УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ

Полезная модель относится к области стабилизации частот генераторного оборудования и может быть использована в аппаратуре связи, обработки информации, в измерительной технике и т.д.
Известен способ стабилизации частот с использованием фазовой автоматической подстройки частоты [1 - Клэппер Дж., Фрэнкл Дж. Системы фазовой и частотной автоподстройки частоты. /Следящие демодуляторы сигналов с угловой модуляцией/. - М: Энергия, 1977. - 440 с; 2 - Системы фазовой синхронизации / В.Н. Акимов, Л.Н. Белюстина, В.Н. Белых и др.: Под ред. В.В. Шахгильдяна, Л.Н. Белюстиной. - М.: Радио и связь, 1982. - 288 с]. Реализующее данный способ устройство включает эталонный и подстраиваемый генераторы, фазовый детектор и управляемый элемент. Фазовый детектор осуществляет сравнение фаз сигналов эталонного и подстраиваемого генераторов, поступающих на его входы. Выходное напряжение фазового детектора определяется разностью фаз напряжений, действующих на его входах. Выходное напряжение с выхода фазового детектора подается на управляемый элемент, который изменяет частоту подстраиваемого генератора, приближая ее к частоте эталонного.
Недостатком этого устройства является необходимость наличия высокостабильного эталонного генератора, имеющего, как правило, сложное схемное построение и связанного с выполнением жестких требований к условиям его функционирования.
7
Для системы одновременно функционирующих генераторов известен способ стабилизации частоты [патент РФ №2219654, МПК H03L 7/00, G01R 23/12,2003 г.]. Реализующее данный способ устройство включает совокупность К стабилизируемых генераторов, дополнительный генератор, задающий временной интервал измерений, блок измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, устройство управления, арифметико-логическое устройство, постоянное запоминающее устройство и устройство управления частотами стабилизируемых генераторов, причем выходы K стабилизируемых генераторов электрически соединены с K входами блока измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, выходы блока измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов электрически связаны с первой группой входов арифметико-логического устройства, выходы которого подключены к входам устройства управления частотами стабилизируемых генераторов, выход дополнительного генератора электрически соединен с входом устройства управления, первая группа выходов устройства управления подключена к управляющим входам блока измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, вторая группа выходов - к второй группе входов арифметико-логического устройства, третья группа выходов - к входам постоянного запоминающего устройства, выходы постоянного запоминающего устройства электрически связаны с третьей группой входов арифметико-логического устройства, выходы устройства управления частотами стабилизируемых генераторов соединены с входами управления стабилизируемых генераторов.
С помощью этого устройства измеряются полные фазы колебаний сигналов стабилизируемых генераторов одновременно в течение временного интервала измерений, задаваемого дополнительным генератором, на основе определения среднего взвешенного значения отклонений полных фаз всех K генераторов относительно их номинальных значений осуществляется частичная компенсация нестабильности отклонений полных фаз каждого из K генераторов, обусловленных нестабильностью временного интервала измерений, выделяются и частично компенсируются отклонения полных фаз колебаний сигналов, вызываемых собственными нестабильностями частот каждого из К генераторов.
Недостатком устройства, реализующего данный способ, является то, что вклады всех генераторов в получаемое среднее взвешенное значение отклонений полных фаз всех K генераторов относительно их номинальных значений формируются по алгоритму с одними и теми же параметрами независимо от отклонения параметров стабилизируемых генераторов от номинальных значений при изменении условий функционирования. Однако дисперсия получаемого среднего взвешенного значения отклонений полных фаз всех K генераторов относительно их номинальных значений будет увеличиваться при отклонении условий функционирования генераторов и выходе данных условий за пределы рабочего диапазона, например, при изменении температуры, напряжения, нагрузки и т.д. При этом стабильности отдельных генераторов при изменении температуры, напряжения, нагрузки и т.д. будут изменяться различным образом. Это будет приводить, в свою очередь, к снижению стабильности генераторов, стабилизируемых по данному способу.
Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности частоты генераторов компенсацией различий изменений параметров генераторов, возникающих в процессе их жизненного цикла, обусловленных изменениями нагрузок, температуры, давления и т.п.
Технический результат достигается тем, что устройство стабилизации частоты генераторов содержит, как и устройство - прототип, совокупность K стабилизируемых генераторов, опорный генератор, задающий временной интервал измерений, блок измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, устройство управления, арифметико-логическое устройство, постоянное запоминающее устройство и устройство управления частотами стабилизируемых генераторов. Выходы K стабилизируемых генераторов электрически соединены с K входами блока измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов. Выходы арифметико-логического устройства подключены к входам устройства управления частотами стабилизируемых генераторов, выход опорного генератора электрически соединен с входом устройства управления, первая группа выходов устройства управления подключена к управляющим входам блока измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, вторая группа выходов - к второй группе входов арифметико-логического устройства, третья группа выходов - к входам постоянного запоминающего устройства, выходы постоянного запоминающего устройства электрически связаны с третьей группой входов арифметико-логического устройства, выходы устройства управления частотами стабилизируемых генераторов соединены с входами управления стабилизируемых генераторов. Отличием является то, что дополнительно введено устройство формирования корректирующих коэффициентов, первая группа входов которого подключена к выходам блока измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, вторая группа входов - ко второй группе выходов устройства управления, а выходы электрически связаны с первой группой входов арифметико-логического устройства.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
- введен новый элемент (устройство формирования корректирующих коэффициентов);
- изменены связи между блоком измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов и арифметико-логическим устройством: первая группа входов устройства формирования корректирующих коэффициентов подключена к выходам блока измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, выходы электрически связаны с первой группой входов арифметико-логического устройства;
- введены связи между устройством управления и устройством формирования корректирующих коэффициентов: вторая группа входов устройства формирования корректирующих коэффициентов подключена к второй группе выходов устройства управления.
Сочетание известных и отличительных признаков устройства стабилизации частоты генераторов, приводящих к достижению технического результата, из доступной литературы не известны, следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные и измененные элементы и их связи в указанной совокупности неизвестны. Введение нового элемента (устройства формирования корректирующих коэффициентов), исключение связей между двумя элементами прототипа (между блоком измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов и арифметико-логическим устройством) и введение связей (между блоком измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов и устройством формирования корректирующих коэффициентов, между устройством управления и устройством формирования корректирующих коэффициентов и между устройством формирования корректирующих коэффициентов и арифметико-логическим устройством) обеспечивает новое свойство - компенсацию нестабильностей частоты, возникающих в процессе жизненного цикла генераторов, обусловленных изменениями нагрузок, температуры, давления и т.п., при отсутствии высокостабильного опорного генератора. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень». Сущность полезной модели поясняется фигурами 1-3.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства стабилизации частоты генераторов.
На фигуре 2 показана структурная схема устройства формирования корректирующих коэффициентов.
k
На фигуре 3 приведен график изменения дисперсии оценки временного интервала измерений при изменении набора коэффициентов m, (k=1, …, K).
1
K
K+1
Устройство стабилизации частоты генераторов (фиг. 1) содержит совокупность стабилизируемых генераторов 1 …1, опорный генератор 1, задающий временной интервал измерений, блок 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, устройство 3 управления, устройство 4 формирования корректирующих коэффициентов, постоянное запоминающее устройство 5, арифметико-логическое устройство 6 и устройство 7 управления частотами стабилизируемых генераторов.
1
K
K+1
Выходы K стабилизируемых генераторов 1…1 электрически соединены с K входами блока 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов. Управление работой блока 2 производится посредством первой группы выходов устройства 3 управления, вход которого электрически соединен с выходом опорного генератора 1. Выходы блока 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов подключены к первым входам устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов. Управление работой устройств 4-6 производится устройством 3 управления: вторая группа выходов устройства 3 подключена к второй группе входов устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов и к второй группе входов арифметико-логического устройства 6, третья группа выходов - к входам постоянного запоминающего устройства 5. Выходы устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов электрически связаны с первой группой входов арифметико-логического устройства 6. Выходы постоянного запоминающего устройства 5 электрически связаны с третьей группой входов арифметико-логического устройства 6. Выходы арифметико-логического устройства 6 подключены к входам устройства 7 управления частотами стабилизируемых генераторов. Выходы устройства 7 управления частотами стабилизируемых генераторов соединены с входами управления К стабилизируемых генераторов.
Устройство 4 формирования корректирующих коэффициентов включает в свой состав (фиг. 2) блок 8 анализа, блок 9 хранения, блок 10 формирования корректирующих коэффициентов и блок 11 умножения. Первая группа входов блока 8 анализа и первая группа входов блока 11 умножения подключены к выходам блока 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов (БИ 2). К третьей группе входов блока 8 анализа подключены выходы блока 9 хранения. Выходы блока 8 анализа соединены с первой группой входов блока 10 формирования корректирующих коэффициентов. Выходы блока 10 подключены к третьей группе входов блока 11 умножения. Выходы блока 11 умножения электрически связаны с первой группой входов арифметико-логического устройства 6 (АЛУ 6). Управление работой блоков 8, 10, 11 производится сигналами, поступающими с второй группы выходов устройства 3 управления (УУ 3) на вторые группы входов блоков 8, 10, 11.
Математическое обоснование достигаемого положительного эффекта следующее.
k
k
k
0k
u
k
Для каждого из совокупности K генераторов, имеющих долговременные относительные нестабильности σ (k=1, …, K) при текущих условиях эксплуатации, одновременно, в течение одного и того же временного интервала измерений, задаваемого (K+1)-м генератором, производится измерение полной фазы φ его колебаний выходного сигнала (k=1, …, K). Для каждого из совокупности K генераторов определяется отклонение Δφ полной фазы его колебаний относительно ее номинального значения φ, соответствующего полной фазе колебаний сигнала номинальной частоты за временной интервал измерений номинальной длительности T, которое умножается на коэффициент m (k=1, …, K). Вычисляется с учетом данных коэффициентов среднее взвешенное значение отклонений полных фаз колебаний всей совокупности К генераторов. Для каждого из K генераторов формируется управляющий сигнал, пропорциональный нескомпенсированному значению отклонения полной фазы соответствующего генератора, определяемому выражением
который изменяет частоту сигнала соответствующего подстраиваемого генератора, приближая ее к номинальной.
k
Необходимо отметить, что при выборе всех коэффициентов m(k=1, …, K), равными единице, получаются результаты, совпадающие с приведенными в [3].
k
0k
k
Добавление операций, связанных с умножением отклонения Δφ полной фазы колебаний генератора относительно ее номинального значения φ на коэффициент m (k=1, …, K), позволяет изменять вклад каждого генератора в формируемое среднее взвешенное значение отклонений полных фаз колебаний всей совокупности K генераторов в зависимости от изменения параметров генераторов при изменении условий функционирования, в том числе и связанных с воздействием неблагоприятных факторов внешней среды, и тем самым обеспечивать компенсацию влияния изменений внешних условий в течение жизненного цикла генераторов.
Для подтверждения возможности осуществления заявляемого патента на полезную модель рассмотрим математическое обоснование возможности стабилизации частоты и достигаемые при этом предельные значения стабильности частоты.
k
0k
k
Пусть, как и в [3], имеется система K+1 независимо функционирующих генераторов, формирующих гармонические или импульсные сигналы с частотами f. Один из генераторов, например, (K+1)-й, используется для задания временного интервала измерений. Данный интервал реализуется при поступлении от (K+1)-го генератора определенного числа импульсов или периодов колебаний. Номинальные частоты генераторов и их относительные нестабильности равны f и σ (k=1, …, K+1).
u
0k
0k
u
0k
k
u
В течение заданного временного интервала измерений T номинальное значение полной фазы выходного сигнала к -го генератора должно составить φ=fT (k=1, …, K+1). Однако из-за влияния различных дестабилизирующих факторов на этапах жизненного цикла частоты всех генераторов отличаются от номинальных и являются случайными функциями времени с математическим ожиданием f и дисперсией D{f}, которая может изменяться в зависимости от внешних условий. Вследствие этого длительность временного интервала измерений T, задаваемого (K+1)-м генератором, реализуется с погрешностью δt, причем
Таким образом, полная фаза выходного сигнала k-го генератора в течение заданного временного интервала может быть представлена в виде
k
u
При записи соотношений (2) и (3) предполагалось, что величина Δf является постоянной в течение временного интервала измерений T.
k
Изменение полной фазы сигнала Δφ, обусловленное отклонениями частоты k-го генератора и длительности временного интервала измерений от номинальных значений, определяется выражением
k
где  - изменение полной фазы колебаний сигнала k-го генератора, связанное с отклонением частоты данного генератора от номинального значения;  - изменение полной фазы колебаний сигнала k-го генератора, обусловленное отклонением длительности временного интервала измерений от номинального значения (k=1, …, K). Слагаемое Δfδt, имеющее более высокий порядок малости по сравнению с  и , в выражении (4) в дальнейшем будет опущено.
k
Уход частоты k-то генератора при известном значении  и задании соответствующего этому значению величины управляющего воздействия частотой генератора на последующем временном интервале может быть практически полностью устранен. Однако для этого необходимо знать величину δt, т.к. измерено может быть только значение отклонения полной фазы Δφ, в которое входит имеющая случайный характер составляющая . При этом точность нахождения 8и (дисперсия оценки данной величины) и будет практически полностью определять предельно достижимую минимальную нестабильность k-го генератора (k=1, …, K).
Для получения оценки δt нестабильности временного интервала используем следующее равенство
k
С учетом сделанного предположения о характере распределения Δf случайные величины  для независимо функционирующих генераторов являются независимыми и подчиняются нормальному закону распределения с нулевым математическим ожиданием и дисперсией
где .
k
Поскольку совокупность значений  удовлетворяет нормальному закону распределения с нулевым математическим ожиданием и дисперсией σ, то для получения оценки  построим функцию правдоподобия
Оценка  получается из условия максимума функции правдоподобия в виде
u
k
Соотношение (8) описывает процесс косвенных измерений временного интервала T, что позволяет определить величину отклонения δt формируемого временного интервала измерений от номинального с использованием измеренных значений Δφ (k=1, …, K). Учитывая центрированный характер распределения случайных величин  и , можно записать
,
Получаемая с учетом ранее приведенных соотношений оценка отклонения фазы k-го генератора, обусловленная собственной нестабильностью, определяется формулой
Последнее выражение показывает, что оценка  является несмещенной, а ее дисперсия равна
Если относительные нестабильности всех K генераторов одинаковы, то достигаемое снижение нестабильности генераторов равно
k
-6
-5
На фигуре 3 приведен график изменения дисперсии оценки временного интервала измерений при изменении набора коэффициентов m, (k=1, …, K). Рассматривалась совокупность ста генераторов (K=100), из которых 99 генераторов (k=1, …, 99) имеют относительную нестабильность 10, а относительная нестабильность последнего генератора (k=100) составляет в результате воздействия неблагоприятных факторов 10. Частоты 99 генераторов (k=1, …, 99) составляют 10 МГц. Для последнего генератора рассматривались случаи номинальной частоты 10 МГц (зависимость 1), 100 МГц зависимость 2) и 1000 МГц (зависимость 3).
100
k
Приведенные зависимости показывают, что увеличение коэффициента m позволяет уменьшить дисперсию оценки временного интервала измерений и тем самым обеспечить уменьшение относительной нестабильности каждого из данной совокупности генераторов. Следует отметить, что для генератора с более высокой частотой значение поправочного коэффициента m уменьшается. Это подтверждается приведенными соотношениями, например, формулой (10).
Устройство стабилизации частоты генераторов, представленное на фиг. 1, работает следующим образом.
1
2
K
1
2
K
Сигналы с выходов стабилизируемых генераторов 1, 1, …, 1 поступают соответственно на 1-й, 2-й, …, K-й входы блока 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов. Одновременно сигналы с выхода (K+1)-го генератора поступают в устройство 3 управления, в котором на основе этих сигналов формируется временной интервал измерений. С первой группы выходов устройства 3 управления сигналы начала и конца временного интервала измерений поступают в блок 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов для начала и прекращения соответственно процесса измерения полных фаз выходных сигналов каждого из стабилизируемых генераторов 1, 1, …, 1.
1
2
K
1
2
K
0k
1
2
K
С выхода блока 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов сигналы, соответствующие измеренным значениям полных фаз выходных сигналов генераторов 1, 1, …, 1, поступают на первую группу входов устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов. Для управления работой устройства 4 сигналы со второй группы выходов устройства 3 управления поступают на вторую группу входов устройства 4. В устройстве 4 производится сравнение измеренных полных фаз выходных сигналов каждого из стабилизируемых генераторов 1, 1, …, 1 с соответствующими граничными значениями, хранящимися в устройстве 4. При превышении указанных граничных значений формируется соответствующий корректирующий коэффициент. Значения корректирующих коэффициентов хранятся в устройстве 4 до следующего цикла измерений. Затем сигналы, соответствующие измеренным значениям полных фаз выходных сигналов генераторов, умножаются на соответствующие корректирующие коэффициенты и поступают на первую группу входов арифметико-логического устройства 6. Для управления работой арифметико-логического устройства 6 сигналы со второй группы выходов устройства 3 управления поступают на вторую группу входов арифметико-логического устройства 6. С третьей группы выходов устройства 3 управления на входы постоянного запоминающего устройства 5 поступают сигналы считывания. С выходов постоянного запоминающего устройства 5, в котором хранятся номинальные значения полной фазы φ (k=1, …, K) сигнала для каждого из стабилизируемых генераторов за временной интервал измерений номинальной длительности, на третью группу входов арифметико-логического устройства 6 поступают сигналы, соответствующие номинальным значениям полных фаз выходных сигналов генераторов 1, 1, …, 1. В арифметико-логическом устройстве 6 на основе сигналов, поступающих из блока 2 измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов, и сигналов из постоянного запоминающего устройства 5 определяются отклонения полных фаз колебаний каждого из K стабилизируемых генераторов от их номинальных значений на интервале измерений. После этого в арифметико-логическом устройстве 6 определяется среднее взвешенное отклонений полных фаз колебаний всей совокупности из K генераторов, а также оценка отклонения полной фазы колебания от номинального значения для каждого из K стабилизируемых генераторов, вычисляемая в соответствии с выражением (1). С выходов арифметико-логического устройства 6 на входы устройства 7 управления частотами стабилизируемых генераторов поступает К сигналов, пропорциональных значениям  (k=1, …, K) соответствующих стабилизируемых генераторов.
На фиг. 2 представлен вариант выполнения устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов, состав которого описан выше. Синхронизация процессов, происходящих в устройстве 4, и управление ими производятся устройством 3 управления посредством передачи сигналов со второй группы выходов на вторую группу входов устройства 4. Вторая группа входов устройства 4 электрически соединена с вторыми входами блока 8 анализа, с вторыми входами блока 10 формирования корректирующих коэффициентов и с вторыми входами блока 11 умножения. Посредством этих связей с второй группы выходов устройства 3 управления сигналы начала и конца временного интервала измерений задают начало и прекращение происходящих процессов.
Устройство 4 формирования корректирующих коэффициентов, представленное на фиг. 2, работает следующим образом.
1
2
K
1
2
K
k
1
2
K
Сигналы, соответствующие измеренным значениям полных фаз выходных сигналов генераторов 1, 1, …, 1 поступают на первую группу входов устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов, которыми являются первые входы блока 8 анализа. Вторые входы блока 8 анализа соответствуют второй группе входов устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов. Посредством сигналов устройства 3 управления задаются начало и прекращение соответственно процесса сравнения полных фаз выходных сигналов каждого из стабилизируемых генераторов 1, 1, …, 1 с граничными значениями, хранящимися в блоке 9 хранения. В каждом из этих значений заложена информация об особенностях соответствующего генератора в процессе эксплуатации (температурный режим, работа в экстремальных условиях и т.п.). Указанные значения поступают на третьи входы блока 8 анализа. Вырабатываемые в блоке 8 сигналы поступают на входы блока 10 формирования корректирующих коэффициентов, где на их основе формируются сигналы, соответствующие значениям m, (k=1, …, K), и хранятся до следующего цикла измерений. В блоке 11 умножения сформированные в блоке 10 корректирующие коэффициенты умножаются на сигналы, соответствующие измеренным значениям полных фаз выходных сигналов генераторов 1, 1, …, 1. В результате на выходе блока 11 умножения, а, следовательно, на выходе устройства 4 формирования корректирующих коэффициентов вырабатываются сигналы, соответствующие измеренным значениям полных фаз выходных сигналов генераторов и учитывающие влияние окружающей среды, которые поступают на первую группу входов арифметико-логического устройства 6.
Таким образом, введение устройства формирования корректирующих коэффициентов, изменение связей между блоком измерения полных фаз выходных сигналов стабилизируемых генераторов и арифметико-логическим устройством и введение связей между устройством управления и устройством формирования корректирующих коэффициентов и между устройством формирования корректирующих коэффициентов и арифметико-логическим устройством позволяет при изменении относительных нестабильностей системы одновременно функционирующих генераторов в условиях изменяющихся внешних параметров и выходе их за рабочий интервал уменьшить ухудшение стабильности данных генераторов.