КОМПАРАТОР БЛИЗКИХ ЧАСТОТ ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ
WIDE-RANGE COMPARATOR OF CLOSELY SPACED FREQUENCIES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при сравнении близких частот в широком частотном диапазоне и определении нестабильности частоты сравниваемых источников при их сличении.
Уровень техники
Известны разные устройства для сравнения частот различных источников колебаний (в т.ч. высокостабильных) с частотами образцовых источников [1-4]. В них реализуются, как правило, разные модификации гетеродинного метода (биений), когда колебания сравниваемых частот поступают на смеситель, на выходе которого с помощью фильтра нижних частот выделяются колебания низкочастотных биений сравниваемых колебаний и далее производится измерение периода колебаний этих низкочастотных биений цифровыми приборами (например, электронно-счетными частотомерами-периодомерами) с последующей обработкой результатов измерений. Эта обработка производится в современных устройствах обычно с привлечением средств вычислительной техники.
n
-7
Так, для сличения частот стабильных источников с образцовой частотой (обычно номинальной 1 МГц или кратной ей 5 МГц) нашла применение т.н. схема Лафама (см., например [3]) с подекадным умножением разности сравниваемых частот (и ее нестабильности и флуктуаций) в большое число раз 10, где n - число умножительных декад. В каждой из этих декад производится умножение частоты сличаемого источника в 10 раз, а образцовой частоты - в 9 раз, а их разность после смесителя равна величине образцовой частоты с умноженной в 10 раз величиной первоначальной разности сличаемых частот и ее нестабильности (и флуктуациям). Такая схема с подекадным умножением разности частот (и ее нестабильности) нашла применение в промышленных компараторах типа Ч7 - 5 [1] и Ч7 - 12 [2] для сличения частот высокостабильных источников колебаний с образцовой частотой 1 МГц (при близости этих частот в пределах ±1·10 от номинального значения). В [6] был предложен компаратор с подекадным умножением сличаемых частот и их разности, в котором для повышения точности используется дополнительный преобразователь образцовой частоты в 99/100 раз для понижения частоты выходного сигнала компаратора, которая складывается с умноженной разностью частот.
-7
Все перечисленные устройства содержат умножители частоты с большим, зачастую, коэффициентом умножения (с добротными резонансными контурами для выделения гармоник), что ограничивает величину сличаемых частот весьма узким диапазоном (около ±1·10) относительно частоты образцового источника со стандартным номинальным значением 1 МГц [1, 2, 3]. Такая узкополосность является серьезным недостатком компараторов с умножителями частоты.
1
2
г
р1
1
г
p2
2
г
1
2
1
2
-7
Известны также более сложные схемы компараторов частот, содержащие два канала со смесителями в каждом канале. На сигнальные входы этих смесителей поступают колебания от сличаемых источников с близкими частотами f≅f, которые могут быть физически идентичными, а на гетеродинные входы смесителей поступают колебания с выхода вспомогательного источника (одного) с частотой f. На выходах смесителей выделяются колебания с разностными частотами f=f-f и f=f-f (так же близкими, как и f и f) специальными фильтрами (обычно ФНЧ). Эти колебания усиливаются и поступают на входы третьего смесителя с фильтром нижних частот на выходе. Усиленные колебания с выхода этого фильтра поступают обычно на входы цифрового измерителя интервалов времени (периодомера). Главным достоинством этой двухканальной схемы является компенсация влияния собственной нестабильности частоты вспомогательного источника (гетеродина) на выходе третьего смесителя. Другим достоинством этой схемы является возможность работы со сличаемыми источниками, работающими в широком диапазоне частот f≅f. Для этого в качестве вспомогательного источника колебаний рекомендовано использовать синтезатор частот (перестраиваемый), как, например, в [3]. Благодаря вышеупомянутой компенсации нестабильности частоты гетеродина такая двухканальная схема со смесителями в каждом канале нашла применение в устройствах для измерения нестабильности частоты источников колебаний с близкими частотами (см., например, [7]). Подобная схема (с некоторыми усложнениями) была предложена еще в [8]. Такая двухканальная схема использована также и в промышленных широкополосных компараторах Ч7 - 39 (диапазон частот от 1 до 50 МГц) и микропроцессорного Ч7 - 45 (диапазон от 1 до 100 МГц) с внешним гетеродином [5]. Эти компараторы предназначены для сличения двух (одинаковых) источников гармонических колебаний с относительной разностью частот не более 1·10.
Общим недостатком рассмотренных двухканальных компараторов с одним общим гетеродином, предназначенных для сличения двух (одинаковых) источников колебаний с близкими частотами и измерения их суммарной нестабильности (и флуктуаций) частоты является то, что нестабильность (и флуктуации) частоты сличаемых источников переносятся на весьма низкую частоту биений, которая определяется малой начальной разностью частот сличаемых источников и, как правило, не регулируется в приборах. Этот недостаток устранен в некоторых устройствах, в которых измеряемая (малая) разность и нестабильность (флуктуации) частот сличаемых источников переносятся на некоторую фиксированную низкую частоту (10 кГц в компараторе Ч7 - 12 [2], или в компараторе, предложенном в [6]). В этих устройствах такой перенос осуществляется при помощи сложных преобразователей образцовой частоты (с фиксированным, как правило, номинальным значением (1 МГц, обычно [2]), в которых используются узкополосные умножители частоты высокой кратности [6].
Сущность изобретения
1
2
1
2
г
1
1
г
p2
2
г
1
г
В предлагаемом компараторе реализуется рассмотренная выше двухканальная схема со смесителями в каждом канале См и См. На их сигнальные входы поступают колебания от сличаемых источников с близкими частотами f≅f, а на гетеродинные входы смесителей поступают колебания с выхода вспомогательного источника (генератора) с частотой f. На выходах смесителей выделяются колебания с разностными частотами fp=|f-f| и f=|f-f| (так же близкими, как и f и f) специальными фильтрами (обычно ФНЧ при низкочастотных колебаниях с разностными частотами). Эти колебания усиливаются и поступают на входы третьего смесителя См3 с фильтром нижних частот ФНЧ на выходе. Усиленные колебания низкочастотных биений сличаемых источников с выхода этого ФНЧ поступают на выход предлагаемого устройства и далее на измерительное устройство ИУ (обычно это цифровой измеритель интервалов времени (периодомер)). В такой двухканальной схеме, как указывалось выше, отклонение частоты гетеродина от номинального значения и ее собственная нестабильность (и флуктуации) исключаются из результата измерения (см., например, прототип [8]).
1
2
1
г
2
сдв
1
2
г
сдв
Для преодоления общего недостатка вышерассмотренных двухканальных компараторов необходимо обеспечить перенос малой начальной разницы частот f и f сличаемых источников, а также их частотной нестабильности и флуктуаций на стабильную низкую частоту (как, например, в компараторе типа Ч7 - 12 на частоту 10 кГц [2]). Для этого в предлагаемом устройстве гетеродинные сигналы поступают в одном канале на соответствующий вход смесителя (например, См) с выхода вспомогательного генератора (гетеродина, частота колебаний которого f перестраивается в некотором диапазоне) непосредственно, а на соответствующий (гетеродинный) вход смесителя в другом канале (См) - через блок сдвига частоты колебаний гетеродина (БСЧ). Этот блок включает в себя собственно гетеродин - двухфазный LC-генератор квадратурных колебаний по патенту РФ №2485667 [9], который обеспечивает фиксированный сдвиг фаз двух генерируемых колебаний 90° в диапазоне перестройки частоты этих колебаний, а также источник стабильной низкой частоты сдвига в виде опорного кварцевого генератора (ОКГ) с делителем частоты (ДЧ) и фазорасщепителем (ФР) выходных колебаний этой низкой частоты сдвига. Этот фазорасщепитель может быть выполнен, например, по схеме деления частоты в четыре раза, при этом получают два выходных колебания со сдвигом фазы 90°. Суммарный коэффициент деления частоты выходных колебаний выбирают таким, чтобы получить необходимое значение частоты сдвига колебаний гетеродина (например, F=1 кГц). Кроме того, в блок сдвига частоты (БСЧ) входят два аналоговых перемножителя (П и П), на одни входы которых поступают колебания с выходов ДФАГ и ФР с «нулевым» (условно) фазовым сдвигом, а на другие входы этих перемножителей поступают квадратурные колебания с других выходов ДФАГ и ФР с фазовым сдвигом 90°. Выходные колебания этих перемножителей суммируются в сумматоре (Сум), на выходе которого и получаются колебания с частотой гетеродина f, сдвинутой (уменьшенной) на величину частоты сдвига F (стабильной из-за ОКГ). Это следует из известной из тригонометрии формулы:
г
сдв
где a=f·t, b=F·t.
Именно это выражение реализуется в алгоритме работы блока сдвига частоты гетеродина (БСЧ).
г
сдв
2
p2
2
г
сдв
1
p1
1
г
р1
p2
сдв
1
2
сдв
1
2
Колебания с частотой f, уменьшенной на величину низкой частоты сдвига F с выхода (Сум) в БСЧ и поступают на гетеродинный вход смесителя См в другом канале предлагаемого устройства. При этом на его выходе получаются колебания с разностной выходной частотой, равной f= =|f-(f-F)|, в то время, как на выходе См в первом канале выделяется колебание с разностной частотой f=|f-f|. Эти колебания с разностными частотами f и f, отфильтрованные и усиленные, поступают на входы третьего смесителя с ФНЧ и усилителем на выходе, где выделяются колебания с выходной частотой, равной стабильной (из-за ОКГ) низкой частоте сдвига F, которая складывается (алгебраически) с начальной разностью частот, сличаемых источников |f-f|, а также с их суммарной частотной нестабильностью (и флуктуациями) Δf. Именно эти выходные колебания с предлагаемого устройства (компаратора близких частот широкодиапазонного) с частотой (F+|f-f|+Δf) и поступают далее на измерительное устройство (ИУ), в котором и должно производиться измерение периода колебаний цифровым методом и дальнейшая обработка результатов измерений.
г
г
г
сдв
1
г
сдв
вых
сдв
1
2
2
Для расширения диапазона частот входных сигналов от сличаемых источников сверх диапазона перестройки частоты гетеродина f в ДФАГ к гетеродинным входам смесителей См1 и См2 подключены одинаковые генераторы гармоник ГГ1 и ГГ2, на входы которых и подаются колебания с выхода ДФАГ с частотой f (на См1) и колебания с выхода Сум в блоке сдвига частоты (БСЧ) с частотой (f-F). Тогда колебания с близкими частотами f и f от сличаемых источников будут взаимодействовать в смесителях См1 и См2 с ближайшими к ним гармониками частот гетеродина n·f и n·(fг-F), а частота выходного колебания устройства будет содержать соответствующую гармонику f=(nF+|f-f|+Δf).
1
2
1
2
Схема предлагаемого устройства - компаратора близких частот широкодиапазонного представлена на Фиг. 1. Она содержит два канала со смесителями 1 и 2, на сигнальные входы которых Bx1 и Вх2 поступают колебания с выходов сличаемых источников с близкими частотами f≅f. К выходам смесителей 1 и 2 подключены входы последовательно включенных фильтров 3 с усилителем 5 и фильтра 4 с усилителем 6. Выходы этих усилителей соединены со входами третьего смесителя 7, выход которого через фильтр нижних частот 8 и низкочастотный усилитель 9 соединен с выходом предлагаемого устройства. Гетеродинные сигналы формируются в блоке сдвига частоты (БСЧ) колебаний гетеродина, в состав которого входит двухфазный автогенератор квадратурных колебаний 10 по патенту РФ [9], два выхода которого соединены с входами аналоговых перемножителей 14 и 15. В БСЧ также входят последовательно соединненые опорный кварцевый генератор (ОКГ) 11, делитель частоты (ДЧ) 12 и фазорасщепитель (ФР) 13, выходы которого соединены с другими входами перемножителей 14 и 15. Выходы этих перемножителей 14 и 15 соединены со входами сумматора 16. Один выход ДФАГ 10 соединен также с входом генератора гармоник ГГ17, выход которого соединен с гетеродинным входом См 1, а выход сумматора 16 БСЧ соединен с входом такого же генератора гармоник ГГ2 18, выход которого соединен с гетеродинным входом второго смесителя См 2. Работа этого компаратора была рассмотрена выше.
сдв
Технический результат заключается в предлагаемом устройстве в переносе на стабильную низкую частоту F, сформированную из высокостабильных колебаний кварцевого генератора ОКГ 11, начальную малую разность частот |f1-f2| сличаемых источников плюс их суммарную частотную нестабильность (и флуктуации) Δf, а также в расширении диапазона частот сличаемых источников за счет использования для формирования гетеродинных сигналов перестраиваемого двухфазного автогенератора (ДФАГ) 10 по патенту РФ №2485667 с блоком сдвига частоты БСЧ и, при необходимости, генераторов гармоник 17 и 18.
Источники информации
1. Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А.П. Горшкова. - М.: «Советское радио», 1971. - 336 с.
2. Справочник по радиоизмерительным приборам. / Под ред. В.С. Насонова. Т. 2. Измерение частоты, времени и мощности. - М.: «Советское радио», 1977. - 272 с.
3. Измерения в электронике: Справочник / Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с.
4. Одуэн К. Частотная метрология. Лекция в трудах междунар. школы им. Э. Ферми. Перевод Е - 32898. - ЦООНТИ/ВНО. - М.: Всесоюзный центр переводов (ВЦП), 1983. - 82 с. Оригинал: Audoin С. Freqency Metrology. - Pros. International School Phys. Enrico Fermi (Varonna on Lave Cairo 1976). - Amsterdam: 1980. - P. 169-222.
5. Каталог изделий промышленности средств связи '91/92, 27-е издание. Радиоизмерительные приборы, часть 1. М.: НИИ «ЭКОС». 1990. - С. 83 - 84.
6. Компаратор частоты. Авт. свид. №441522, МПК G01R 23/00, СССР, заявл. 14.03.72, опубл. 30.08.1974. Бюл. №32 / авторы: Гусев В.М., Векшин В.П.
7. Методы измерений стабильности частоты. Современное состояние и последние достижения / Гроссламберт Д.К., Фест Д., Оливье М., Хардин Дж. (Доклад на конф.) Перевод М-26312. - ЦООНТИ/ВНО. - М.: Всесоюзный центр переводов (ВЦП), 1986. - 21 с. Оригинал: Grosslambert J., Fest D., Olivier M., Hardin J. Frequency Stability Measurevent Methods. State of the Art and Recent Progress. - Proceedings of the Europian Conference on Circuit Theory and Design, 6; Stuttgart; FRG, 1983.
8. Компаратор близких частот. Авт свид. №599223, МПК G01R 23/00 СССР, заявл. 07.12.1976, опубл. 25.03.1978. Бюл. №11 / авторы: Новиков Г.Д., Козодаев А.Г., Болотов И.М., Лакеев В.А., Субботин М.Я. и Соболева И.И.
9. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний. Патент РФ № RU 2485667 С2, МПК H03B 27/00 (2006.01), заявл. 15.06.2011 г., опубл.20.06.2013. Бюл. №35 / Патентообладатель: ФГБОУ БГАРФ (RU), автор: Ермоленко И.А.