ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ
APPARATUS FOR MEASURING FREQUENCY DEVIATION OF FREQUENCY-MODULATED OSCILLATIONS

Изобретение относится к устройствам для измерения глубины частотной модуляции - девиации частоты частотно-модулированных колебаний и может быть использовано в области радиоэлектронных измерений.
Известно устройство для измерения девиации частоты (Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. - М.: Энергия, 1975, стр.40, рис.8.18), содержащее последовательно соединенные входное устройство, вход которого является входной шиной устройства, смеситель и электронно-счетный частотомер, гетеродин, выход которого подключен ко второму входу смесителя. Это устройство обладает низкой точностью измерения девиации частоты, особенно при малых ее значениях, что обусловлено ошибками, вносимыми в процесс измерения, электронно-счетного частотомера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является измеритель девиации частоты частотно-модулированных колебаний (Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. - М.: Энергия, 1975, стр.40, рис.8.16), выбранный в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит последовательно соединенные входной блок, вход которого является, входной шиной устройства, смеситель, амплитудный ограничитель, частотный дискриминатор, фильтр нижних частот, пиковый детектор и индикатор, гетеродин, выход которого подключен к другому (опорному) входу смесителя. В основу работы устройства положено преобразование частотной модуляции в амплитудную модуляцию.
Сигнал на выходе пикового детектора, и соответственно на выходе устройства, можно записать как
д
0
пд
чд
1
п
1
1
где ω девиация частоты, U уровень ограничение амплитуды сигнала в амплитудном ограничителе, к - коэффициент передачи пикового детектора, который можно положить равным 1, к - крутизна характеристики частотного дискриминатора при напряжении амплитуды сигнала на его входе, равной 1 В, с размерностью В·С/рад, Δω=ω-ω - расстройка между центральной частотой энергетического спектра ωn процесса на входе частотного дискриминатора и переходной частоты ω последнего.
вых
д
1
чд
0
1
чд
0
Как видно из выражения (1), величина напряжения U(t) может изменяться не только вследствие изменения величины девиации частоты ω, но и вследствие изменения таких нестабильных во времени факторов как величина переходной частоты ω и крутизны к частотного дискриминатора и уровня ограничения U в амплитудном ограничителе, причем все эти величины (ω, к, U) статистически независимы.
Основным недостатком известного устройства-прототипа является низкая точность измерения. Низкая точность измерения обусловлена тем, что на результаты измерения существенно влияют такие мало стабильные во времени факторы как величина переходной частоты и крутизны частотного дискриминатора, а также стабильность уровня ограничения в амплитудном ограничителе. Незначительные изменения этих параметров блоков, обусловленные нестабильностью параметров элементов, приводит к существенным изменениям результатов измерения, что особенно скажется при измерении малых величин девиации частоты. В процессе работы требуются непрерывные контроль и подстройка перечисленных параметров, что усложняет процесс работы с известным устройством.
Задачей изобретения является повышение точности измерения за счет снижения влияния нестабильностей параметров тракта обработки на результат измерения.
Сущность изобретения заключается в том, что в измеритель девиации частоты частотно-модулированных колебаний, содержащий входной блок, вход которого является входной шиной устройства, последовательно соединенные гетеродин и смеситель, амплитудный ограничитель, фильтр нижних частот и индикатор, в отличие от прототипа, введены последовательно соединенные дифференциатор, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, первый квадратор, первый усреднитель, блок деления и блок извлечения квадратного корня, выход которого подключен к входу индикатора, последовательно соединенные второй квадратор, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, и второй усреднитель, выход которого подключен ко второму входу блока деления, при этом вход амплитудного ограничителя подключен к выходу входного блока, а выход - ко второму входу смесителя, вход фильтра нижних частот подключен к выходу смесителя.
Технический результат от использования предлагаемого устройства достигается за счет снижения влияния нестабильностей параметров тракта обработки на результат измерения, что исключает необходимость точной установки и поддержания определенного уровня трудно стабилизируемых параметров тракта обработки. Например, изменение уровня ограничения в амплитудном ограничителе в процессе работы предлагаемого устройства не приводит к ошибкам измерения, если при этом полностью устраняется паразитная амплитудная модуляция, что может достигаться в широком диапазоне возможных значений уровня ограничения. Кроме того, в предлагаемом устройстве отсутствует необходимость стабилизации такого трудно стабилизируемого параметра частотного дискриминатора, как его переходная частота. Все это повышает точность измерения девиации частоты, особенно при ее малых значениях.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого измерителя девиации частоты частотно-модулированных колебаний и введены обозначения:
1 - входной блок;
2 - амплитудный ограничитель;
3 - смеситель;
4 - фильтр нижних частот;
5 - дифференциатор;
6-1, 6-2 - первый и второй квадраторы;
7-1, 7-2 - первый и второй усреднители;
8 - блок деления;
9 - блок извлечения квадратного корня;
10 - индикатор;
11 - гетеродин.
На фиг.2 приведены эпюры напряжений в различных точках схемы, где индекс обозначает номер блока, на выходе которого рассматривается процесс.
Предлагаемый измеритель девиации частоты частотно-модулированных колебаний (фиг.1) содержит последовательно соединенные входной блок 1, вход которого является входной шиной устройства, амплитудный ограничитель 2, смеситель 3, фильтр нижних частот 4, дифференциатор 5, первый квадратор 6-1, первый усреднитель 7-1, блок деления 8, блок извлечения квадратичного корня 9 и индикатор 10, последовательно соединенные второй квадратор 6-2, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот 4, и второй усреднитель 7-2, выход которого подключен ко второму входу блока деления 8, гетеродин 11, выход которого подключен к другому входу смесителя 3.
Предлагаемый измеритель девиации частоты частотно-модулированных колебаний работает следующим образом.
c
с
c
д
Частотно-модулированное колебание U(t) центральной частотой ω и постоянной амплитудой U, промодулированное по частоте, например, однотональным сигналом низкой частоты Ω, имеющее девиацию частоты ω, поступает на вход входного блока 1, предназначенного для развязки источника сигнала и цели измерения. Мгновенное значение частоты исследуемого сигнала можно записать в виде
с
д
ω(t)=ω+ωcosΩt.
Полная фаза такого сигнала записывается в виде
c
c
где φ - начальная фаза сигнала, в общем случае - случайна. Для упрощения выкладок положим φ=0.
c
Входной сигнал U(t) и, соответственно, на выходе входного блока 1 можно записать в виде
1
c
c
c
c
U(t)=U(t)=Ucos(ωt+nsinΩt+φ),
где  - индекс частотной модуляции.
0
С выхода входного блока 1 сигнал подается на вход амплитудного ограничителя 2, в котором осуществляется ограничение (жесткое) амплитуды сигнала на уровне U для устранения паразитной амплитудной модуляции, которая могла содержаться в сигнале. При этом в сигнале сохраняется только частотная модуляция. Выходной сигнал амплитудного ограничителя 2
2
0
c
c
U(t)=Ucos(ωt+nsinΩt+φ)
поступает на сигнальный (второй) вход смесителя 3.
г
с
с
г
г
0
На опорный (первый) вход смесителя 3 с выхода гетеродина 11 поступает гармоническое колебание с частотой ω=ω, что достигается соответствующей настройкой гетеродина по известной величине ω, и амплитудой U величина которой U>>U.
г
Колебания U(t) на выходе гетеродина 11 можно представить в виде
г
г
с
c
U(t)=Ucos(ωt+φ),
г
где φ - случайная начальная фаза колебаний гетеродина 11.
с
В смесителе 3 осуществляется перемножение входных сигналов, в результате чего образуется две частотные составляющие: на разностной, т.е. нулевой, частоте и на удвоенной частоте сигнала, т.е. на частоте ω=2ω.
дmax
С выхода смесителя 3, сигнал поступает на вход фильтра нижних частот 4, полоса пропускания которого Δω равна максимально возможной девиации частоты исследуемого сигнала, т.е. Δω=ω. В нем осуществляется фильтрация низкочастотной составляющей преобразованного в смесителе 3 сигнала. Тогда сигнал на выходе фильтра нижних частот 4 можно записать в виде
4
2
г
нч
0
г
1
U(t)=U(t)U(t)|=0,5UUcos(nsinΩt+φ)=kcos(nsinΩt+φ),
с
г
1
0
г
где φ=φ-φ - разность начальных фаз; k=0,5UU - коэффициент.
4
Сигнал U(t) с выхода фильтра нижних частот 4 одновременно поступает на вход дифференциатора 5 и на вход второго квадратора 6-2.
Сигнал на выходе второго квадратора 6-2 можно записать в виде
6-2
2
1
4
2
2
U(t)=U (t)=k cos(nsinΩt+φ).
После усреднения этого сигнала во втором усреднителе 7-2 получается сигнал, который можно записать в виде
где учтено, что
7-2
Сигнал U(t) с выхода второго усреднителя 7-2 поступает на вход делителя (второй вход) блока деления 8.
Сигнал на выходе дифференциатора 5 можно записать в виде
5
С выхода дифференциатора 5 сигнал U(t) поступает на вход первого квадратора 6-1, выходной сигнал которого можно записать в виде
После усреднения этого сигнала в первом усреднителе 7-1 формируется сигнал, который можно записать в виде
7-1
Сигнал U(t) с выхода первого усреднителя 7-1 поступает на вход делимого (первый вход) блока деления 8, выходной сигнал которого можно записать в виде
д
где учтено равенство ω=nΩ.
8
С выхода блока деления 8 сигнал U(t) поступает на вход блока извлечения квадратного корня 9, выходной сигнал которого можно записать в виде
д
Таким образом, сигнал на выходе блока извлечения квадратного корня 9 прямо пропорционален девиации частоты ω, которую требуется измерить.
Этот сигнал далее поступает на индикатор 10, например стрелочный вольтметр или цифровой вольтметр, показания которого проградуированы в частоте с учетом коэффициента 0,707. Таким образом, на индикаторе 10 отображается измеренная величина девиации частоты исследуемого процесса.
Для выявления наличия гармонических и комбинационных составляющих, возникающих в тракте обработки сигнала и влияющих на результирующий сигнал в предлагаемом устройстве, произведем оценку различных преобразований.
Входной блок 1 является линейным усилителем и не изменяет спектральные соотношения сигнала. В амплитудном ограничителе 2, как показано выше, высшие гармоники преобразования подавляются и без искажений пропускаются частотные составляющие в окрестностях первой гармоники, т.е. на частоте сигнала, поэтому новых гармонических составляющих не позволяется. В амплитудном ограничителе 2 не возникают также и комбинационные составляющие т.к. изменения амплитуды и фазы сигнала происходят относительно медленно.
В смесителе 3 происходит смешение исследуемого сигнала с мощным высокостабильным гармоническим колебанием гетеродина 11. Поэтому в смесителе 3 возникают только составляющие на нулевой частоте и на частотах существенно выше последней - удвоенной и т.д. частотах несущей колебаний гетеродина 11, и не возникает комбинационных составляющих. Все высокочастотные составляющие, как показано в описании, подавляются фильтром нижних частот 4.
Таким образом, с помощью смесителя 3, фильтра нижних частот 4 и гетеродина 11 производится линейный перенос спектра обрабатываемого сигнала в область нулевой частоты (в область постоянной составляющей) без возникновения дополнительных гармонических и комбинационных составляющих.
Дифференциатор 5 представляет собой с точки зрения преобразования сигнала линейный элемент (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Сов. радио, 1971, стр.215), поэтому в нем не возникают гармонические и комбинационные составляющие.
В квадраторах 6-1 и 6-2 осуществляется возведение в квадрат мгновенных значений сигналов на их входах, скорость изменения которых относительно мала, а несущая частота, как указывалось выше, равна нулю. При этом, как известно (Заездный A.M. Основы расчетов по статической радиотехнике. - М.: Связь, 1969, стр.379), коэффициент корреляции процесса также возводится в квадрат, что означает расширение энергетического спектра процесса в квадраторах 6-1 и 6-2 за счет появления комбинационных составляющих.
Однако далее сигналы подаются на усреднители 7-1 и 7-2, которые выделяют только постоянные составляющие процессов на их входах в виде сигналов постоянного тока, которые пропорциональны математическим ожиданиям процессов на выходах соответствующих квадраторов 6-1 и 6-2. Поэтому влияние комбинационных составляющих на выходах квадраторов, кроме составляющей на нулевой частоте, устраняется, а с помощью последовательно соединенных квадраторов 6-1 и 6-2 и усреднителей 7-1 и 7-2 формируются сигналы постоянного тока, пропорциональные дисперсиям процессов на входах этих квадраторов.
В блоке деления 8 осуществляется деление одного сигнала постоянного тока на другой сигнал постоянного тока и формируется также сигнал постоянного тока, и соответственно отсутствуют при этом преобразовании гармонические и комбинационные составляющие.
В блоке извлечения квадратного корня 9 производится преобразование над сигналом постоянного тока, и в результате также формируется сигнал постоянного тока, в котором отсутствуют гармонические и комбинационные составляющие, и отсутствует их влияние на показания индикатора 10.
Таким образом, преобразования сигнала в заявленном устройстве не приводят к влиянию различных гармонических составляющих, появляющихся в различных участках цепи тракта обработки, на результирующий сигнал и соответственно не снижает результирующую точность оценки девиации частоты.
Сопоставляя выражения (1) и (2) для прототипа и предлагаемого устройства, соответственно, можно сделать вывод о том, что влияние нестабильностей параметров тракта обработки снижено и тем самым повышена точность измерения девиации частоты. Это достигается тем, что, например, влияние нестабильности уровня ограничения в амплитудном ограничителе устранено соответствующей нормировкой в блоке деления 8, что, в свою очередь, позволяет снизить технические требования к ограничителю. Такой нестабильный по параметрам элемент как частотный дискриминатор в предложенном устройстве не используется вовсе. Все это привело к достижению технического результата, что особенно проявляется при измерении величины девиации частоты в широком диапазоне от больших величин до малых значений.
Таким образом, предлагаемый измеритель девиации частоты частотно-модулированных колебаний обеспечивает снижение влияния нестабильностей параметров тракта обработки на результат измерения, что повышает точность измерения величины девиации частоты исследуемого процесса в широком диапазоне ее возможных значений.