Лекция №7. Цифровые приборы для измерения частотно-временных параметров сигналов телекоммуникационных систем

 

Содержание лекции: электронно- счётный метод; структурные схемы и принципы измерения частоты, периода периодических сигналов, длительности одиночных импульсов, интервалов времени, начальной и текущей фазы.

Цель лекции: изучить и усвоить принципы и методы измерения частоты, периода и угла сдвига фаз: научиться понимать структурные схемы цифровых приборов.

Фундаментом технической аппаратуры для частотно-временных измерений служит Государственный эталон частоты и времени (г.Астана) – высокоточная мера частоты и времени. Привязку к ним технических измерений осуществляют при помощи приёмников сигналов эталонных частот, передаваемых Государственными радиостанциями. Можно осуществлять приём сигналов Мирового времени со спутниковой навигационной системы GPS и передавать данные в специальном формате по интерфейсу RS-232.

Электронно-счётный метод – метод, при котором неизвестный частотно-временной параметр преобразуется в интервал времени, измеряемый дискретным способом. Поэтому часто применяют понятие – дискретный метод.

Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с её определением, т.е. на счёте числа импульсов за интервал времени. На рисунке 7.1 приведена структурная схема цифрового частотомера (ЦЧ) и временные диаграммы напряжений сигналов в узлах прибора.

Рисунок 7.1 – Структурная схема (а) и временные диаграммы (б) цифрового частотомера

Входной сигнал с неизвестной частотой f_x подаётся на входное устройство ВУ, которое либо ослабляет, либо усиливает его до необходимого значения, например – 5В. Преобразованный по величине сигнал u₁ поступает на формирующее устройство – формирователь импульсов ФИ. ФИ содержит триггер Шмитта, который срабатывает на изменение знака синусоидального напряжения при переходе его от отрицательной к положительной полуволне. В результате получаем импульсное напряжение u₂ в виде прямоугольных импульсов постоянной амплитуды с периодом следования T_x=1/f_x. Эти импульсы, весьма малой длительности (порядка 1 мкс), изображаются вертикальными штрихами. Эти импульсы играют роль счётных импульсов и поступают на один из входов временного селектора ВС (электронного ключа ЭК). На второй вход ВС подаётся стробирующий импульс длительностью Т_о от устройства формирования и управления УФУ. УФУ своим импульсом запуска u_з производит установку счётчика импульсов СЧ в нулевое состояние и открывает ВС для прохождения счётных импульсов u₂. Стробирующий импульс формируется калиброванным генератором импульсов КГ и декадным делителем частоты ДДЧ. Генератор импульсов КГ вырабатывает импульсы образцовой частоты f_кг=10МГц.

Делитель частоты может выдавать на выходе импульсы с частотами: 10; 1МГц; 100; 10 и 1кГц; 100; 10; 1 и 0, 1Гц. Соответственно, с ДДЧ можно получить стробирующие интервалы времени: 0, 1; 1мкс; 0, 01; 0, 1; 1; 10 и 100мс; 1 и 10с. Интервал Т_о называется временем счёта. В течение времени Т_о > Т_х ВС пропускает на вход счётчика импульсов СЧ пакет из N_х импульсов u₄ при условии, что

N_x = T_o/T_x = T_o f_x, или f_x = N_x/T_o.

Суммарная относительная погрешность измерения частоты ЦЧ нормируется в процентах и определяется по формуле

g_f = ± 100 [g_кг + 1/(T_of_x)],

где g_кг – погрешность установки частоты КГ (обычно равна (2-5), 10^-8).

Из рисунка 7.1б следует, что Т_о = N_xT_x - Dt_н+ Dt_к = N_xT_x - Dt _д, где Dt_н и Dt_к – случайные методические абсолютные погрешности дискретизации (дискретности) начала и конца интервала T_o, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счётных импульсов u₂, поскольку строб-импульс и счётные импульсы не синхронизированы; Dt_д = Dt_н - Dt_к – общая абсолютная погрешность дискретности. Если пренебречь погрешностью D t_д, то получим число импульсов в пакете N_x = T_o/T_x = T_of_x, и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счётных импульсов, поступающих на счётчик f_x = N_x/T_o. Декадный делитель частоты обеспечивает деление частоты f_кг в Кд раз. Поэтому f_x = N_x f_кг/К_д

Решение многих телекоммуникационных задач связано с измерением интервалов времени. Интервалы могут быть не только повторяющимися, но и однократными. Так как период и частота дуальны, то для измерения периода применяют цифровые частотомеры. Принцип работы цифрового прибора для измерения интервалов времени поясняет рисунок 7.2. Измерение интервала времени Т_Х дискретным методом основано на представлении его временным интервалом, который заполняется импульсами генератора импульсов КГ.

Рисунок 7.2 – Цифровой периодометр: а – структурная схема; б – временные диаграммы

 

Заполняющие импульсы следуют с образцовым периодом Т_о = 1/f_о. Счётные импульсы с периодом T_o < T_x называются метками времени. Основные элементы схемы (см. рисунок 7.2, а) и их действие рассмотрены ранее. Отличие состоит в том, что стробирующий импульс устанавливается равным измеряемому периоду. Счётчик импульсов СЧ подсчитывает число импульсов на интервале Т_х

М_х = Т_х / Т_о, или Т_х = М_хТ_о.

Суммарная относительная погрешность измерения периода нормируется в процентах и определяется по формуле

δ _т = ± 100 [δ _кг + Т_о / Т_х].

Одним из основных параметров электрического гармонического колебания, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени, является фаза. Наряду с фазой одного колебания используется соотношение фаз двух колебаний. В этом случае используется понятие фазового сдвига. На рисунке 7.3 приведены схема и диаграммы, поясняющие принцип работы цифрового фазометра.

Цифровой фазометр (ЦФ) работает следующим образом. Преобразователь Dφ ®Dt из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов u₁ и u₂ с фазовым сдвигом Dφ формирует последовательность прямоугольных импульсов u₃, имеющих длительность Dt и период повторения Т, равные соответственно сдвигу во времени и периоду повторения входных сигналов.

Рисунок 7.3 – Цифровой фазометр для измерения мгновенного значении фазы: а – структурная схема; б – временные диаграммы

 

Импульсы u₃, а также счётные импульсы u₄, вырабатываемые формирователем счётных импульсов и имеющие период повторения Т_о, подают на входы временного селектора ВС. ВС открывают на время, равное длительности ∆ t импульсов u₃, и в течение этого интервала пропускает на вход счётчика импульсы u₄. На выходе селектора формируются пакеты импульсов u₅, следующие с периодом Т.

За один период исследуемых сигналов на счётчик поступит число импульсов, равное n = Dt / T_o. В ЦФ период счётных импульсов задают в виде Т_о= Т / (36× 10^m), где m = (1, 2, 3…). ЦФ показывает (индицирует) фазовый сдвиг пропорциональный числу импульсов

Dφ = n / 10^m-1.