ПРЕЦИЗИОННЫЙ ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР
PRECISION DIGITAL FREQUENCY METER

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.
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].
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.
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.
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:
- 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;
- 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;
- наличие единственного источника сигнала ошибки - фазового детектора - исключает возможность работы в октавном диапазоне и более, так как может привести к ошибке в несколько раз.
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.
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.
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.
Заявляемое изобретение решает задачу создания цифрового частотомера, имеющего повышенную точность однократных измерений фазы и фазовых шумов, а также повышенную точность измерения частоты.
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.
Предлагаемый прецизионный цифровой 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 - первый аналого-цифровой преобразователь (первый АЦП);
8 - микроконтроллер;
9 - блок обработки информации, индикации и управления;
10 - второй высокочастотный аналого-цифровой преобразователь (второй АЦП);
11 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
12 - средство управления оперативным запоминающим устройством (средство управления ОЗУ);
Fx - неизвестная частота;
Fs - частота сигнала с выхода синтезатора (синтезированная из опорной частоты).
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".
Устройство работает следующим образом.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Микроконтроллер 8 служит для управления процессом измерения в реальном масштабе времени.
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).
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.
При этом возможно получение двух разных результатов.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
В качестве фазового детектора может использоваться частотно-фазовый детектор.
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.