RU2679930C1 - Precision digital frequency meter - Google Patents
Precision digital frequency meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2679930C1 RU2679930C1 RU2018104030A RU2018104030A RU2679930C1 RU 2679930 C1 RU2679930 C1 RU 2679930C1 RU 2018104030 A RU2018104030 A RU 2018104030A RU 2018104030 A RU2018104030 A RU 2018104030A RU 2679930 C1 RU2679930 C1 RU 2679930C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- input
- output
- microcontroller
- phase detector
- Prior art date
Links
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 28
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 230000010455 autoregulation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000004397 blinking Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
- G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
- G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
- G01R23/10—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage by converting frequency into a train of pulses, which are then counted, i.e. converting the signal into a square wave
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L27/00—Modulated-carrier systems
- H04L27/26—Systems using multi-frequency codes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Measuring Phase Differences (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения частоты синусоидальных 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 the frequency of sinusoidal signals, deviations of the frequency and phase from the nominal value, time intervals, and also to obtain statistical parameters characterizing the stability of the frequency for different periods of time .
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 ста секунд) эталонных интервалах времени и, кроме того, имеют период времени, называемый «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 (no more than one hundred seconds) reference time intervals and, in addition, have 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,
Известен 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]. Этот частотомер обладает рядом недостатков, а именно:A known frequency meter containing a closed auto-regulation 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]. This frequency meter has several disadvantages, namely:
- использование в работе исключительно фазового детектора с последующим фильтром нижних частот 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 of an exclusively phase detector followed by a low-pass filter determines its operation in a relatively narrow range of input frequencies (less than half an octave) and is completely unsuitable 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.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является цифровой частотомер, включающий входной формирователь прямоугольных сигналов, фазовый детектор, генератор образцовой частоты, блок обработки информации, индикации и управления, частотный компаратор, синтезатор, снабженный формирователем прямоугольных сигналов, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер [Патент РФ №2617172], который принят за прототип изобретения.Closest to the claimed technical solution is a digital frequency meter including an input driver of rectangular signals, a phase detector, a model of a frequency generator, an information processing, indication and control unit, a frequency comparator, a synthesizer equipped with a driver of rectangular signals, an analog-to-digital converter and a microcontroller [RF Patent No. 2617172], which is taken as a prototype of the invention.
Указанный частотомер работает следующим образом. На вход системы подается сигнал неизвестной частоты. Элементами сравнения являются частотный компаратор и фазовый детектор. Частотный компаратор используется в качестве начального грубого элемента сравнения. Фазовый детектор используется на конечном, наиболее точном, участке сравнения. Микроконтроллер, используя информацию о результате сравнения, управляет синтезатором так, чтобы убрать различие в частоте между неизвестным сигналом и сигналом, полученным с выхода синтезатора, постоянно приближая ее к входной неизвестной частоте. Зная код частоты, записанный в синтезатор, 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 specified frequency counter operates as follows. An unknown frequency signal is input to the system. Comparison elements are a frequency comparator and a phase detector. A frequency comparator is used as an initial coarse comparison element. A phase detector is used at the final, most accurate, comparison site. Using the information about the comparison result, the microcontroller controls the synthesizer so as to remove the difference in frequency between the unknown signal and the signal received from the output of the synthesizer, constantly bringing it closer to the input unknown frequency. Knowing the frequency code recorded in the synthesizer 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.
К недостаткам прототипа относится использование в работе на финальной стадии исключительно фазового детектора с последующим фильтром нижних частот, что приводит к ограничению спектра выходных частот фазового детектора, а значит и точности измерения единичных выбросов фазового шума.The disadvantages of the prototype include the use in the work at the final stage exclusively of a phase detector followed by a low-pass filter, which leads to a limitation of the spectrum of output frequencies of the phase detector, and hence the accuracy of measuring single outliers of phase noise.
Заявляемое изобретение решает задачу создания цифрового частотомера, имеющего повышенную точность однократных измерений фазы и фазовых шумов, а также повышенную точность измерения частоты.The claimed invention solves the problem of creating a digital frequency meter having increased accuracy of single measurements of phase and phase noise, as well as increased accuracy of frequency measurement.
Поставленная задача решается тем, что предлагается прецизионный цифровой частотомер, включающий входной формирователь прямоугольных сигналов, фазовый детектор, частотный компаратор, синтезатор, снабженный формирователем прямоугольных сигналов, генератор образцовой частоты, первый аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок обработки информации, индикации и управления, который дополнительно содержит второй высокочастотный аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и средство управления оперативным запоминающим устройством, причем входом частотомера являются вход входного формирователя прямоугольных сигналов и первый вход второго аналого-цифрового преобразователя, 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, первый вход синтезатора соединен с первым выходом микроконтроллера, а второй вход синтезатора соединен 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 блока обработки информации, индикации и управления, выход формирователя прямоугольных сигналов синтезатора связан со вторыми входами частотного компаратора, фазового детектора, второго аналого-цифрового преобразователя и средства управления оперативным запоминающим устройством, выход фазового детектора связан с входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, выход блока обработки информации, индикации и управления связан с пятым входом микроконтроллера, выход второго аналого-цифрового преобразователя связан с первым входом оперативного запоминающего устройства, при этом второй вход оперативного запоминающего устройства соединен с первым выходом средства управления оперативным запоминающим устройством, первый выход оперативного запоминающего устройства связан с шестым входом микроконтроллера, а второй выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом средства управления оперативным запоминающим устройством, второй выход средства управления оперативным запоминающим устройством соединен с седьмым входом микроконтроллера, а третий выход микроконтроллера соединен с третьим входом средства управления оперативным запоминающим устройством. Блоком обработки информации, индикации и управления может являться ЭВМ. В качестве фазового детектора может использоваться частотно-фазовый детектор. Первый, второй и седьмой входы микроконтроллера могут являться входами прерывания.The problem is solved by the fact that a precision digital frequency meter is proposed, including an input rectangular signal shaper, a phase detector, a frequency comparator, a synthesizer equipped with a square wave shaper, a reference frequency generator, a first analog-to-digital converter, a microcontroller, an information processing, indication and control unit, which further comprises a second high-frequency analog-to-digital converter, random access memory and ope control means a memory device, wherein the input of the frequency meter is the input of the input driver of the rectangular signals and the first input of the second analog-to-digital converter, the output of the 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 microcontroller, the synthesizer is connected by its output to the input of the shaper of rectangular signals of the synthesizer, the first input of the synthesizer is connected to the first the output of the microcontroller, and the second input of the synthesizer is connected to 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 is connected by its second output to the input of the information processing, indication and control unit, the output of the rectangular signal generator of the synthesizer connected to the second inputs of the frequency comparator, phase detector, second analog-to-digital converter and operational control means by a blinking device, the output of the phase detector is connected to the input of the first analog-to-digital converter, the output of which is connected to the fourth input of the microcontroller, the output of the information processing, indication and control unit is connected to the fifth input of the microcontroller, the output of the second analog-to-digital converter is connected to the first input of random access memory wherein the second input of random access memory is connected to the first output of the control means of random access memory, the first output of the operas A random access memory device is connected to the sixth input of the microcontroller, and the second output of the random access memory is connected to the first input of the RAM control means, the second output of the random access control means is connected to the seventh input of the microcontroller, and the third output of the microcontroller is connected to the third input of the random access control means device. The information processing, display and control unit may be a computer. As a phase detector, a frequency-phase detector can be used. The first, second, and seventh inputs of the microcontroller may be interrupt inputs.
Предлагаемый прецизионный цифровой частотомер изображен на фиг. 1, где:The proposed precision digital frequency counter is shown in FIG. 1, where:
1 - входной формирователь прямоугольных сигналов;1 - input driver of rectangular signals;
2 - частотный компаратор;2 - frequency comparator;
3 - формирователь прямоугольных сигналов синтезатора;3 - shaper of rectangular signals of the synthesizer;
4 - синтезатор;4 - synthesizer;
5 - фазовый детектор;5 - phase detector;
6 - генератор образцовой частоты;6 - reference frequency generator;
7 - первый аналого-цифровой преобразователь (первый АЦП);7 - the first analog-to-digital converter (first ADC);
8 - микроконтроллер;8 - microcontroller;
9 - блок обработки информации, индикации и управления;9 - block information processing, display and control;
10 - второй высокочастотный аналого-цифровой преобразователь (второй АЦП);10 - the second high-frequency analog-to-digital converter (second ADC);
11 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);11 - random access memory (RAM);
12 - средство управления оперативным запоминающим устройством (средство управления ОЗУ);12 - control tool for random access memory (RAM control tool);
Fx - неизвестная частота;Fx is the unknown frequency;
Fs - частота сигнала с выхода синтезатора (синтезированная из опорной частоты).Fs is the frequency of the signal from the output of the synthesizer (synthesized from the reference frequency).
На фиг. 2а, 2б и 2в показано соответственно выходное напряжение фазового детектора, напряжение на выходе "Fx больше Fs" частотного компаратора, напряжение на выходе "Fx меньше Fs" частотного компаратора. Упрощенно в паре далее называем их сигналы "больше" и "меньше".In FIG. 2a, 2b and 2c respectively show the output voltage of the phase detector, the output voltage "Fx is greater than Fs" of the frequency comparator, the output voltage "Fx is less than Fs" of the frequency comparator. Simplified in a pair, we further call their signals “more” and “less”.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
На вход формирователя прямоугольных сигналов 1 и первый вход второго АЦП 10 поступает сигнал неизвестной частоты Fx (предположительно синусоидальной формы или ограниченной синусоиды). 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, фазового детектора 5 и второго АЦП 10 поступают прямоугольные импульсы с выхода формирователя прямоугольных сигналов синтезатора 3, на вход которого подается сигнал с выхода синтезатора 4 с выходной частотой Fs (обычно это меандр).At the input of the shaper of
Частотный компаратор 2 имеет два выхода: выход "больше" формирует прямоугольный логический сигнал, когда входная частота Fx больше, чем частота синтезатора Fs, а выход "меньше", соответственно, формирует сигнал, когда частота Fx меньше частоты синтезатора Fs.The
С выхода "больше" и выхода "меньше" частотного компаратора 2 соответствующие сигналы сравнения частот, определяющие знак разности частот Fx и Fs, поступают на первый и второй входы микроконтроллера 8 (которые могут являться входами прерывания). На выходе фазового детектора 5 формируется аналоговый сигнал, который преобразуется в цифровую форму в первом АЦП 7 и далее поступает на микроконтроллер 8.From the output “more” and the output “less” of the
Необходимо отметить, что на вход синтезатора 4 подается сигнал образцовой частоты F с генератора образцовой частоты 6, а управление синтезатором 4 производится тем же микроконтроллером 8. Кроме того, на микроконтроллер 8 с генератора образцовой частоты 6 подается эталонная частота (пониженная по сравнению частотой F до уровня быстродействия используемого микроконтроллера) для синхронизации таймеров, участвующих в формировании временных меток, необходимых для расчета поправки к частоте синтезатора 4 для вычисления значения частоты Fx.It should be noted that the input of the
С выхода формирователя прямоугольных сигналов синтезатора 3 сигнал Fs поступает также на вторые (синхронизирующие, или тактовые) входы второго АЦП 10 и средства управления ОЗУ 12. Последнее, в свою очередь, по фронтам сигнала Fs организует запись информации, полученной с выхода второго АЦП 10, в оперативное запоминающее устройство 11 для того, чтобы впоследствии эту информацию сделать доступной для микроконтроллера 8.From the output of the shaper of rectangular signals of the
Блок обработки информации, индикации и управления 9 совместно с микроконтроллером 8 обеспечивает оперативное управление работой частотомера, организует получение данных от второго АЦП 10 через ОЗУ 11 и соответствующее средство управления ОЗУ 12, а также от первого АЦП 7 и частотного компаратора 2, осуществляет обработку данных и индикацию результатов, полученных в ходе проведенных измерений и вычислений, в наиболее удобном виде. В указанном блоке 9 также производится вычисление суммарного значения частоты (значение частоты синтезатора и значение поправки частоты, полученной в процессе вычисления: приращение фазы за измеряемый период, деленное на значение самого временного интервала измерения). В качестве блока обработки информации, индикации и управления может применяться ЭВМ.The information processing, indication and
Микроконтроллер 8 служит для управления процессом измерения в реальном масштабе времени.The
В исходном состоянии значение частоты на выходе синтезатора 4 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 выходах "больше" или "меньше" напряжение равно "0" (фиг. 2б, 2в).In the initial state, the frequency value at the output of the
Фазовый детектор 5 формирует пилообразное напряжение в промежутке между импульсами на выходе частотного компаратора 2, и оно соответствует мгновенной разности фаз между сравниваемыми сигналами (фиг. 2а). Микроконтроллер 8, через первый АЦП 7, последовательно производит несколько чтений значений напряжения на выходе фазового детектора 5 для быстрой оценки величины разности частот Fx и Fs. Если микроконтроллер 8 успевает несколько раз прочитать из первого АЦП 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 dΦ (разность двух или нескольких усредненных последовательно считанных отсчетов фазы) и величину временного интервала между чтениями этих значений, можно рассчитать величину разности частот Fx и Fs. Получив значение разности двух частот, можно изменить частоту на выходе синтезатора 4, например, 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.The
При этом возможно получение двух разных результатов.In this case, it is possible to obtain two different results.
Первый - крутизна пилы на выходе фазового детектора 5 уменьшилась (теоретически в два раза), значит, произошел сдвиг по частоте в нужном направлении, и теперь известна величина и знак разности между неизвестной частотой Fx и частотой Fs на выходе синтезатора 4.The first is that the steepness of the saw at the output of the
В другом случае произошло движение в противоположном направлении от неизвестной частоты (крутизна пилы на выходе фазового детектора 5 увеличилась, или первый АЦП 7 не успевает провести измерения, и формируется сигнал с выхода частотного компаратора 2). Теперь известна величина и знак разности частот. Можно сразу сделать сдвиг синтезатора 4 по частоте на величину оставшейся разности в частоте и добиться минимальной разности в частотах Fx и Fs. Можно просто последовательно приближать частоту синтезатора к неизвестной частоте по какому-либо закону. Для выхода на прецизионный уровень измерения 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 или с минимальным наклоном положение пилы на выходе фазового детектора 5 - все определяется дискретностью изменения частоты синтезатора 4, временной и температурной нестабильностью, а также фазовыми шумами примененных компонентов. При необходимости произвести усреднение или статистическую обработку полученных сигналов. Нужно всегда иметь в виду, что при скачках частоты можно попасть в нерабочую нелинейную зону фазового детектора, и постоянно контролировать это состояние. Также постоянно нужно следить за тем, чтобы измерения фазовым детектором проводились на одном из склонов пилы; если произошел переход на другой склон пилы или через него, то необходимо произвести измерения заново.In another case, there was a movement in the opposite direction from an unknown frequency (the steepness of the saw at the output of the
Описанный вариант работает при сравнительно небольшой разнице в частоте между сигналами Fx и Fs. При большой разности в частоте микроконтроллер 8 может не успеть сделать несколько измерений на одном склоне пилы, тогда начинает работать частотный компаратор 2, формируя свои импульсы сравнения частот Fx и Fs. Это сигналы "Fx больше Fs", либо "Fx меньше Fs". Эти сигналы также говорят о том, что, возможно, сменился склон пилы на выходе фазового детектора 5, и фазовые измерения необходимо начать заново.The described option works with a relatively small difference in frequency between the Fx and Fs signals. With a large difference in frequency, the
По этим импульсам можно однозначно принять решение о знаке разности частоты и, соответственно, изменить частоту на выходе синтезатора 4 в сторону частоты сигнала Fx, сближая их по одному из методов последовательных приближений. Лучше всего эти импульсы подать на входы прерывания (первый и второй входы) микроконтроллера 8. 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 2 имеют более высокий приоритет, так как первый АЦП 7 и микроконтроллер 8, как правило, имеют меньшее быстродействие и не успевают отработать эту разницу в частоте. Кроме того, указанные импульсы говорят о том, что фазовый детектор 5 работает в нежелательной зоне, и необходимо изменением фазы или частоты синтезатора 4 вернуть его середину линейной характеристики. По мере приближения частоты Fs синтезатора 4 к частоте неизвестного сигнала Fx импульсы на выходе "больше" и на выходе "меньше" становятся реже (их частота пропорциональна разностной частоте), а скорость изменения пилы на выходе фазового детектора 5 все меньше и меньше; при этом пила по форме приближается к непрерывной горизонтальной линии (фиг. 2а). При этом все чаще и чаще успевает работать первый АЦП 7, измеряя напряжение на выходе фазового детектора 5. На конечном участке измерений желательно проводить измерения в середине линейной области фазового детектора 5.Based on these pulses, one can unambiguously decide on the sign of the frequency difference and, accordingly, change the frequency at the output of the
Реально на практике частотный компаратор 2 и фазовый детектор 5 работают последовательно. Сначала работает частотный компаратор 2 (разница в частоте большая - до сотен мегагерц), затем - фазовый детектор 5 (разница в частоте - несколько килогерц и менее, в пределе достигает величины в несколько микрогерц и даже долей микрогерца). По окончании измерения (когда достигнута предельная точность установки частоты синтезатора 4) изменением фазы или кратковременными изменениями частоты синтезатора 4 устанавливается рабочая точка фазового детектора 5 - в середину его линейной характеристики, и синтезатор 4 фиксирует свое состояние. Теперь на выходе фазового детектора 5 виден дрейф фазы между неизвестным сигналом Fx и сигналом Fs с выхода синтезатора 4, частоту которого мы знаем довольно точно. Этот дрейф фазы после прохождения через первый АЦП 7 поступает на микроконтроллер 8 и далее 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, dΦ/dt), так как по графику дрейфа фазы легко рассчитать поправку по частоте, равную величине изменения фазы за интервал времени измерения. Для уточнения знака поправки необходимо увеличить или уменьшить частоту синтезатора 4 на несколько минимальных шагов синтезатора и связать отклонения частоты и фазы по знаку. Также 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
После приближения напряжения на выходе фазового детектора 5 к постоянному (пила по форме приближается к непрерывной горизонтальной линии) и установки синтезатором 4 значения разности фаз, соответствующего нулевому фазовому сдвигу между Fx и Fs, начинает работать второй АЦП 10, ОЗУ 11 и средство управления ОЗУ 12. Производятся измерения мгновенного значения входного синусоидального напряжения Fx. Количество измерений и интервал между ними задается микроконтроллером 8 путем записи соответствующей информации в средство управления ОЗУ 12.After the voltage at the output of the
Измерения с помощью первого АЦП 7 и второго АЦП 10 производятся в разных точках схемы частотомера. Первый АЦП 7 измеряет напряжение на выходе фазового детектора 5, для работы которого необходим сигнал прямоугольной формы, сформированный входным формирователем прямоугольных сигналов 1. Таким образом, сигнал, попадающий на первый АЦП 7, проходит через указанный формирователь прямоугольных сигналов 1 и фазовый детектор 5, имеющие свои временные задержки, для компенсации которых необходимо заново установить величину фазового сдвига. Второй же АЦП 10 подключен непосредственно ко входу частотомера. Частота сигналов Fx и Fs совпадает. Поэтому необходимо кратковременными частотными сдвигами синтезатора 4 добиться установки показаний второго АЦП 10, синхронно измеряющего входную синусоиду, в среднее положение (имеющее наибольшую крутизну изменения входного напряжения). После этого средство управления ОЗУ 12 организует запись информации, измеренной с помощью второго АЦП 10, в собственно ОЗУ 11. По тому же фронту прямоугольного сигнала Fs, по которому работает фазовый детектор 5, производится тактирование второго АЦП 10, запись в ОЗУ 11 предыдущих данных с выхода второго АЦП 10, и осуществляется смена адреса ячейки ОЗУ 11. Таким образом, значения, записанные в ОЗУ 11, отстают от измеренных вторым АЦП 10 на один такт. После заполнения ОЗУ 11 данными средство управления ОЗУ 12 формирует сигнал, поступающий на вход микроконтроллера 8 (который может являться входом прерывания) для организации чтения информации, записанной в ОЗУ 11. Необходимо отметить, что информацию в ОЗУ 11 можно записывать не каждый такт, а, например, каждый второй, четвертый и т.д. По результатам записанной в ОЗУ 11 информации, зная форму входного сигнала, можно построить кривую линию и по ее наклону определить поправку по частоте. По разбросу точек в кривой можно определить единичные значения джиттера входного сигнала. Также следует отметить, что при малом шаге синтезатора, синусоидальном входном сигнале и при работе в центральной части синусоиды результат близок к прямой линии.Measurements using the
В качестве фазового детектора может использоваться частотно-фазовый детектор.As a phase detector, a frequency-phase detector can be used.
Заявленное устройство обеспечивает большую точность по сравнению с прототипом благодаря тому, что временное положение сигналов оценивается вторым АЦП с временным джиттером менее 100 фемтосекунд (например, AD9467). В прототипе же дополнительно участвуют, как минимум, два элемента - входной формирователь прямоугольных сигналов и фазовый детектор, со своими температурными и временными дрейфами. Микросхема фазового детектора имеет типовое значение джиттера 200 фемтосекунд (например, МС100ЕР08 или МС100ЕР140), и для получения таких результатов необходим индивидуальный подбор компонентов. Входной формирователь прямоугольных сигналов имеет аналогичный джиттер, его типовое значение - 200 фемтосекунд. Таким образом, суммарный джиттер прототипа составляет 280 фемтосекунд. Кроме этого, в предложенном варианте второй АЦП может работать на кратно пониженных частотах тактирования, что позволяет значительно улучшить тепловой режим и помеховую обстановку внутри прибора.The claimed device provides greater accuracy compared to the prototype due to the fact that the temporary position of the signals is evaluated by the second ADC with a temporary jitter of less than 100 femtoseconds (for example, AD9467). In the prototype, at least two elements are additionally involved - an input driver of rectangular signals and a phase detector, with its temperature and time drifts. The phase detector chip has a typical jitter value of 200 femtoseconds (for example, MC100ER08 or MC100ER140), and to obtain such results, an individual selection of components is necessary. The input shaper of rectangular signals has a similar jitter, its typical value is 200 femtoseconds. Thus, the total jitter of the prototype is 280 femtoseconds. In addition, in the proposed embodiment, the second ADC can operate at multiple lower clock frequencies, which can significantly improve the thermal regime and the noise environment inside the device.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018104030A RU2679930C1 (en) | 2018-02-01 | 2018-02-01 | Precision digital frequency meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018104030A RU2679930C1 (en) | 2018-02-01 | 2018-02-01 | Precision digital frequency meter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2679930C1 true RU2679930C1 (en) | 2019-02-14 |
Family
ID=65442507
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018104030A RU2679930C1 (en) | 2018-02-01 | 2018-02-01 | Precision digital frequency meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2679930C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120053903A1 (en) * | 2010-08-31 | 2012-03-01 | Seiko Epson Corporation | Frequency measurement device and electronic device |
RU2585513C1 (en) * | 2015-02-19 | 2016-05-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Digital frequency meter |
RU2617172C1 (en) * | 2015-12-29 | 2017-04-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Precision digital cymometer |
EP3196661A1 (en) * | 2009-02-27 | 2017-07-26 | Furuno Electric Co., Ltd. | Frequency measuring device |
US20170254840A1 (en) * | 2016-03-07 | 2017-09-07 | Schneider Electric Industries Sas | Frequency measurement device, frequency measurement method and under frequency load shedding device |
-
2018
- 2018-02-01 RU RU2018104030A patent/RU2679930C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3196661A1 (en) * | 2009-02-27 | 2017-07-26 | Furuno Electric Co., Ltd. | Frequency measuring device |
US20120053903A1 (en) * | 2010-08-31 | 2012-03-01 | Seiko Epson Corporation | Frequency measurement device and electronic device |
RU2585513C1 (en) * | 2015-02-19 | 2016-05-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Digital frequency meter |
RU2617172C1 (en) * | 2015-12-29 | 2017-04-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Precision digital cymometer |
US20170254840A1 (en) * | 2016-03-07 | 2017-09-07 | Schneider Electric Industries Sas | Frequency measurement device, frequency measurement method and under frequency load shedding device |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
RU 2585513 C1 C1, 27.05.2016. Статья: "Прецизионный частотомер для фундаментальной метрологии", Ж. АВТОМАТИКА И ПРОГРАММНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, номер 2(8) 2014. * |
Статья: "Прецизионный частотомер для фундаментальной метрологии", Ж. АВТОМАТИКА И ПРОГРАММНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, номер 2(8) 2014. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH0463345B2 (en) | ||
JPWO2005081407A1 (en) | Waveform generation method, radar apparatus, and oscillation apparatus for radar apparatus | |
Szplet et al. | Picosecond-precision multichannel autonomous time and frequency counter | |
RU2679930C1 (en) | Precision digital frequency meter | |
US5566139A (en) | Picosecond resolution sampling time interval unit | |
RU2617172C1 (en) | Precision digital cymometer | |
KR100873008B1 (en) | Measurement device of frequency offset of atomic clock and control method | |
US6377644B1 (en) | Periodic signal digital testing | |
CN107543960B (en) | High-stability crystal oscillator measuring device | |
KR101223953B1 (en) | Self Temperature Compensated Precision Event timer using Standard Time reference Frequency | |
US6107890A (en) | Digital phase comparator and frequency synthesizer | |
Zieliński et al. | Accumulated jitter measurement of standard clock oscillators | |
Liu et al. | Design and implementation of a ultra-high timing resolution pulse generator based on real-time computation | |
CN112953517A (en) | Dynamic Doppler frequency offset calibration method | |
JPH0424667B2 (en) | ||
RU2338212C1 (en) | Method for defining phase shift angle between two signals represented by digital readings | |
Gula et al. | Measurements of periodic signals phase shifts with application of direct digital Synthesis | |
JP3138314B2 (en) | Asynchronous calibration circuit and frequency detection circuit | |
CN114895547B (en) | Waveform-adaptive large-dynamic high-precision time measuring instrument and measuring method | |
RU2099865C1 (en) | Method for measuring of time intervals | |
CN114019857B (en) | High-precision phase adjustment and measurement system and method based on phase interpolation | |
RU2534929C2 (en) | Method for discrete setting of phase shift between two monochromatic harmonic initially synchronous signals, and device for its implementation | |
KR20190063492A (en) | Time-to-digital converter supporting run-time calibration | |
RU2234716C1 (en) | Method for generating sounding frequency -modulated signal for range finer with periodic frequency modulation | |
JPH10132874A (en) | Frequency measuring device |