Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ 11
1.1. Параметры сигналов с угловой модуляцией 11
1.2. Рабочие средства измерений девиации частоты 13
1.3. Эталоны и образцовые средства измерений девиации частоты 14
1.4. Обзор известных методов измерения девиации частоты 15
Выводы 25
2. РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЕ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ 27
2.1. Осциллографический метод с дифференцированием ЧМ сигнала 27
2.2. Фазовый метод измерения индекса модуляции . 33
Выводы 41
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ 42
3.1. Мэтод электронно-счетного частотомера 42
3.2. Мэтод измерения девиации частоты по экстремальному значению мгновенной частоты 68
3.3. Мэтод измерения девиации частоты по экстремальному значению периода ЧМ сигнала 70
Выводы 85
4. КОШАРИРОВАНИЕ ДЕВИАЦИЙ ЧАСТОТЫ ЧМ СИГНАЛОВ 87
4.1. Требования, предъявляемые к компараторам девиаций частоты 87
4.2. Кошарирование средних и больших девиаций частоты 88
4.3. Кошарирование малых девиаций частоты 94
Выводы 97
5. РАЗРАБОТАННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОМПАРИРОВАНИЯ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ 99
5.1. Измеритель пиковых значений девиации частоты 99
5.2. Компаратор государственного специального эталона единицы девиации частоты 103
5.3. Автоматизированный компаратор девиаций частоты . 107
Выводы 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
ЛИТЕРАТУРА 117
Приложение I. Дифференцирование ЧМ сигнала
Приложение 2. Акты внедрения 134
- Параметры сигналов с угловой модуляцией
- Осциллографический метод с дифференцированием ЧМ сигнала
- Мэтод электронно-счетного частотомера
- Требования, предъявляемые к компараторам девиаций частоты
- Измеритель пиковых значений девиации частоты
Введение к работе
Угловая (частотная или фазовая) модуляция, благодаря своему важнейшему свойству - повышенной помехоустойчивости, нашла широкое применение во многих областях радиоэлектроники. Это - высококачественное юно- и стереофоническое SKB радиовещание, звуковое сопровождение телевидения, цветное телевидение (система СЕКАМ), видеозапись, спутниковая и космическая связь, радиотелефонная связь (в том числе с подвижными объектами), телеметрия и телеуправление, радиолокация, радионавигация, физические исследования и радиоизмерительная техника.
Потребности соответствующих отраслей народного хозяйства страны обусловливают все возрастающие требования к точности измерения параметров угловой модуляции, в том числе ее основного параметра - девиации частоты. Так, одной из главных тенденций развития рабочих средств измерений (РСИ) девиации частоты является снижение погрешности измерения до 0,5...2$ вместо 3...5$ у приборов предыдущего поколения.
Единство и .необходимая точность измерений девиации частоты в диапазонах наиболее массового применения частотной модуляции (несущие частоты от ОД до 1000 МГц, модулирующие частоты от 0,02 до 200 кГц, девиации частоты от I до 10 Гц) обеспечивается государственным специальным эталоном и государственной поверочной схемой для средств измерения девиации частоты.
Основными методами измерений девиации частоты, применяемыми в средствах высшей точности, являются метод "нулей функции Бесселя", метод электронно-счетного частотомера (ЭСЧ) и осциллог-рафический метод. Однако перспектива дальнейшего совершенствования этих методов в плане расширения пределов измерений и повышения точности осложняется рядом обстоятельств. - о -
Так, первые два метода не позволяют измерять прямыми методами пиковые значения девиации частоты, что влечет за собой ужесточение требований к тракту формирования частотно-модулированного (ЧМ) сигнала, необходимость идентификации закона модуляции. Кроме того, отсутствие достаточно полного и строгого математического описания метода ЭСЧ (учитывающего все "неидеальности" как измерительного ЧМ сигнала, так и измерительного тракта, а также дискретность счета ЭСЧ) затрудняет как использование метода, так и оценку перспектив его развития.
Осциллографический метод, с помощью которого измеряются непосредственно пиковые значения девиации частоты без предъявления особых требований к форме закона юдуляции, обеспечивает высокую точность измерений лишь при больших индексах модуляции ( р > 10), что существенно ограничивает область его применения.
При реализации упомянутых методов (за исключением метода ЭСЧ) требуется большое количество трудоемких в настройке аналоговых узлов, имеющих к тому же недостаточно стабильные во времени характеристики. Это создает определенные трудности при автоматизации процесса измерений. Поэтому представляет интерес изыскание высокоточных методов измерения девиации частоты, в наибольшей степени "совместимых" с цифровыми средствами обработки.
Создание эталонов и образцовых (ОСИ) средств измерения де-виации частоты поставило также новую задачу передачи с высокой точностью размера единицы девиации частоты к рабочим средствам.
Целью диссертационной работы является: - разработка и исследование методов и средств измерения девиации частоты, обеспечивающих необходимые точность, пределы измерений и частотные диапазоны для поверки, испытаний и аттестации всех видов средств измерения девиации частоты широкого применения.
В работе на основе анализа известных аналоговых методов измерения девиации частоты сделан вывод об их ограниченной точности в области малых индексов модуляции. Предложены и исследованы новые аналоговые методы, позволяющие увеличить точность измерений в диапазоне малых индексов мэдуляции.
На основе анализа цифровых методов измерения девиации частоты сделан вывод о необходимости дополнительного исследования метода электронно-счетного частотомера, а также исследования метода измерения девиации частоты го экстремальному значению периода ЧМ сигнала. Разработана математическая шдель метода электронно-счетного частотошра, выработаны рекомендации по проектированию измерительного тракта. Оценены составляющие погрешности измерения девиации частоты по экстремальному значению периода ЧМ сигнала, выработаны рекомендации по их снижению.
Разработаны методы и средства высокоточного компарирования девиаций частоты ЧМ сигналов.
Проведена реализация и экспериментальная апробация всех разработанных методов.
В результате проведенных исследований разработаны новые методы и средства для измерения девиации частоты в диапазоне малых индексов мэдушщии, выработаны рекомендации по реализации метода ЭСЧ и снижению его погрешности, сделан вывод о перспективности использования в автоматизированных эталонах и ОСИ метода измерения девиации частоты по максимальному периоду ЧМ сигнала", разработаны методы и средства высокоточного компарирования девиаций частоты ЧМ сигналов.
Разработанные устройства изготовлены на промышленном уровне и внедрены в метрологическую практику.
Новые научные результаты, достигнутые в диссертационной работе, заключаются в следующем:
Разработан осциллографический метод измерения пиковых значений девиации частоты с дифференцированием ЧМ сигнала, что позволило сущзственно расширить диапазон индексов юдуляции, минимальное значение которых южет быть уменьшено в 2 - 10 раз при сохранении высокой точности измерений.
Предложен фазовый метод измерения пиковых значений индекса модуляции, основанный на изменении фазы гетеродинного сигнала и использовании характерных особенностей ЧМ сигнала, перенесенного на нулевую промежуточную частоту, что позволяет увеличить точность измерения малых девиаций частоты. Новизна метода подтверждена авторским свидетельством.
Разработана математическая модель метода ЭСЧ, учитывающая дискретность счета и применимая при различных формах периодических модулирующих сигналов. Исследованы и оценены составляющие погрешности измерений, обусловленные дискретностью счета, некратностью периода изменений мгновенной частоты преобразованного ЧМ сигнала и времени изшрения, гистерезисом форщровате-ля ЭСЧ, наличием гармоник несущей частоты, а также сдвигом нулевого уровня ЧМ сигнала, что позволяет снизить погрешность измерений, а также выработать инженерные рекомендации по проектированию соответствующей измерительной аппаратуры.
Проведено теоретическое и экспериментальное исследование цифрового метода измерения девиации частоты по экстремальному значению периода ЧМ сигнала, что позволило сделать вывод о перспективности его использования в автоматизированных средствах измерений высшей точности.
Разработаны методы и средства компарирования девиаций частоты, позволившие обеспечить погрешность сравнения не более 0,1$.
Основные научные положения, выдвигаемые на защиту, заключаются в следующем:
Дифференцирование ЧМ сигнала позволяет увеличить точность осциллографического метода измерения пиковых значений девиации частоты в диапазоне малых индексов модуляции, то есть существенно расширить область его примзнения.
Перенос ЧМ сигнала на нулевую промежуточную частоту в сочетании с изменением фазы гетеродинного сигнала и использованием характерных особенностей преобразованного ЧМ сигнала позволяет увеличить точность измерений в диапазоне малых девиаций частоты.
Предложенная математическая модель метода ЭСЧ позволяет с единых позиций оценить погрешность измерений, обусловленную дискретностью счета ЭСЧ и неравенством нулю промежуточной частоты преобразованного ЧМ сигнала, определить условия минимизации составляющей погрешности, обусловленной дискретностью счета. Произведенные оценки составляющих погрешности метода ЗСЧ, обусловленных гистерезисом ЭСЧ, наличием гармоник несущей частоты и сдвигом нулевого уровня ЧМ сигнала, позволяют на инженерном уровне производить проектирование измерительного тракта.
Применение метода измерения девиации частоты по максимальному значению периода ЧМ сигнала позволяет снизить влияние отклонений реального закона модуляции от используеюй модели на погрешность измерений. Для минимизации составляющей погрешности, обусловленной неточным измерением периода, необходимо поддерживать оптимальным соотношение между значениями средней и модулирующей частот ЧМ сигнала.
Применение метода замещения и частотного детектирования сравниваемых ЧМ сигналов обеспечивает погрешность компари- рования девиаций частоты не более 0,1$.
Основные результаты проведенных исследований изложены в работах [48 - 50, 54, 55, 58 - 63, 68, 72 - 79] , из которых работы [48, 49, 61 - 63, 68, 72 - 75, 77 - 79] имеют соавторов. -II -
Параметры сигналов с угловой модуляцией
Классификация методов измерения девиации частоты может быть произведена по различным признакам. Например, "исходя из известных представлений видов функциональной зависимости сигналов с частотной девиацией: частотной, фазовой, спектральной, автокорреляционной и дискретно-выборочной" [7].
Другим классификационным признаком может служить способ обработки измерительного сигнала: цифровой или аналоговый. При этом к цифровым отнесем только те методы, которые используют дискретизацию по времени и квантование по уровню непосредственно измерительного ЧМ сигнала (либо после переноса его на промежуточную частоту) и обработку полученных выборок цифровыми средствами.
Однако приведенные классификации представляются недостаточными с точки зрения использования методов в эталонах и ОСИ, поскольку они не отвечают на вопрос: какое значение девиации частоты измеряется данным методом и как влияет на результат измерения изменение формы закона модуляции? Ответ может дать разделение методов измерений на модельные и немэдельные, то есть по степени использования математической модели ЧМ сигнала.
В немодельных методах зависимость между пиковым значением девиации частоты и непосредственно измеряемой величиной устанавливается при весьма общих предположениях относительно формы закона модуляции. При этом изменение последней может привести к изменению лишь погрешности измерений, но не уравнения измерения.
К модельным отнесем методы, в которых на основе математической модели устанавливается связь между непосредственно измеряемым параметром (индицируемой особенностью) и пиковым значе-нием девиации частоты. В этом случае несоответствие модели реальному закону модуляции приводит к дополнительной погрешности измерений, а изменение формы закона модуляции - к изменению уравнения измерения.
В результате, к не модельным методам можно отнести методы частотного детектирования, нулевых биений, счетные методы, основанные на измерении экстремальных значений периода или частоты, а к модельным - спектральные методы, счетные методы, основанные на измерении средних значений частоты или периода за достаточно большой промежуток времени срис. I). Цифровые методы, основанные на использовании массива выоорок, в зависимости от алгоритма обработки могут быть отнесены как к модельным, так и немодельным методам измерений.
Осциллографический метод с дифференцированием ЧМ сигнала
При больших индексах модуляции асимптотическое приближение неприменимо. Для исследования поведения огибающей при произвольных индексах модуляции было проведено численное интегрирование выражения (2.7) на ЭВМ "Электроника ДЗ-28".
На рис. 2 приведены нормированные зависимости A ft)/иг в окрестности минимума, полученные численным интегрированием (сплошные линии) и вытекающие из асимптотического приближения (пунктир), откуца следует, что при S2r 0,1 выражение (2.8) может быть использовано для определения параметров дифференцирующей цепи. Например, задаваясь величиной Ьч 0,05$ и Г 200 кГц, находим, что постоянная времени не должна превышать.
При использовании в качестве дифференцирующей RC - цепи следует учитывать влияние входной емкости Сбх последующего каскада, проявляющееся в увеличении постоянной времени в (j{ + Rx/c ) Раз и уменьшении амплитуды выходного сигнала в такое же число раз.
Еще одна составляющая погрешности определяется неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и нелинейностью фазочастотной характеристики (ФЧХ) измерительного гранта, приводящими, в общем случае, к искажению закона модуляции и изменению девиации частоты. Практически, ввиду сложности учета влияния реальных АЧХ и ФЧХ измерительного тракта данная составляющая погрешности шжет быть учтена косвенным образом - при экспериментальной оценке систематической погрешности измерений путем сличения с независимыми методами измерений.
Мэтод электронно-счетного частотомера
Для контроля вежчины промежуточной частоты обычно используется методика, заключающаяся в снятии модуляции и измерении частотомером промежуточной частоты. Для повышения производительности измерений можно воспользоваться устройством, состоящим из последовательно соединенных дифференцирующей цепи и осциллографа и подключенным к выходу преобразователя частоты измерительного тракта. При этом на экране осциллографа, синхронизируемого модулирующим сигналом, индицируется огибающая продифференцированного ЧМ сигнала. Признаком бжзости к нулю промежуточной частоты является равенство амплитуд огибающей сигнала в смежных полупериодах модужрующего сигнала.
Другой вариант решения поставленной задачи заключается в автоматическом регулировании величины промежуточной частоты, при котором вообще не требуется участие оператора в установке и поддержании требуемого значения промежуточной частоты [бО] .
С помощью предложенного устройства (рис. 8) измеряются среднее значение частоты ЧМ сигнала и частота гетеродинного сигнала. При этом время измерения частоты ЧМ сигнала должно выбираться с учетом 2.3) так, чтобы погрешность измерения, обусловленная на-личием частотной мэдулиции, не превышала допустимой величины. С поющью ±шчиїателя вычисляется код разности измеренных частот, равной промежуточной частоте. Полученный код поступает на индикатор, а при необходимости в ЭВМ для вычисления поправок к результату измерения, а также на преобразователь код-напряжение, выходное напряжение которого управляет частотой перестраиваемого гетеродина. Б результате, образуется замкнутая цепь авторегулирования, поддерживающая неизменной (с определенной точностью) величину промежуточной частоты.
Требования, предъявляемые к компараторам девиаций частоты
Сравниваемые сигналы поочередно подаются на частотный детектор компаратора. Его выходное напряжение пропорционально (с точностью до вносимых детектором искажений) закону изменения частоты. Следовательно, измерив экстремальные значения выходного напряжения, южно рассчитать относительную разность пиковых значений девиаций частоты сравниваемых ЧМ сигналов по формуле (4.1).
С учетом необходимости сличения ЧМ сигналов с различными несущими частотами целесообразно в качестве частотного детектора использовать промышленные ИДЧ широкого применения, прекрывающие необходимые диапазоны несущих, мэдулирующих частот и девиаций частоты. При этом для повышения точности компарирования экстремальные значений выходного сигнала ИДЧ должны измеряться внешним измерителем с повышенной разрешающей способностью. Последний может быть выполнен, например, с использованием компенсационного метода измерения и реализован в виде сумматора и осциллографа (с открытым входом), причем на второй вход сумматора подается опорное напряжение постоянного тока. В этом случае относительное изменение опорного напряжения при подаче на вход компаратора сравниваемых ЧМ сигналов равно искомэй величине относительной разности девиаций частоты.
При уменьшении девиации частоты случайная погрешность ком-парирования возрастает вследствие относительного увеличения уровня эквивалентного частотного фона и шума как измерительного сигнала, так и тракта компаратора. В качестве одного из методов снижения случайной погрешности южет быть использован метод временного осреднения сигнала [бэ] с использованием аналогового интегратора. При этом выходной сигнал частотного детектора подвергается детектированию в пиковом деткторе, интегрирующая цепь которого и является аналоговым интегратором. Выигрыш, обеспечиваемый применением данного метода, зависит от величины постоянной времени интегрирующей цепи. Экспериментально установлено, что целесообразно выбирать постоянную времени от 2 до 10 с, что обеспечивает как удовлетворительную точность компарирования, так и приемлемое быстродействие. В качестве измерителя шжет служить описанное выше устройство, использующее компенсационный мзтод.
Измеритель пиковых значений девиации частоты
Далее сигнал через усилитель промежуточной частоты подается в дифференциатор (включающий в себя дифференцирующую С -цепь, постоянная времзни которой выбрана в соответствии с (2.8) равной 2,4 10 8 с, и мадо-шушщай усилитель), а также через ограничитель на вход ЭСЧ, предназначенного для изшрения промзжуточной частоты. С выхода дифференциатора сигнал через аналоговый ключ поступает на осциллограф. Аналоговый ключ управляется импульсами синхронизатора. При максимальном значении огибающей продифференцированного ЧМ сигнала ключ выключен, и сигнал не проходит на вход осциллографа, что предотвращает перегрузку тракта осциллографа.
Синхронизатор предназначен для формирования из модулирующего сигнала импульсов запуска развертки осциллографа и импульсов управления аналоговым ключом. Длительность импульсов и их положение во времени относительно модулирующего сигнала плавно регулируется, что позволяет установить минимум огибающей в центр экрана осциллографа, а также совместить момент выключения аналогового ключа с максимумом огибающей ЧМ сигнала.
При измерениях изменением частоты гетеродинного сигнала добиваются появления характерной фигуры, соответствующей коэффициенту AM "вниз", равному 100$. Измеренное при этом значение промежуточной частоты равно пиковому значению девиации частоты. Для измерений девиации частоты "вверх" или "вниз" частоту гетеродинного сигнала устанавливают соответственно выше или ниже несущей частоты ЧМ сигнала.
Пиковый калибратор введен в состав государственного специального эталона единицы девиации частоты, что позволило распространить калибровку пиковых значений девиации частоты прямыми методами на область малых индексов мэдуляции и тем самым на весь диапазон годулирующих частот эталона [74, 75] .
