управления связан с пятым входом микроконтроллера.The problem is solved by the fact that a digital frequency meter is proposed, including an input driver of rectangular signals, a phase detector, a model of a frequency generator, an information processing, indication and control unit, which also contains a frequency comparator, a synthesizer equipped with a driver of rectangular signals, an analog-to-digital converter and a microcontroller moreover, the input of the frequency meter is the input of the input driver of rectangular signals, and the output of the named driver is connected to the first input of the frequency comparator and the first input of the phase detector, the frequency comparator has two outputs connected to the first and second inputs of the microcontroller, the synthesizer is connected by its output to the input of the shaper of the rectangular signals of the synthesizer, and its first input is connected to the first output of the microcontroller, and its second input is with the first output of the reference frequency generator, called the reference frequency generator with its second output connected to the third input of the microcontroller, and the named microcontroller as its second the output is connected to the input of the control and indication processing means, while the output of the synthesizer rectangular signal generator is connected to the second inputs of the frequency comparator and the phase detector, and the output of the phase detector is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of which is connected to the fourth input of the microcontroller, and the output of the unit information processing, indication and control is connected to the fifth input of the microcontroller.

Блоком обработки информации, индикации и управления может являться ЭВМ.The information processing, display and control unit may be a computer.

Предлагаемый частотомер изображен на фиг. 1 , где: 1 - входной формирователь прямоугольных сигналов, 2 - частотный компаратор, 3 - формирователь прямоугольных сигналов синтезатора, 4 - синтезатор, 5 - фазовый детектор, 6 - генератор образцовой частоты, 7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 8 - микроконтроллер, 9 - блок обработки информации, индикации и управления.The proposed frequency meter is shown in FIG. 1, where: 1 - input driver of rectangular signals, 2 - frequency comparator, 3 - driver of rectangular signals of the synthesizer, 4 - synthesizer, 5 - phase detector, 6 - generator of reference frequency, 7 - analog-to-digital converter (ADC), 8 - microcontroller, 9 - information processing, display and control unit.

На фиг. 2а и 2б показано соответственно выходное напряжение фазового детектора и выходное напряжение частотного компаратора при несовпадении частот на одной временной оси.In FIG. 2a and 2b respectively show the output voltage of the phase detector and the output voltage of the frequency comparator when the frequencies do not match on one time axis.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На вход формирователя прямоугольных сигналов 1 поступает неизвестная частота Fx. Входной формирователь 1 из входного сигнала формирует прямоугольные импульсы той же частоты. Обычно это меандр. Прямоугольные импульсы далее поступают на первый вход частотного компаратора 2 и параллельно на первый вход фазового детектора 5, также параллельно на вторые входы частотного компаратора 2 и фазового детектора 5 поступают прямоугольные импульсы с выхода формирователя прямоугольных сигналов синтезатора 3, на вход которого подается сигнал с выхода синтезатора 4 с выходной частотой Fs (обычно меандр). С выхода "больше" и выхода "меньше" частотного компаратора 2 соответствующие сигналы сравнения, определяющие знак разности частот Fx и Fs, поступают на микроконтроллер 8. С выхода фазового детектора 5 аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 7 и также поступает на микроконтроллер 8. Необходимо отметить, что на вход синтезатора 4 подается сигнал образцовой частоты F с генератора образцовой частоты 6, а управление синтезатором производится тем же микроконтроллером 8. Кроме того, на микроконтроллер 8 подается эталонная частота для синхронизации таймеров, участвующих в формировании временных меток, необходимых для расчета поправки к частоте синтезатора для вычисления истинного значения частоты. Блок обработки информации, индикации и управления 9 совместно с микроконтроллером 8 обеспечивает оперативное управление работой частотомера, организует получение данных от аналого-цифрового преобразователя и частотного компаратора, обработку полученных данных и индикацию результатов, полученных в ходе проведенных измерений и вычислений, в наиболее удобном виде. Также в блоке обработки информации, индикации и управления 9 производится вычисление суммарного значения частоты - значения частоты синтезатора и значения поправки частоты, полученной в результате вычисления (приращение фазы за измеряемый период, деленное на значение временного интервала измерения).The input of the shaper of rectangular signals 1 receives an unknown frequency Fx. The input driver 1 from the input signal generates rectangular pulses of the same frequency. This is usually a meander. Rectangular pulses are then fed to the first input of the frequency comparator 2 and parallel to the first input of the phase detector 5, also parallel to the second inputs of the frequency comparator 2 and phase detector 5 are rectangular pulses from the output of the square-wave generator of synthesizer 3, the input of which is fed from the output of the synthesizer 4 with an output frequency of Fs (usually a meander). From the output “more” and the output “less” of the frequency comparator 2, the corresponding comparison signals determining the sign of the frequency difference Fx and Fs are fed to the microcontroller 8. From the output of the phase detector 5, the analog signal is converted to digital form in analog-to-digital converter 7 and also received to the microcontroller 8. It should be noted that the signal of the reference frequency F from the generator of the reference frequency 6 is supplied to the input of the synthesizer 4, and the synthesizer is controlled by the same microcontroller 8. In addition, the microcontroller 8 tsya reference frequency to synchronize the timers involved in the formation of timestamps needed to calculate the corrections to the synthesizer frequency to calculate the frequency of the true value. The information processing, display and control unit 9 together with the microcontroller 8 provides operational control of the frequency meter operation, organizes the receipt of data from the analog-to-digital converter and the frequency comparator, the processing of the received data and the indication of the results obtained during the measurements and calculations in the most convenient form. Also, in the information processing, display and control unit 9, the total frequency value is calculated — the synthesizer frequency value and the frequency correction value obtained as a result of the calculation (phase increment for the measured period divided by the value of the measurement time interval).

Микроконтроллер 8 служит для управления процессом измерения в реальном масштабе времени.The microcontroller 8 is used to control the measurement process in real time.

Если входной сигнал выходит за пределы рабочих частот частотного компаратора и фазового детектора, а также частот, формируемых синтезатором, необходимо либо поделить один из сигналов, либо сдвинуть его по частоте в рабочую область - сделать так, чтобы входная частота Fx находилась в диапазоне частот, перекрываемом синтезатором, частотным компаратором и фазовым детектором.If the input signal goes beyond the operating frequencies of the frequency comparator and the phase detector, as well as the frequencies generated by the synthesizer, you must either divide one of the signals or shift it in frequency to the work area - so that the input frequency Fx is in the frequency range covered by synthesizer, frequency comparator and phase detector.

В исходном состоянии значение частоты на выходе синтезатора устанавливается в середину измеряемого диапазона частот. Параллельно частотному компаратору 2 включен фазовый детектор 5. Частотный компаратор 2 формирует прямоугольные импульсы при проходе разности фаз сравниваемых сигналов через 0 градусов и через 180 градусов, либо на выходе "больше", либо на выходе "меньше", в зависимости от знака разности сравниваемых частот. Частота этих импульсов равна удвоенной разности сравниваемых частот. В промежутке между этими импульсами на этих выходах напряжение равно "0", что соответствует знаку "равно" (фиг. 2б).In the initial state, the frequency value at the output of the synthesizer is set in the middle of the measured frequency range. In parallel with the frequency comparator 2, a phase detector 5 is turned on. Frequency comparator 2 generates rectangular pulses when the phase difference of the compared signals passes through 0 degrees and through 180 degrees, either at the output “more” or at the output “less”, depending on the sign of the difference of the compared frequencies . The frequency of these pulses is equal to twice the difference of the compared frequencies. In the interval between these pulses, the voltage at these outputs is “0”, which corresponds to the “equal” sign (Fig. 2b).

Фазовый детектор 6 формирует пилообразное напряжение в промежутке между импульсами на выходе частотного компаратора 2, и оно соответствует мгновенной разности фаз между сравниваемыми сигналами (фиг. 2а).The phase detector 6 generates a sawtooth voltage in the interval between pulses at the output of the frequency comparator 2, and it corresponds to the instantaneous phase difference between the compared signals (Fig. 2A).

Микроконтроллер 8 через аналого-цифровой преобразователь 7 последовательно производит несколько чтений значений напряжения на выходе фазового детектора 5 для быстрой оценки величины разности частот Fx (неизвестная частота) и Fs (частота, синтезированная из опорной частоты). Если микроконтроллер 8 успевает несколько раз прочитать из аналого-цифрового преобразователя 7 значения напряжений на выходе фазового детектора 5 (при отсутствии сигналов "больше" и "меньше"), то можно произвести оценку разности частот (без знания знака разности частот). Зная разность двух или нескольких усредненных последовательно считанных отсчетов фазы (dФ) и величину временного интервала между чтениями этих значений (dt), можно рассчитать величину разности частот Fx и Fs.The microcontroller 8 through the analog-to-digital Converter 7 sequentially performs several readings of the voltage values at the output of the phase detector 5 to quickly assess the magnitude of the difference in frequencies Fx (unknown frequency) and Fs (frequency synthesized from the reference frequency). If the microcontroller 8 manages to read several times from the analog-to-digital converter 7 the voltage values at the output of the phase detector 5 (in the absence of signals “more” and “less”), then you can evaluate the frequency difference (without knowing the sign of the frequency difference). Knowing the difference of two or several averaged sequentially read phase readings (dF) and the value of the time interval between readings of these values (dt), we can calculate the magnitude of the frequency difference Fx and Fs.

Получив значение разности двух частот, можно изменить частоту на выходе синтезатора, к примеру, на половину этой разности, произвольно в ту или иную сторону, вновь определить наклон пилы на выходе фазового детектора 5 и, соответственно, величину разности в значениях частот Fx и Fs.Having received the difference value of two frequencies, you can change the frequency at the output of the synthesizer, for example, by half this difference, arbitrarily in one direction or another, again determine the slope of the saw at the output of the phase detector 5 and, accordingly, the difference in the values of the frequencies Fx and Fs.

Далее возможно получение разных результатов.Further, it is possible to obtain different results.

Если крутизна пилы на выходе фазового детектора уменьшилась (теоретически - в два раза), значит, произошел сдвиг по частоте в нужном направлении, и теперь известно, в каком направлении и как далеко от неизвестной частоты находится синтезатор и сама величина разности.If the steepness of the saw at the output of the phase detector has decreased (theoretically - by half), then there has been a frequency shift in the desired direction, and now it is known in which direction and how far from the unknown frequency the synthesizer and the difference itself are located.

Если произошло движение в противоположном направлении от неизвестной частоты (крутизна пилы на выходе фазового детектора увеличилась, или аналого-цифровой преобразователь не успевает провести измерения, и формируется сигнал с выхода частотного компаратора), то известна величина и знак разности частот. Тогда можно сразу сделать сдвиг синтезатора 4 по частоте на величину оставшейся разности в частоте и добиться минимальной разности в частоте Fx и Fs.If there was a movement in the opposite direction from an unknown frequency (the steepness of the saw at the output of the phase detector increased, or the analog-to-digital converter does not have time to measure, and a signal is generated from the output of the frequency comparator), then the magnitude and sign of the frequency difference are known. Then you can immediately make the shift of the synthesizer 4 in frequency by the amount of the remaining difference in frequency and achieve the minimum difference in frequency Fx and Fs.

Также можно последовательно приближаться синтезатором к неизвестной частоте по какому-либо закону.You can also sequentially approach the synthesizer to an unknown frequency according to some law.

Для выхода на прецизионный уровень измерений частоты необходимо еще несколько раз последовательно произвести измерения наклона пилы на выходе фазового детектора 5 и приблизиться к постоянной разности фаз между сигналами Fx и Fs, чему соответствует горизонтальное положение пилы на выходе фазового детектора или с минимальным наклоном - все определяется дискретностью изменения частоты синтезатора, временной и температурной нестабильностью, а также фазовыми шумами примененных компонентов.To reach the precision level of frequency measurements, it is necessary several more times to sequentially take measurements of the tilt of the saw at the output of the phase detector 5 and approach the constant phase difference between the signals Fx and Fs, which corresponds to the horizontal position of the saw at the output of the phase detector or with a minimum tilt - everything is determined by the discreteness changes in the frequency of the synthesizer, temporary and temperature instability, as well as phase noise of the applied components.

Здесь необходимо всегда иметь в виду, что при скачках частоты можно попасть в нерабочую зону фазового детектора и постоянно контролировать это состояние. Также постоянно надо следить за тем, чтобы результаты измерения фазовым детектором проводились на одном из склонов пилы, и если произошел переход на другой склон пилы или через него, необходимо произвести измерения заново.Here it is always necessary to keep in mind that during frequency jumps you can get into the non-working zone of the phase detector and constantly monitor this state. It is also necessary to constantly ensure that the results of measurements with a phase detector are carried out on one of the slopes of the saw, and if there is a transition to another slope of the saw or through it, it is necessary to make measurements again.

Описанный вариант работает при сравнительно небольшой разнице в частоте между сигналами Fx (неизвестный) и Fs (выход синтезатора). При большой разности в частоте микроконтроллер может не успеть сделать несколько измерений на одном наклоне пилы, тогда начинает работать частотный компаратор, формируя свои импульсы сравнения частот Fx и Fs. Это импульсы Fx больше Fs, либо импульсы Fx меньше Fs. Эти импульсы также говорят о том, что, возможно, сменился склон пилы на выходе фазового детектора и фазовые измерения необходимо начать заново.The described option works with a relatively small difference in frequency between the signals Fx (unknown) and Fs (synthesizer output). With a large difference in frequency, the microcontroller may not have time to make several measurements on one tilt of the saw, then the frequency comparator starts working, forming its own impulses for comparing the frequencies Fx and Fs. These are impulses Fx greater than Fs, or impulses Fx less than Fs. These pulses also indicate that the saw slope at the output of the phase detector may have changed and that phase measurements need to be started anew.

По этим импульсам можно однозначно принять решение о знаке разности частоты и, соответственно, изменить частоту на выходе синтезатора в сторону сигнала Fx, приблизив ее к нему, например, по методу последовательных приближений. По временной разнице в приходе этих импульсов можно оценить величину разницы частот Fx и Fs и сделать шаг в частоте в нужную сторону на эту величину, сократив тем самым время измерения. Сигналы с выхода частотного компаратора имеют более высокий приоритет, так как аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер имеют меньшее быстродействие и не успевают отработать эту разницу в частоте. Кроме того, эти импульсы говорят о том, что фазовый детектор работает в нежелательной зоне и лучше всего изменением фазы или частоты синтезатора вернуть его середину линейной характеристики. По мере приближения частоты синтезатора Fs к частоте неизвестного сигнала Fx импульсы на выходе "больше" и на выходе "меньше" становятся реже (они пропорциональны разностной частоте), а скорость изменения пилы на выходе фазового детектора все меньше и меньше, приближаясь в конце концов к горизонтальной. При этом все чаще и чаще успевает работать канал АЦП измерения фазы. На конечном участке измерений желательно проводить измерения в середине линейной области фазового детектора.Based on these pulses, one can unambiguously decide on the sign of the frequency difference and, accordingly, change the frequency at the synthesizer output towards the signal Fx, bringing it closer to it, for example, by the method of successive approximations. From the time difference in the arrival of these pulses, we can estimate the frequency difference Fx and Fs and take a step in the frequency in the right direction by this value, thereby reducing the measurement time. The signals from the output of the frequency comparator have a higher priority, since the analog-to-digital converter and microcontroller have lower speed and do not have time to work out this difference in frequency. In addition, these pulses indicate that the phase detector is operating in an undesirable zone and it is best to return the middle of the linear characteristic by changing the phase or frequency of the synthesizer. As the synthesizer frequency Fs approaches the frequency of the unknown signal Fx, the pulses at the output “more” and at the output “less” become less frequent (they are proportional to the difference frequency), and the rate of change of the saw at the output of the phase detector is less and less, eventually approaching horizontal. At the same time, the ADC channel for phase measurement has more and more time to work. At the final measurement site, it is desirable to take measurements in the middle of the linear region of the phase detector.

Реально на практике частотный компаратор 2 и фазовый детектор 5 работают последовательно. Сначала работает частотный компаратор (разница в частоте большая - до сотен мегагерц), затем фазовый детектор (разница в частоте несколько килогерц и менее, в пределе достигает величины в несколько микрогерц). По окончании измерения (достигнута предельная точность установки частоты синтезатора) изменением фазы или кратковременными изменениями частоты синтезатора устанавливается рабочая точка фазового детектора - в середину его линейной характеристики, и синтезатор фиксирует свое состояние. Теперь на выходе фазового детектора виден дрейф фазы между неизвестным сигналом и сигналом с выхода синтезатора 4, частоту которого мы знаем довольно точно. Этот дрейф фазы после прохождения через аналого-цифровой преобразователь 7 поступает на микроконтроллер 8 и далее поступает на блок обработки информации, индикации и управления 9, где после соответствующей обработки используется для наблюдения дрейфа фазы и для расчета соответствующей поправки к частоте синтезатора (на величину наклона фазового дрейфа за фиксированный интервал времени dФ/dt), так как по графику дрейфа фазы легко рассчитать поправку по частоте, равную величине изменения фазы за время измерения. Для уточнения знака поправки необходимо увеличить или уменьшить частоту синтезатора на несколько минимальных шагов синтезатора и связать отклонения частоты и фазы по знаку. Можно наблюдать так называемое "мгновенное значение частоты" (что недоступно в других цифровых частотомерах), дрейф частоты (производная фазы по времени) и, собственно, изменения самой фазы сигнала Fx.In practice, the frequency comparator 2 and the phase detector 5 operate in series. First, a frequency comparator operates (the difference in frequency is large - up to hundreds of megahertz), then a phase detector (the difference in frequency is several kilohertz or less, reaches a value of several microhertz in the limit). At the end of the measurement (the maximum accuracy of setting the frequency of the synthesizer has been achieved), by changing the phase or short-term changes in the frequency of the synthesizer, the operating point of the phase detector is established - in the middle of its linear characteristic, and the synthesizer fixes its state. Now, at the output of the phase detector, a phase drift is seen between the unknown signal and the signal from the output of synthesizer 4, the frequency of which we know quite accurately. This phase drift after passing through the analog-to-digital converter 7 is fed to the microcontroller 8 and then fed to the information processing, display and control unit 9, where after appropriate processing it is used to observe the phase drift and to calculate the corresponding correction to the synthesizer frequency (by the amount of phase drift for a fixed time interval dФ / dt), since according to the phase drift graph, it is easy to calculate the frequency correction equal to the magnitude of the phase change during the measurement. To clarify the sign of the correction, it is necessary to increase or decrease the frequency of the synthesizer by several minimal steps of the synthesizer and relate the deviations of the frequency and phase in sign. You can observe the so-called "instantaneous frequency value" (which is not available in other digital frequency meters), frequency drift (time derivative of the phase) and, in fact, changes in the phase of the Fx signal itself.

Испытания показали, что устройство обеспечивает точность измерения частоты входных сигналов за 1 с до значений лучше 1⋅10-13 (девиация Аллана), а за интервал 100 с девиация Аллана составила величину 2⋅10-15 при рабочей зоне входных частот от долей мегагерц до сотен мегагерц. В эксперименте использовался DDS синтезатор на базе микросхемы AD9912.Tests have shown that the device provides an accuracy of measuring the frequency of input signals for 1 s to values better than 1⋅10 -13 (Allan deviation), and for an interval of 100 s, Allan deviation was 2⋅10 -15 with a working area of input frequencies from fractions of megahertz to hundreds of megahertz. The experiment used a DDS synthesizer based on the AD9912 chip.

Claims (2)

1. Цифровой частотомер, включающий входной формирователь прямоугольных сигналов, фазовый детектор, генератор образцовой частоты, блок обработки информации, индикации и управления, отличающийся тем, что он содержит также частотный компаратор, синтезатор, снабженный формирователем прямоугольных сигналов, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, причем входом частотомера является вход входного формирователя прямоугольных сигналов, а выход названного формирователя соединен с первым входом частотного компаратора и первым входом фазового детектора, названный частотный компаратор имеет два выхода, соединенных с первым и вторым входами микроконтроллера, синтезатор соединен своим выходом с входом формирователя прямоугольных сигналов синтезатора, а первым своим входом он соединен с первым выходом микроконтроллера, а вторым своим входом - с первым выходом генератора образцовой частоты, названный генератор образцовой частоты вторым своим выходом связан с третьим входом микроконтроллера, а названный микроконтроллер вторым своим выходом соединен с входом средства обработки управления и индикации, при этом выход формирователя прямоугольных сигналов синтезатора связан со вторыми входами частотного компаратора и фазового детектора, а выход фазового детектора связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, а выход блока обработки информации, индикации и управления связан с пятым входом микроконтроллера.1. A digital frequency meter, including an input driver of rectangular signals, a phase detector, a model of a reference frequency, an information processing, indication and control unit, characterized in that it also includes a frequency comparator, a synthesizer equipped with a driver of rectangular signals, an analog-to-digital converter and a microcontroller, moreover, the input of the frequency counter is the input of the input driver of rectangular signals, and the output of the named driver is connected to the first input of the frequency comparator and the first input the phase detector house, called the frequency comparator, has two outputs connected to the first and second inputs of the microcontroller, the synthesizer is connected by its output to the input of the rectangular signal generator of the synthesizer, and its first input is connected to the first output of the microcontroller, and its second input to the first output of the generator reference frequency, called the reference frequency generator its second output is connected to the third input of the microcontroller, and the named microcontroller its second output is connected to the input of the means control and indication processing, while the output of the synthesizer rectangular signal generator is connected to the second inputs of the frequency comparator and the phase detector, and the output of the phase detector is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of which is connected to the fourth input of the microcontroller, and the output of the information processing and indication unit and control is connected to the fifth input of the microcontroller. 2. Цифровой частотомер по п. 1, отличающийся тем, что блоком обработки информации, индикации и управления является ЭВМ.2. The digital frequency meter according to claim 1, characterized in that the information processing, display and control unit is a computer.
RU2016100340A 2015-12-29 2015-12-29 Precision digital cymometer RU2617172C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100340A RU2617172C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Precision digital cymometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100340A RU2617172C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Precision digital cymometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2617172C1 true RU2617172C1 (en) 2017-04-21

Family

ID=58643213

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016100340A RU2617172C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Precision digital cymometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2617172C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2679930C1 (en) * 2018-02-01 2019-02-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук Precision digital frequency meter

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4144489A (en) * 1974-09-23 1979-03-13 Texas Instruments Incorporated Simplified frequency to digital converter using all digital electronics
SU918873A1 (en) * 1980-05-08 1982-04-07 Уральский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта Digital frequency meter
SU1004905A1 (en) * 1980-07-10 1983-03-15 Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт Digital frequency meter
SU1167519A1 (en) * 1983-05-03 1985-07-15 Предприятие П/Я В-2203 Digital frequency meter
RU2210785C2 (en) * 2001-07-13 2003-08-20 Институт лазерной физики СО РАН Digital frequency meter
EP2793037A1 (en) * 2013-04-17 2014-10-22 Asahi Kasei Microdevices Corporation Digital frequency meter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4144489A (en) * 1974-09-23 1979-03-13 Texas Instruments Incorporated Simplified frequency to digital converter using all digital electronics
SU918873A1 (en) * 1980-05-08 1982-04-07 Уральский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта Digital frequency meter
SU1004905A1 (en) * 1980-07-10 1983-03-15 Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт Digital frequency meter
SU1167519A1 (en) * 1983-05-03 1985-07-15 Предприятие П/Я В-2203 Digital frequency meter
RU2210785C2 (en) * 2001-07-13 2003-08-20 Институт лазерной физики СО РАН Digital frequency meter
EP2793037A1 (en) * 2013-04-17 2014-10-22 Asahi Kasei Microdevices Corporation Digital frequency meter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2679930C1 (en) * 2018-02-01 2019-02-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук Precision digital frequency meter

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104460304B (en) High-resolution time interval measurer with function of automatic correction
KR20140041812A (en) Method and apparatus for measuring the power of a power generator while operating in variable frequency mode and/or while operating in pulsing mode
US5367200A (en) Method and apparatus for measuring the duty cycle of a digital signal
RU2617172C1 (en) Precision digital cymometer
RU2679930C1 (en) Precision digital frequency meter
KR101223953B1 (en) Self Temperature Compensated Precision Event timer using Standard Time reference Frequency
US6107890A (en) Digital phase comparator and frequency synthesizer
RU2338212C1 (en) Method for defining phase shift angle between two signals represented by digital readings
RU2099865C1 (en) Method for measuring of time intervals
Bekirov et al. Real time processing of the phase shift and the frequency by voltage signal conversion into the sequence of rectangular pulses
Chmielewski Multi-vernier time-to-digital converter implemented in a field-programmable gate array
RU2659621C9 (en) Frequency meter
SU885920A1 (en) Radio pulse phase-meter
SU1499512A1 (en) Device for measuring phase fluctations
CN108566201A (en) A kind of high frequency resolution pulse digit generating system
RU2239842C1 (en) Method for measurement of direct component of signal
Nikonov et al. A frequency converter with controllable characteristics
SU667911A1 (en) Device for measuring phase shifter errors
Zhmud et al. Modern ways of high-precision frequency measurements
RU2534929C2 (en) Method for discrete setting of phase shift between two monochromatic harmonic initially synchronous signals, and device for its implementation
Szplet et al. Modular time interval counter
RU2573281C1 (en) Functional converter of sinusoidal signals of frequency-code
Bai et al. The measurement of transient stability with high resolution
RU2661065C1 (en) Digital phasemeter
RU2234716C1 (en) Method for generating sounding frequency -modulated signal for range finer with periodic frequency modulation