ЧАСТОТОМЕР
FREQUENCY METER

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и, в частности, к технике систем автоподстройки частоты (АПЧ) и может быть использовано в радиоизмерительной технике и радиотехнике.
Задача создания нового частотомера остро поставлена в связи с открытием нового типа колебаний регламентируемых колебаний (РК) [1-4], главной особенностью которых является материальная фиксация знака частоты генерируемых РК и невозможность обнаружения знака частоты РК современными частотомерами и однолучевыми осциллографами.
За 40 лет развития с 50-х до 90-х годов 20 века частотометрия в лице серийно выпускаемых только в СССР частотомеров прошла гигантский путь от стрелочного и неуклюжего ИЧ-6 до вычислительного ЧЗ-65. И вот парадокс нашего времени! Ни один из этих частотомеров не различает знак частоты измеряемого РК! С зарубежными частотомерами ситуация аналогичная! Автор объясняет этот парадокс слишком запоздалым открытием Первого закона колебаний! В силу своей значимости простоты и наглядности он должен был познан человечеством в бурные 30-е годы 20 века, и появился впервые в упомянутых выше Российских патентах в 2004-2011 гг., а опубликован в докладах автора на международных научных конференциях в гг. Н.Новгороде, Воронеже в 2014 г. [5, 6].
Однако регламентируемая частотометрия уже пробивает себе дорогу. Еще в 2007 г. опубликована первая заявка на эту тему [7], а в процессе патентования первого Российского регламентируемого способа радиоприема в 2015 г. [8] был выявлен прототип настоящей заявки. Этим прототипом является замкнутая цепь операций, обеспечивающая астатическую импульсно фазовую автоподстройку (АИФАП) частоты перестраиваемого генератора фазы (ПГФ) к частоте преобразованного принятого при радиоприеме сигнала.
Признаки прототипа, общие с заявленным частотомером, следующие:
1. На входе включен импульсный преобразователь периода (ИПП) измеряемого по частоте f произвольного сигнала U (например U=UоCosф), выходной импульс которого I имеет постоянные во времени амплитуду и длительность и является адекватным носителем информации о текущих значениях фазы ф и частоты f=dф/dt.
2. Импульс I с выхода ИПП подают на первый вход импульсного частотно-фазового детектора (ИЧФД) и далее через астатическое звено (AЗ) и ПГФ контур узлов АИФАП замыкается. Такое необычное включение контура АИФАП обеспечивает частотно-фазовую демодуляцию в радиоприемнике регламентируемых колебаний, т.е. в прототипе.
А вот признаки предлагаемого нового частотомера, отличительные от прототипа.
3. К выходу сумматора АЗ подключен цифровой вольтметр с десятичным табло и знаковым разрядом. И этот признак главный отличительный, который порождает частотомер!!
Два других признака являются вспомогательными, т.к. дополняют главный.
4. Вход временно переключен к входу Эталонного генератора регламентируемых колебаний (ЭГРК), а показания калибруются по табло ЦВ прецизионным переменным резистором во входной цепи аналогового интегратора ПГФ, согласно паспортным значениям абсолютной величины и знака частоты ЭГРК.
5. Вводят новый вариант ИЧФД на современных электронных ключах.
Сущность нового процесса измерения частоты заключается в следующем. Между W-выходным напряжением АЗ и пилообразным напряжением Ф на выходе интегратора ПГФ имеет место следующая зависимость:
где напряжение Ф=Фофп, В,
Фо – масштаб, В,
фп - дробная часть фазы ПГФ, бр (безразмерная),
RC, постоянная времени аналогового интегратора ПГФ, с,
t, текущее время, с,
t(i-1), мгновенный момент времени окончания последнего значения целой части мгновенной фазы на выходе ПГФ, с.
Интегратор в ПГФ необычный, т.к. в нем имеется дополнительная импульсная обратная связь, из-за этого он и является патентом России (см. [2]), где обосновано поведение целой и дробной частей фазы. Контур АИФАП обеспечивает высокоточную подстройку частоты пилы ПГФ (1) к частоте f измеряемого сигнала U. В установившемся режиме, когда все переходные процессы в контуре АИФАП закончатся, когда управляющее напряжение W*, практически, станет постоянным, из (1) после дифференцирования получим
Сущность нового частотомера в (2). Измеряя на ЦВ установившееся управляющее напряжение W*, фактически, измеряют частоту f.
Физические параметры R и С имеют класс точности 0,1-0,05%. Масштаб Фо не физический параметр, а число и поэтому на стабильность и точность коэффициента пропорциональности в (2) не влияет. Переменный резистор во входной цепи интегратора калибрует частотомер в небольших пределах на фоне большой величины прецизионного постоянного резистора R в этой цепи и поэтому на точность нового частотомера будет влиять незначительно и хуже ее не сделает. А главное преимущество в быстродействии, которое превышает достигнутый уровень в тысячи раз.
Для тех, кто не знаком с элементами аналоговой техники, покажется странным наличие в (1) знака -. На самом деле это материальная технологическая реальность, данная нам в ощущениях, т.е. материя, которая спешит действовать по принципу
Одна материя сменить другую
Спешит, дав людям чудеса!
Чудеса - это те новые технологии, которые несет аналоговый ПГФ в радиотехнику и частотомерию!! Ради этого стоит и пережить материальную технологичность!
Мировая новизна предлагаемого ЧРК не вызывает сомнений, т.к. все патенты по РК находятся в России и патентный поиск по ним завершен. О высоком изобретательском уровне нового частотомера свидетельствует простота конструкции, что удешевит серийные образцы в сотни раз, быстродействие измерения частоты возрастает в тысячи раз при сохранении уже достигнутого уровня точности измерений.
На фиг. 1 приведена функциональная схема частотомера, на фиг. 2 - частотная характеристика ИЧФД, на фиг. 3 - фазовая характеристика ИЧФД, на фиг. 4 - частотная характеристика ПГФ. На фиг. 5 изображен дополнительный вариант функциональной схемы ИЧФД, предложенный автором. На фиг. 6 приведены рабочие осциллограммы ИЧФД.
На частотомер (фиг. 1) подается измеряемый периодический сигнал U произвольной формы, например, в виде косинусоиды
где Uo=const, амплитуда, В, а
ф - дробная часть мгновенной фазы измеряемого сигнала, а его частота
Через переключатель калибровки 1 сигнал U традиционно подается на импульсный преобразователь периода (ИПП) 2, выходной импульс I которого с постоянными амплитудой и длительностью является идеальным носителем информации о фазе и частоте измеряемого сигнала и который через ИПП поступает на первый вход импульсного частотно-фазового детектора (ИЧФД) 3, замыкающего через его второй вход контур узлов системы 4 астатической импульсно-фазовой автоподстройки (АИФАП) частоты fп перестраиваемого генератора фазы (ПГФ) 5 к частоте f измеряемого сигнала и управляемого через астатическое звено (АЗ) 6. Информация об измеряемой абсолютной частоте и ее знаке частоты считывается с десятичного табло 7 цифрового вольтметра 8. Калибровка частотомера регламентируемых колебаний (ЧРК) осуществляется прецизионным резистором во входной цепи аналогового интегратора ПГФ при кратком переключении тумблера 1 к выходу ЭГРК 9 по табло 7 согласно паспорту ЭГРК.
Самым трудоемким для понимания предлагаемого ЧРК является трехмерная характеристика ИЧФД, т.е. зависимость его выходного напряжения Ц от сдвига ψ между фазами ф, фп и от подстраиваемой частоты fп в ПГФ. Когда контур АИФАП подстроил частоту ПГФ fп к частоте измеряемого сигнала f, то на выходе ИЧФД устанавливается нулевое напряжение, что свидетельствует о подстройке fп к f с нулевой погрешностью, и о подстройке фазы фп в ПГФ к фазе ф измеряемого сигнала также с нулевой погрешностью. Это и есть второй порядок астатизма по частоте!!
ЦВ на табло покажет точное абсолютное значение измеряемой частоты и ее знак. На сечении этой характеристики по оси fп, имеющем вид Z характеристики (фиг. 2), это равновесное состояние отмечено знаком *. Как только частота f изменится, напряжение Ц станет либо +Цо, если f>f*, либо -Цо, если f<f*. В обоих случаях в контуре АИФАП начнется процесс поиска частоты fп до тех пор, пока частота fп не сравняется с с новым значением измеряемой частоты f, при этом нулевое значение частоты проходится беспрепятственно!! Когда наступит равенство частот, ИЧФД переходит в режим фазовой автоподстройки и наступает состояние второго порядка астатизма (фиг. 3), при котором Ц=0.
Следует отметить удивительную особенность ПГФ в ЧРК. Перекрытие перестраиваемых частот беспрецедентное в современной радиотехнике!! Частотная характеристика ПГФ (фиг. 4) была снята на ГВС "Русалка", в которой предельная рабочая частота fα операционного усилителя (ОУ) равна 700 кГц. С ростом этой частоты это перекрытие может быть значительно расширено. Серийный отечественный ОУ К574УД1 имеет fα=10 мгц, в литературе имеются сведения о зарубежных аналогах с fα=70 мгц, ведутся работы по созданию ОУ на оптоэлектронике. Так что Российский ПГФ имеет хорошую перспективу на будущее.
На фиг. 5 приведено решение ИчФД на электронных ключах КН590КН4 и КН590КН9. На управление ключей 10 и 11 импульс I поступает в противофазе (фиг. 6а), б)), что обеспечено, например, одной ячейкой И-НЕ 12 микросхемы К176ЛА7 на входе второго ключа. В результате пила Ф, поданная на вход ключа 10, будет стробироваться за счет запоминания мгновенного значения пилы Ф на конденсаторе С1 (фиг. 6 в)) только во время импульса I, с последующей перезаписью и качественным запоминанием его на конденсаторе С2 (фиг. 6 г)). Главной особенностью этого решения является схема поиска (СП), стоящая на выходе ИЧФД и выполненная на ключе 13, включающем СП в контур АИФАП на время поиска измеряемой частоты f. Если f в процессе измерения изменяется в небольших пределах, то СП не нужна, а если в больших, да еще скачком, то она включается за счет переключения входа АЗ к выходу триггера 14, управляемого по нечетным входам и подключаемого в контур, как только стробирующий импульс переместится из нуля на край фазовой характеристики (см. фиг. 3) Как только частота fп сравняется с f, СП отключится, сработает контур автоподстройки, установится очередное W* и произойдет измерение частоты f на табло ЦВ. Возвращение триггера СП в исходное состояние происходит под воздействием импульса с элемента И-НЕ 15 при вхождении контура АИФАП в синхронизм, закреплении строба с последующей перезаписью этого значения на конденсатор С2 и высококачественном запоминании его на время периода импульса I за счет памяти аналогового интегратора в 11 при разомкнутом его входе (фиг. 6г)) (ψ убывает).
Узлы ЧРК были испытаны в разное время на отечественных микросхемах. ПГФ и АЗ прошли опытную апробацию на ГВС "Русалка". Опытно показана линейность частотной характеристики ПГФ (см. фиг. 4) в пределах ±200 кГц. В качестве ИЧФД предполагалось применить ИЧФД по АС СССР №884075 [9] либо [10]. Однако более качественный ИЧФД на низких частотах автор видит в решении на современных электронных ключах типа КН590КН4, который входит в материал заявки.
Перечень отечественных микросхем, примененных в экспериментах: ПГФ и AЗ: МЛ4806, К574УД1; ИЧФД: КН590КН4, КН590КН9. К176ЛА7.
Цифровые вольтметры, примененные в опытах: отечественный Щ1315, китайский мультиметр DT83B. Применимы любые цифровые вольтметры. Осциллографы отечественные: двулучевой С1-94, двулучевой С1-55, однолучевой С1-65.
Список использованных источников
1. Патент RU №2131144, Способ генерирования колебаний / Авт. изобр. Прокофьев E.B., G06G 7/26, Н03В 1/0, опубл. Б 15, 1999 г.
2. RU №2294053, Генератор пилообр. напряжения / Авт. Прокофьев Е.В., Тюрин А.В. Колесников С.Н. Осенчугов А.Н., Н03К 4/50, опубл. Б 5, 2007 г.
3. Патент RU №2481696, Генератор автоколебаний. Прокофьева / Авт. изобр. Прокофьев Е.В., Н03В 5/08, G06G 7/26, опубл. Б 13, 2013 г.
4. Патент RU №2483427, Способ генерирования регламентированных колебаний / Авт. изобр. Прокофьев Е.В., Н03В 11/00, опуб. Б 30, 2012 г.
5. Прокофьев Е.В. Гамма колебательных контуров регламентируемых колебаний / Тезисы доклада на XX Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" ИСТ-2014, Нижний Новгород, 2014 г. (опубл. на дискете).
6. Прокофьев Е.В. Синтез частот регламентируемых колебаний / Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции "СИНХРО-ИНФО", г. Воронеж, 2014 г. (опубл. на дискете).
7. Прокофьев Е.В. Способ измерения частоты колебательного процесса / Заявка RU №2006115725, G01R 22/10, Б 32, 2007 г.
8. Прокофьев Е.В. Способ радиоприема / Заявка RU №2014135994/07 (058274), 2014 г.
9. АС СССР №884075, Импульсно-фазовый детектор / Авт. изобр. Прокофьев Е.В., Лаптенков Г.Г., H03D 13/00, опубл. Б 13, 1981 г.
10. АС СССР № 720686 Импульсно-фазовый детектор / Авт. изобр. Озеров В. и др., Н03D, 1981 г.
11. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги / т. 6, М: Радиософт, 2000 г.