Багатоканальний вимірювач частоти вузькосмугових коливань

Багатоканальний вимірювач частоти вузькосмугових коливань, що містить атенюатор і багатоканальний фільтр, кожен канал якого складається з послідовно з'єднаних підключених до виходу атенюатора смугового фільтра, амплітудного детектора, порогового пристрою, першої ключової схеми І та регістра з паралельним входом, який відрізняється тим, що для автоматизації й оперативності усунення неоднозначності вимірів частоти вузькосмугових коливань і підвищення їхньої точності він додатково містить міжканальні схеми збігів І, входи яких підключені до виходів порогових пристроїв сусідніх каналів, а виходи - до схеми АБО, ви хід схеми АБО послідовно підключений до U 2 (19) 1 3 28739 Дf Дf t= 2 П П де t=1/П - постійна часу фільтра. До причин, які перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату при великому діапазоні вимірів і малій смузі пропускання фільтра, варто віднести великий максимально можливий час надійного виміру частоти, втрату або перекручування сигналу при його імпульсному характері, а також межу підвищення точності, оскільки існує межа фізичної можливості для звуження смуги пропускання фільтра. Відомо багатоканальний вимірювач частоти коливань за фактом його виявлення, у якому канали (фільтри) перекривають весь діапазон частот (Фіг.1) [Радиолокатор дальнего обнаружения. Зарубежная радиоелектроника. 1961, №8, стр.119]. Перевагою багатоканального вимірювача частоти є те, що він позбавлений зазначеного недоліку - великого максимально можливого часу вимірів частоти, тобто, має час надійного спостереження частоти менше у число каналів n=nр разів, ніж пошуковий вимірювач при тій же чутливості і точності, і здатний працювати з будьяким одним і навіть з кількома вузькосмуговими сигналами. Багатоканальний вимірювач, як і пошуковий, має максимальну погрішність виміру частоти, обумовлену половиною смуги пропускання одного каналу. До причин, що перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату, варто віднести багатозначність вимірів частоти багатоканальними вимірювачами при великому рівні сигналу, складність схеми і настроювання каналів і межа підвищення точності, оскільки існує межа фізичної можливості для звуження смуги пропускання фільтрів. Із розвитком виробництва і при удосконалюванні його технології такий недолік, як складність реалізації, згодом швидко усуваються. Зважаючі на вказані переваги, багатоканальні системи і, зокрема, вимірювачі частоти мають перспективу. Однак, такі недоліки, як багатозначність вимірів частоти сигналу і межа точності вимірів, обумовлена існуючою межею фізичної можливості для звуження смуги пропускання, усуваються складніше. Найбільш близьким пристроєм того ж призначення є пристрій для виміру природного електромагнітного поля Землі з виключенням і точним виміром параметрів сильних вузькосмугових перешкод [Україна, патент №70417, МПК С2 7 G01 V 3/08, Фіг.2 - прототип] із багатоканальним фільтром. Перевага пристрою для виміру природного електромагнітного поля Землі полягаю в тому, що у ньому міститься багатоканальний фільтр, що дозволяє усун ути багатозначність вимірів і отримати інформацію про частоту сильної перешкоди, або коливанні, з метою її усунення. До причин, що перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату, варто віднести недостатню точність оцінки частоти перешкоди, обумовлену половиною смуги tн = np t = 4 пропускання фільтра і неоднозначність вимірів частоти при досить сильній перешкоді. Запропонований багатоканальний вимірювач частоти дозволяє підвищити точність вимірів частоти сильних вузькосмугових коливань і оперативність усунення неоднозначності вимірів при тих же параметрах канальних фільтрів за рахунок використання перемінних атенюаторів і енергетичної надмірності коливання. Зазначений технічний результат досягається тим, що він додатково містить міжканальні схеми збігів «І», входи яких підключені до виходів граничних пристроїв сусідніх каналів, а виходи - до схеми «АБО», вихід схеми «АБО» послідовно підключений до диференціюючого ланцюга, тригеру, ви хід першого плеча якого підключений до схеми управління загасанням першого атенюатора і до його входу, а також до входу установки схеми керування загасанням другого атенюатора і до його входу, ви хід другого плеча тригера підключений послідовно до пускового входу схеми зменшення загасання другого атенюатора і до його входу, а також послідовно підключений до входу другої ключової схеми «І», до усіх входів перших ключових схем «І» каналів, вихід др угого атенюатора послідовно підключений до входу аналого-цифрового пристрою, третьої ключової схеми «І», мікропроцесору і до паралельного входу молодших розрядів регістра, вихід диференціюючого ланцюга підключений також до входу формувальника імпульсів і потім до входу др угої ключової схеми «І», виходи амплітудних детекторів сусідніх каналів підключені до міжканальних порогових пристроїв, виходи яких послідовно підключені до схеми «АБО» і до входу мікропроцесора для знака поправки. Між сукупністю суттєвих ознак, що перераховані вище, з формули винаходу і викладеним вище те хнічним результатом існує наступний причинно-наслідковий зв'язок: наявність багатоканального вимірювача частоти й атенюатора для розкриття багатозначності вимірів частоти, або послаблювача коливань, дозволяє не тільки однозначно з точністю до половини смуги пропускання каналу вимірювати його частоту, але й уточнити її для сильних коливань шляхом виміру відношення його рівнів у каналі, у см узі якого є сигнал, а також у найближчому сусідньому каналі, для чого повинні бути відомі частотні характеристики каналів і виміряне відношення рівнів коливання в сусідніх каналах за рахунок наявних у вимірювачі порогових пристроїв і за рахунок планомірної зміни рівня коливання атенюатором з перемінним загасанням на вході багатоканального фільтра; завдяки невикористовуваним раніше можливостям багатоканального вимірювача і відповідним новим схемам автоматизується вимір частоти коливання, підвищується оперативність за рахунок використання паралельних кодів і точність вимірів за рахунок енергетичної надмірності коливання; у винаході присутній факт впливу кожної із зазначених ознак на технічний результат, що 5 28739 виражається в розширенні зазначених можливостей пристрою. Сутність корисної моделі полягає в тому, що спосіб використовує апріорно відому залежність відношення рівнів частотних характеристик сусідніх каналів на будь-якій частоті від значень відповідних зміщень, поправок до частоти настроювання каналу, де виявлений сильний сигнал, а також використовує можливість нормування рівня сигналу до порогового рівня і можливість оцінки відношення рівнів частотних характеристик сусідніх каналів, на вимірюваній частоті. Принцип вимірів запропонованим пристроєм наступний. При введеному невеликому загасанні другого атенюатора схемою керування автоматично зменшується загасання першого атенюатора до спрацьовування порогового пристрою тільки одного з каналів, що відповідає вимірюваній частоті. Після цього автоматично прибирається загасання другого атенюатора до спрацьовування порогового пристрою найближчого сусіднього каналу. Виміряне відношення рівнів сигналу в сусідніх каналах (Фіг.1) у відповідні моменти часу, або їх різниця в децибелах безпосередньо пов'язані, як буде показано нижче, з поправками до частоти настроювання першого каналу, що спрацював. Значення поправок можуть відповідати довільним частотним характеристикам, вони однозначно визначаються за залежністю від відношення рівнів частотних характеристик, аналогічних приведеним далі, по таблицях і іншим даним, навіть якщо частотні характеристики каналів відрізняються між собою. Принцип уточнення вимірів пристроєм з однаковими частотними характеристиками наступний. Розглянемо канали вимірювача (Фіг.1). При першому спрацьовуванні порогового пристрою рівень сигналу на виході фільтра і на вході порогового пристрою і-го каналу такий (Фіг.1): Smiвых=Uпорі=Ki(f-fi)Smiвх, (1) де Кі(f) - АЧХ і-го каналу, Smiвx - рівень сигналу на вході і-го каналу, Uпорі=Uпорі-1 - граничний рівень. При другому спрацьовуванні граничного пристрою також сусіднього (і-1)-го каналу рівень сигналу на його виході також дорівнює граничному при ідентичних каналах (Фіг.1): Sm(i-1)вых=Uпор=Кі-1(f-f(i-1))Sm(i-1)вх, (2) Ki-1(f-fi-1)=Ki(f-(fi-Df))=Ki(П-Df), де Df=f-f 1, П=Df k. Очевидно, що Sm(i-1)вx більше за рівнем, ніж Smiвх на величину зменшеного загасання а аттенюатора (Фіг.1). Одержали систему рівнянь (1) і (2), з якої випливає, що Sm(i-1)в х K i (D f ) =a = . (3) Smibx K i-1(П - D f ) Для дзвонових кривих типу ì (f - f )2 ü ï i ï Ki (f ) = K m exp í2 ý ï 2П ï î þ 6 залежність частоти від параметра а має вигляд: 1ö æ Df = П lnç a / e 2 ÷ . (4) ç ÷ ç ÷ è ø Для трикутної форми АЧХ æ f - fi ö K(f ) = K m ç 1 ÷. П ø è З формули (3) одержимо Df 1П П a= (П - D f ) = D f - 1, 1П Таким чином, залежність виправлення до частоти настроювання каналу від параметра a наступна: П Df = a + 1 . (5) Згідно рівняння (3) можна визначити такі шкали вимірювачів для будь-яких АЧХ каналів, навіть неідентичних. Такі шкали можна визначити й експериментальним шляхом. Таким чином, поправка до частоти настроювання буде визначатися різницею загасань у децибелах при першому спрацьовуванні порогового пристрою одного каналу і при другому спрацьовуванні порогового пристрою сусіднього каналу, як описано вище. Однак, виміри можна уточнити, якщо ввести відліковий атенюатор у вимірювач, максимальне загасання якого, або динамічний діапазон, дорівнює вибірковості фільтрів за сусіднім каналом. При цьому чутливість атенюатора, або крутість залежності кута повороту або іншого відлікового параметра від частоти виправлення буде значно більша. На Фіг.2 наведена структурна схема багатоканального вимірювача частоти вузькосмугового коливання, де зображено: перший атенюатор 1, другий атенюатор 2, паралельні за частотою вузькосмугові фільтри 3, амплітудні детектори 4, порогові пристрої 5, перші ключові схеми 6, регістр старши х розрядів 71, регістр молодших розрядів 72, міжканальні схеми збігів «І» 8, схема «АБО» 9, диференціюючий ланцюжок 10, селектор імпульсів 11, схема керування першим атенюатором 12, схема керування другим атенюатором 13, друга ключова схема «І» з паралельним входом 14, третя ключова схема «І» 15 (для знака виправлення за частотою), аналогоцифровий перетворювач 16, четверта ключова схема «І» 17 з паралельним входом, мікропроцесор 18, схема «АБО» 19. Принцип дії пристрою наступний. При включенні пристрою перший атенюатор 1 встановлюється в н уль, а др угий 2-у максимум загасання. Від потрапляючого на вхід першого атенюатора 1 сильного вузькосмугового коливання працює не тільки відповідний за частотою настроювання один канал: вузькосмуговий фільтр 3, амплітудний детектор 4, пороговий пристрій 5, але і сусідні канали, оскільки їхньої частотної 7 28739 вибірковості по сусідньому каналу недостатньо. Перші ключові схеми 6 поки замкнені: на регістр 71 нічого не надходить. Спрацьовують міжканальні схеми збігів 8 сусідніх каналів. Схема «АБО» спрацьовує - фронт включення диференціюється ланцюжком 10. Позитивний імпульс (за рахунок переднього фронту включення) через селектор імпульсів 11 за полярністю впливає на схему керування першим атенюатором 12 для установки його мінімального загасання в нуль і для наступного швидкого введення загасання, на схему керування 13 другим атенюатором 2 для установки його в максимальне загасання, рівне вибірковості по сусідньому каналу, а також на ключові паралельні схеми «І» 14 для скидання рівнобіжним кодом при першому вимірі аналогоцифровим перетворювачем 16 реального рівня сигналу на мікропроцесор 18. Коли рівень коливання на вході вузькосмугови х каналів стане таким, що коливання виявиться лише в одному каналі, то закриються всі міжканальні схеми збігів 8 і схема «АБО» 9. Задній фронт закриття схеми «АБО» 9 продиференціюється ланцюжком 10, селектор імпульсів 11 за полярністю пропустить негативний імпульс для ослаблення загасання другого атенюатора 2. Цей же негативний імпульс відкриє рівнобіжні ключові схеми «І» 17 для пропуску паралельним кодом обмірюваного рівня коливання в другому сусідньому каналі на мікропроцесор 18, а також скине паралельним кодом числове значення настроювання одного каналу, що спрацював, у старші розряди регістра 71 через перші ключові схеми 6. При ослабленні загасання другого атенюатора 2 збільшується рівень коливання на вході багатоканального фільтра, при якому спрацьовують порогові пристрої 5 і міжканальні схеми збігів 8 двох сусідніх каналів, відкривається схема «АБО» 9, позитивний імпульс після селектора імпульсів 11 відкриває ключові схеми «І» 14 для запису обмірюваного значення рівня коливання в мікропроцесор 18 і далі цикл повторюється для накопичування вимірів. Знак поправки до частоти визначається в мікропроцесорі 18 за знаком різниці рівнів коливань у сусідніх каналах під час дії позитивного імпульсу після селектора імпульсів 11. Мікропроцесор 18 обчислює відношення рівнів коливання при позитивному і негативному імпульсах на вході схеми селектора імпульсів 11, перераховує його у виправлення до частоти каналу з найсильнішим сигналом і записує в молодші розряди регістра 72. Приклад реалізації способу. Нехай є np=30 каналів. Смуга пропущення кожного каналу П=10Гц. Помилка вимірів частоти прототипом тоді наступна: Df=5Гц. 1 tH = = 0,1с П Час спостереження . Той же результат по точності можна одержати пошуковим, а потім стежить вимірником при тій же смузі пропущення, але максимальний час спостереження (пошуку) у нього більше: більш ніж 1Н=30t=3с. 8 Використання запропонованого способу для многоканального вимірника при відношенні сигнал/шум по потужності q, рівному 10, дозволяє зменшити середньоквадратичну погрішність sf 1 2 оцінювання частоти не менш, ніж у П / (qe) разів, тобто, у 1,92 рази, а при q=100 - y 13,1 рази. Дійсно, дисперсія вимірів у цьому випадку дорівнює s2 = f s2 ш 2 Km [a 'f ]2 = П2 eq , де згідно (4) 1 æ Df a(f ) = e 2 expç è П ö ÷ ø. Економічний ефект можна розрахувати з наступних міркувань: зменшену в n разів дисперсію похибки вимірів частоти можуть реалізувати тільки n незалежних багатоканальних вимірювачів, вартість яких, природно, у n разів більша. Джерела інформації 1. Мартынов В.Л., Селихов Ю.И. Панорамные приемники и анализаторы спектра. М., «Сов. Радио», 1964, аналог - способ. 2. Радиолокатор дальнего обнаружения. Зарубежнаядонна радиоэлектроника. 1961, №8, стр.119, прототип-способ. 3. Украина, патент 70417, С2 7 G01V 3/08, прототип. 9 28739 10