Компаратор - анализатор фазовый

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для прецизионных измерений относительной разности частот, нестабильности частоты и спектра фазовых шумов высокостабильных источников сигналов и может быть использована в эталонах единиц времени и частоты, в автоматизированных измерительных системах, при производстве источников прецизионных сигналов, в том числе кварцевых генераторов и квантовых стандартов частоты.
Известны устройства для измерения нестабильности частоты и уровня фазовых шумов прецизионных сигналов компании "TIMING SOLUTION" типа TSC-5115A, TSC-5120A, которые позволяют обмерять сигналы в диапазоне частот 1-30 МГц. Приборы используют классическую схему, когда измеряется взаимная нестабильность двух сигналов (исследуемый и опорный), применяется дублирование измерительных трактов и корреляционный метод расчета измеряемых функций, позволяющий значительно снизить погрешность измерения. Однако измерение взаимной нестабильности одновременно только двух исследуемых сигналов ограничивает функциональные возможности прибора.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) предлагаемого технического решения принят компаратор-анализатор фазовый типа VCH-323 (разработанный и выпускаемый компанией ЗАО «Время-Ч», г. Н. Новгород) на диапазон частот 1-100 МГц. Упрощенная структурная схема прототипа приведена на фиг. 1, а на фиг. 2 приведены измеренные значения нестабильности частоты для сигналов X, Y, Z в приборе VCH-323. Схема позволяет реализовать метод «трех генераторов», когда на входы компаратора подаются три сигнала (X, Y, Z). В приборе имеются четыре идентичных преобразователя сигналов (ПС1 - ПС4), при этом сигнал X подается на два ПС (ПС1, ПС2), а сигналы Y и Z подаются на ПС3 и ПС4 соответственно. ПС используют высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифровые смесители, цифровые фильтры и с расчетом функции Arctg формируют сигналы, пропорциональные разности фаз двух входных сигналов (XY, XZ, YZ). Сигналы с выходов ПС подаются на измерители вариаций частоты (ИВЧ1 - ИВЧ3) или измерители флуктуаций фазы (ИФФ1 - ИФФ4). Первые вычисляют вариации частоты всех пар сигналов XY, XZ, YZ для интервала времени Т, а последние - флуктуации фазы на частоте Фурье f. В обозначениях вариаций частоты цифры соответствуют номеру ПС для каждого сигнала, например запись б(X1Y3) означает, что сигнал X прошел через ПС1, а сигнал Y - через ПС3. Далее устройство обработки данных (УОД) вычисляет оценки нестабильности частоты для каждого сигнала по формулам кроссвариации. Полагая, что шумы сигналов и преобразователей сигналов не коррелированы для оценок нестабильности (вариаций) частоты справедливы соотношения:
Откуда видно, что только для исследуемого сигнала X оценка нестабильности частоты является не смещенной (без вклада шумов преобразователей сигналов). Это следствие несимметричности схемы, поскольку сигнал X проходит через два ПС с некоррелированными шумами, а сигналы Y и Z через один ПС, что приводит к снижению точности измерений нестабильности частоты сигналов Y и Z.
Технической задачей полезной модели является повышение точности проводимых измерений нестабильности частоты входных сигналов с одновременным уменьшением времени их измерений.
Сущность технического решения задачи заключается в том, что компаратор-анализатор фазовый, содержащий четыре идентичных преобразователя входных анализируемых сигналов X, Y, Z контролируемых частот, при этом сигнал X подается одновременно на вход первого и второго преобразователей сигналов, а сигнал Y подается на вход третьего преобразователя сигнала, четыре измерителя вариации частоты, причем выход преобразователей сигналов подключен к первым входам соответствующих измерителей вариации частоты, выходы которых соединены с устройством обработки данных, согласно полезной модели дополнительно содержит пятый и шестой преобразователи сигналов, пятый и шестой измерителя вариации частоты, выходом подключенные к устройству обработки данных, при этом сигнал Y подается на вход четвертого преобразователя сигнала, сигнал Z подается одновременно на вход пятого и шестого преобразователей сигналов, выход которых соединены с первым входом соответственно пятого и шестого измерителей вариации частоты и со вторым входом соответственно третьего и четвертого измерителей вариации частоты, а второй вход соответственно пятого и шестого измерителей вариации частоты подключен к первому входу соответственно первого и второго измерителей вариации частоты, вторые входы которых соединены соответственно с выходом второго и четвертого преобразователей сигналов.
1
6
1
6
Техническое решение поясняется рисунками, где на фиг. 3 изображена структурная схема заявляемого устройства и где обозначено: 1 - 1 -преобразователи сигналов; 2 - 2 - измерители вариации частоты; 3 -устройство обработки данных, а на фиг. 4 приведена схема заявляемого устройства с названием ее блоков.
1
6
1
6
1
2
3
4
5
6
1
6
1
6
3
4
5
6
1
2
1
6
Компаратор-анализатор фазовый содержит шесть идентичных преобразователей 1 - 1 входных анализируемых сигналов X, Y, Z контролируемых частот и шесть идентичных измерителей вариации частоты 2 - 2, при этом сигнал X подается одновременно на вход первого 1 и второго 1 преобразователей сигнала, сигнал Y подается на вход третьего 1 и четвертого 1 преобразователей сигнала, сигнал Z подается на вход пятого 1и шестого 1 преобразователей сигнала. Выход каждого из преобразователей сигналов 1 - 1 подключен к первым входам соответствующих измерителей вариации частоты 2 - 2, вторые входы которых соединены соответственно с выходом третьего 1, четвертого 1, пятого 1, шестого 1, первого 1 и второго 1 преобразователей сигналов, при этом выходы измерителей вариации частоты 2 - 2 соединены с устройством обработки данных 3.
Блоки устройства могут быть выполнены аналогично блокам компаратора-анализатора фазового типа VCH-323, где преобразователь сигналов включает в себя полосовые фильтры, усилители с регулируемым коэффициентом усиления, АЦП. Функция измерителя вариации частоты реализуется на ПЛИС типа ALTERA Cyclone 3.
Устройство обработки данных работает под управлением встроенного программного обеспечения, которое реализовывает задание режима работы и управляющих параметров прибора через экранный интерфейс (внешний монитор с VGA видеоадаптером) при помощи органов управления: вычисление относительной разности частот входных сигналов; вычисление статистических функций, характеризующих нестабильность и разность частот двух входных сигналов; нестабильность частоты отдельного сигнала; спектральная плотность мощности фазовых шумов двух входных сигналов и мощности фазовых шумов каждого из входных сигналов.
Принцип работы устройства аналогичен работе компаратора VCH-323 и основан на сравнении фаз входных исследуемых сигналов и последующими операциями обработки их выходных напряжений, пропорциональных разности фаз. При этом формулы расчета оценок нестабильности частоты для сигналов X, Y, Z будут иметь вид:
Таким образом, в предлагаемой схеме компаратора для каждого сигнала X, Y, Z доступны четыре несмещенных оценки (измерения) нестабильности частоты (фазовых шумов) за один цикл измерений (в прототипе это можно сделать только за три цикла).
Для получения наиболее достоверной оценки (минимум дисперсии - разброса оценки) логично использовать их среднее значение:
На графиках (фиг. 2), где приведены измеренные значения нестабильности частоты для сигналов X, Y, Z в приборе VCH-323 (прототипе), видно, что нестабильность для сигналов Y, Z за 1 с (порядка 1е-14) на порядок больше чем для сигнала X (порядка 1е-15). В предлагаемой же схеме компаратора для всех трех сигналов X, Y, Z значения нестабильности частоты такие же, как для сигнала X в приборе VCH-323.