ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Пивовар Олег Сергійович

УДК 621.376.3

ЦИФРОВІ ФАЗОЧАСТОТНІ ВИМІРЮВАЧІ ДЕВІАЦІЇ ЧАСТОТИ ІЗ ПІДВИЩЕНИМИ ШВИДКОДІЄЮ ТА ТОЧНІСТЮ

Спеціальність: 05.11.08 - “Радіовимірювальні прилади”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля, м. Хмельницький, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент ТРОЦИШИН Іван Васильович, Технологічний університет Поділля, професор кафедри проектування та конструювання РЕЗ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент МАНОЙЛОВ В'ячеслав Пилипович, Житомирський інженерно-технологічний інститут, завідувач кафедри медичних приладів і систем

кандидат технічних наук, доцент АФОНІН Ігор Леонідович, Севастопольський державний технічний університет, доцент кафедри радіотехніки

Провідна установа: Інститут електродинаміки НАН України, відділ вимірювання електричних та магнітних величин, м. Київ

Захист відбудеться “6” квітня 2001р. о “ 9” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

Автореферат розісланий “ 1 ” березня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павлов С.В.

Загальна характеристика дисертаційної роботи

Актуальність теми. Цифрова вимірювальна техніка аналізу параметрів ЧМ сигналів інтенсивно розвивається. Створені сучасні методи та засоби вимірювання девіації частоти (ДЧ), але кожен із них охоплює лише властиву йому зону використання діапазонів параметрів модульованого коливання. Практична реалізація цих методів потребує значних матеріальних витрат, а низький ступінь автоматизації - використання кваліфікованого персоналу.

Застосування у засобах вимірювання ДЧ новітніх фазочастотних методів вимірювання та синтезу сигналів із кутовою модуляцією(КМ) дозволяє створювати універсальні прилади із розширеним динамічним діапазоном та високим ступенем автоматизації і високою швидкодією, тому розробка подібних методів та пристроїв є актуальним завданням. Актуальність розробки підтверджується наявністю в країні еталону ДЧ, метрологічного забезпечення, а також зростаючим охопленням різноманітних галузей народного господарства застосуванням сигналів із частотною модуляцією.

В процесі розробки цифрових вимірювачів ДЧ необхідно враховувати побудову їх окремих вузлів: суматорів, перетворювачів коду, перемножувачів, часо-імпульсних перетворювачів і т.п. Із появою новітньої елементної бази програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС), що на апаратному рівні дозволяє реалізувати окремі вузли цифрової обробки набагато ефективніше за програмовану мікропроцесорну функцію, стає можливим синтез повністю апаратних засобів вимірювання із високою швидкодією, що недосяжна для мікропрограмного керування. Використання ПЛІС в цих засобах призводить до покращання швидкодії, зменшення масо-габаритних характеристик приладу, усування та зменшення багатьох апаратурних похибок.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі проектування та конструювання радіоелектронних засобів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) в рамках держбюджетних тем 1Б-95 “Дослідження та розробка нових ортогональних базисів сигналів та їх застосування для передачі інформації та радіовимірювань” (№ ДР 0195U026296) та 1Б-98 “Розробка та дослідження фазочастотних методів вимірювання параметрів сигналів із кутовою модуляцією” (№ ДР 0198U002445) в 1995 та 1998 році відповідно.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності та швидкості вимірювання девіації частоти радіосигналів шляхом застосування фазочастотного принципу обробки радіосигналів, що базується на понятті повного фазового зсуву, та використанні отриманих результатів для побудови девіометрів із поліпшеними характеристиками по точності та швидкодії.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

·

· розробити метод підвищення швидкодії вимірювання девіації частоти, що грунтується на вимірюванні повного фазового зсуву;

· встановити джерела та дослідити характеристики похибок розробленого методу, доопрацювати методи та засоби вимірювання повного фазового зсуву для умов високоточного та швидкісного вимірювання девіації частоти;

· розробити модифікації цифрового фазочастотного швидкодіючого методу вимірювання девіації частоти із умови покращання точності та розширення функціональних можливостей;

· розробити рекомендації щодо проектування вимірювачів девіації частоти на інтегрованій цифровій елементній базі, провести експериментальні дослідження та впровадити отримані результати в практику вимірювання девіації частоти радіосигналів.

Об'єктом дослідження є процес вимірювання девіації частоти радіосигналів.

Предметом дослідження є цифрові фазочастотні методи та засоби вимірювання девіації частоти.

Методи досліджень базуються на використанні математичного апарату теорії сигналів, теорії фазових площин, теорії ймовірностей, теорії цифрових автоматів, теорії похибок, теорії електричних кіл, а також методи комп'ютерного моделювання цифрових схем та чисельні методи розв'язання рівнянь.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримано такі наукові результати:

·

· вперше розроблено цифровий фазочастотний швидкодіючий метод вимірювання девіації частоти, що полягає у незалежному знаходженні кута фазового зсуву на початку інтервалу вимірювання, кількості фазових циклів та кута фазового зсуву наприкінці інтервалу вимірювання із проведенням узгодження обох результатів відповідним “зшиванням” і дозволяє у 3-5 раз підняти точність та проводити вимірювання із мінімальним інтервалом часу вимірювання у половину періоду модульованого коливання, що недосяжно для інших методів для індексів модуляції порядку 20 і менше;

· вперше розроблено модифікації цифрових фазочастотних високоточних методів вимірювання девіації частоти за допомогою введення фазочастотного зворотного зв'язку та застосування фазочастотних синтезаторів частот, що дозволяє зменшити основну похибку вимірювання до 10 раз для діапазону частот модуляції порядку 100Кгц і вище , а також зменшити додаткові похибки вимірювання та розширити можливості застосування методів для сигналів із невідомою несучою (центральною) частотою;

· доопрацьовано метод реверсивного ліку фазових циклів для умов вимірювання девіації частоти на основі повної квадратурної обробки опорного та вимірювального сигналів, що дозволяє в 1,5 раз розширити припустимі межі відхилення частоти вимірювального сигналу від опорного та забезпечити неперервний контроль за дотриманням цих меж.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі запропонованого методу розроблено спосіб фазочастотного цифрового вимірювання девіації частоти, що рекомендуються використовувати як калібрувальний високої точності та швидкодії для повірки взірцевих та робочих вимірювачів девіації частоти. Спосіб реалізовано у ряді пристроїв.

Доопрацьовано алгоритм узгодження показників незалежних вимірювань кількості фазових циклів та кута фазового зсуву при визначенні повного фазового зсуву для випадку вимірювання девіації частоти, що дозволяє вимірювати пікові значення девіації частоти та створювати системи вимірювання із зворотнім зв'язком. На підставі доопрацьованого алгоритму узгодження запропоновано вимірювач девіації частоти гармонічних сигналів із кутовою модуляцією.

Виявлено наявність та встановлено специфічні джерела методичних похибок фазочастотних вимірювачів девіації частоти, визначені їх величини та характеристики в залежності від параметрів сигналів модуляції та частоти квантування, вказані шляхи їх зменшення.

Сформульовано рекомендації та вимоги до проектування цифрових фазочастотних вимірювачів ДЧ та їх складових частин. Створено спеціалізоване програмне забезпечення для формування моделі калібрувального сигналу з регульованими параметрами кутової модуляції, що дозволяє проводити метрологічну оцінку вимірювачів ДЧ із різною схемотехнікою, шляхом моделювання в середовищі САПР MAX + PLUS II фірми “Altera Corp.” .

Розроблені структурні, принципові схеми та дослідні зразки цифрових фазочастотних вимірювальних перетворювачів для вимірювання девіації частоти із можливістю повної інтеграції на кристалах ПЛІС (EPM7128SLC84-7 та EPF10K20RC240-4), які впроваджені у курсах “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” та “Радіотехнічні пристрої та системи” у Технологічному університеті Поділля.

Запропоновані методи та пристрої використані для створення кінцевих вимірювальних перетворювачів пристроїв вимірювання девіації частоти для аналізу характеристик сигналів сучасних телекомунікаційних систем, які розробляються та впроваджуються компанією “LIS” (м. Хмельницький) та ТОВ "Альт" (м. Мурманськ, Росія). Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати досліджень пройшли апробацію на таких наукових конференціях і семінарах: ІІ та ІІI НТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництв” (Хмельницький, 1993, 1995 рр.); НТК “Наукові основи прогресивних технологій” ( Хмельницький, 1994 р.); республіканська конференція молодих вчених та студентів (Київ, 1996 р.), ІV та VІІ НТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 1997, 2000 рр.); Міжнародна НТК “CИЕТ-99” (Харків, 1999 р.); НТК викладачів та співробітників Технологічного університету Поділля (1996-1999рр.). Результати роботи також доповідались на міжкафедральних наукових семінарах факультету радіоелектроніки Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 наукових праць. З них 5 статей у наукових журналах, що входять до відповідного переліку ВАК України; 7 у матеріалах та тезах конференцій; отримано 3 позитивних рішення на видачу патентів України, оформлено 1 інформаційний листок.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (144 бібліографічні посилання, 16 сторінок) та 6 додатків (10 сторінок). Загальний обсяг дисертації в якому викладено основний зміст складає 166 сторінок і містить 59 рисунків на 56 сторінках по тексту та 2 таблиці, що займають 0,8 сторінки по тексту. Повний обсяг дисертації -196 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика дисертаційної роботи, обгрунтовано актуальність теми, сформульована мета досліджень, дана характеристика наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, показано апробацію результатів дисертації, оцінено особистий внесок здобувача.

В першому розділі дано опис задачі вимірювання девіації частоти (ДЧ) в цілому; розглянуто класифікацію та основні характеристики методів вимірювання ДЧ, вказано переваги та недоліки кожного із розглянутих методів. Окремо проаналізовано основні методи та засоби метрологічної атестації вимірювачів ДЧ.

На основі проведеного аналізу встановлено:

·

· найбільша похибка існуючих еталонних, зразкових та робочих вимірювачів ДЧ є в зоні високих девіацій частот (більше 100КГц) та високих МДС (більше 10КГц);

· при калібруванні вимірювачів ДЧ вищих розрядів припускається застосовувати модуляційно-залежний цифровий метод електронно-лічильного частотоміра (ЕЛЧ), саме він повинен виступати в якості прототипу.

Розглянуто та проаналізовано із загальних позицій фазочастотний принцип вимірювання ДЧ. Суть усіх фазочастотних методів полягає у визначенні повного фазового зсуву (ПФЗ) на інтервалі вимірювання ТВИМ=[TП;ТК]

, (1)

де NФЦ - кількість фазових циклів (ФЦ); j(t) - кут фазового зсуву (КФЗ).

Показано, що реалізацію (рис.1.) вимірювання ДЧ можливо здійснити за допомогою засобу вимірювання ПФЗ - кумулятивного фазометра (КФ), при чому мінімальний інтервал поодинокого вимірювання складає чверть періоду МДС, що недосяжно для інших методів вимірювання ДЧ при збереженні точності на рівні менш 1%.

Рис.1.Структурна схема вимірювання девіації частоти фазочастотним методом та часові діаграми її функціонування

Запропоновано серед фазочастотних методів вимірювання ДЧ виділити методи високої швидкодії, високої точності і компенсації, вказано місце фазочастотних методів в відомій класифікації методів вимірювання ДЧ.

На основі проведеного аналізу методів вимірювання ПФЗ, зроблено висновок, що серед методів вимірювання ПФЗ за комплексним критерієм “точність - швидкість вимірювання - апаратурні витрати - можливість комплексної цифрової інтеграції”, найбільш придатним для фазочастотних вимірювачів ДЧ є метод, що ґрунтується на незалежному вимірюванні ФЦ та КФЗ із наступним об'єднанням значень незалежних вимірювань.

При вимірюванні ПФЗ обраним методом основними вхідними пристроями вимірювача є імпульсний формувач, пристрій захисту від завад та квадратурний фазорозщіплювач. Проведено аналіз методів побудови вхідних пристроїв, визначені можливості їх використання у фазочастотних вимірювачах ДЧ.

В другому розділі проведено дослідження фазочастотних моделей вимірювання параметрів сигналів із кутовою модуляцією.

В умовах вимірювання ДЧ гармонічного сигналу модель вимірювального перетворення визначається за:

, (2)

де - коефіцієнт, що залежить від форми МДС та інтервалу вимірювання; F =1/T - значення частоти МДС.

Найбільш висока швидкодія вимірювання ДЧ реалізується за інтервал часу у чверть періоду МДС при значенні часу початку вимірювання, що співпадає із нуль-перетинами функції МДС. За таких умов для гармонічного сигналу коефіцієнт =1, але визначити із високою точністю момент зупинки КФ Тк= Т/4 при нульовій крутизні МДС у цій точці неможливо, що призводить до додаткових старт-стопових та інших похибок. Розширивши діапазон вимірювання до [0,T/2] (=0,5) сигнали керування формуються у точках максимальної крутизни, а ДЧ визначається як:

(3)

де b -індекс кутової модуляції.

Відомо, що вимірювання КФЗ має сенс лише при однаковості частот вимірювального та опорного коливань. За обраним методом незалежних вимірювань коректні показники фазометричної схеми КФ при вимірюванні ДЧ можливі лише для інтервалів часу, що безпосередньо межують із точками нуль-перетинів МДС. Запропоновано використовувати в якості вимірювачів КФЗ цифрові миттєві фазометри (ЦФМ).

Проведено дослідження можливостей застосування запропонованого методу визначення ПФЗ у вимірювачах ДЧ. Встановлено, що при застосуванні КФ у вимірювачі ДЧ існує певна методична межа для швидкості зміни КФЗ за період опорного коливання: . Це накладає певні обмеження на значення ДЧ: fД<f0/2, де fД, f0 - ДЧ та центральна частота відповідно. Однак, в умовах реалізації вимірювача ДЧ як цифрового пристрою, максимальне значення ДЧ обмежується умовою однозначності лічби ФЦ: fД<f0/4.

Проведено порівняльний аналіз фазочастотних методів вимірювання та методів на основі ЕЛЧ. Показано, що основними складовими похибок вимірювання фазочастотними методами є похибка вимірювання ПФЗ (dв) та похибка затримки (dз), при цьому сумарну похибку можливо оцінювати як:

,

де NД - кількість рівнів квантування при вимірюванні КФЗ, ТЗср - час затримки інтервалу вимірювання відносно нуль-перетинів МДС.

Оцінку сумарної методичної похибки для еквівалентних умов вимірювання гармонічного сигналу наведено на рис.2. На основі порівняльного аналізу зроблено висновки:

·

· використання фазочастотних методів із точки зору сукупної похибки ефективно при індексах модуляції b<10...20;

· при індексах модуляції b>20..50 фазочастотні методи практично еквівалентні методу ЕЛЧ;

· використання фазочастотних методів за критерієм швидкодія - точність порівняно із методом ЕЛЧ ефективне при ТВИМ <100T.

Рис. 2. Графіки залежностей “сумарна методична похибка - кількість періодів вимірювання” для NД=64, Т=1мс, ТЗср=10нс

Розглянута можливість застосування фазочастотного методу вимірювання ДЧ для негармонічних законів модуляції: прямокутного та трикутного, показано, що для прямокутного закону фазочастотний метод еквівалентний методу ЕЛЧ, а при трикутному законі суттєво переважає його по точності та швидкості вимірювання.

На основі математичної моделі досліджено умови та механізм появи похибок неточності встановлення опорної частоти кумулятивного фазометра у складі фазочастотного вимірювача ДЧ. Для забезпечення мінімізації виявлених похибок запропоновано застосовувати, в рамках загального фазочастотного підходу, фазочастотний синтезатор.

Запропоновано структуру фазочастотного синтезатора із розширеними вдвічі можливостями керування частотою шляхом введення перехресних зворотних зв'язків, що і надало можливість отримати коефіцієнт ділення:

,

а також вказано на можливість її застосування для завдань девіометрії.

В третьому розділі проведено дослідження та розробку фазочастотного методу вимірювання ДЧ підвищеної швидкодії та точності, визначені основні джерела похибок та запропоновано методи їх зменшення, а також та основні вимоги до складових кумулятивного девіометра.

Обраний метод вимірювання ПФЗ вимагає застосування схеми лічби ФЦ, фазометра та пристрою узгодження їх показників вимірювання. Показано, що лічильник ФЦ є узагальненням частотоміра в рамках теорії фазочастотних вимірювань та перетворень та побудова девіометра тільки на його основі еквівалентна методу ЕЛЧ, для якого неодмінною умовою використання є b>>1. Крім того, значення ДЧ (b<1) при яких ПФЗ можливо вимірювати лише за допомогою визначення тільки КФЗ фазометром.

Таким чином виникає протиріччя, що вирішується запропонованим автором комбінованим способом (рис.3), згідно якого проводиться визначення кількості нулів перетвореного сигналу одночасно із вимірюванням миттєвої фази ЦФМ відносно опорної несучої частоти із наступним об'єднанням результатів обох вимірювань на початку та кінці циклу вимірювання, що кратний половині періоду МДС.

При використанні гармонічних вхідних сигналів та вимірюванні за час Т/2, на виході блоку узгодження (рис.3) фіксується ПФЗ

,

де j1, j2 - показники цифрового миттєвого фазометра (ЦМФ) на початку та наприкінці циклу вимірювання. У індикаторі, ДЧ розраховується за (3).

Рис. 3. Структурна схема фазочастотного девіометра

З метою покращання точності за умови збереження високої швидкодії модифіковано запропонований метод. Удосконалення полягає в проведенні АПЧ синтезатором безпосередньо перед вимірюванням ДЧ. В такому випадку (рис. 4) процес вимірювання складається із двох етапів: на першому етапі, внаслідок непарності характеристики регулювання за рахунок визначення ПФЗ на інтервалі [0,T], проходить визначення центральної частоти вхідного сигналу f0. При чому, для мінімізації загального часу вимірювання АПЧ зручно використовувати фазочастотні синтезатори, робота яких базується на штучному ефекті Доплера. В такому випадку, при нескладній апаратурній реалізації, кількість необхідних періодів МДС для АПЧ близько 10-12, що не суперечить загальному напрямку досліджень - збільшенні швидкодії; другий етап вимірювання аналогічний показаному на рис.1, він реалізується по закінченні першого етапу за умови DY=0 із заданою точністю.

Обґрунтована необхідність застосування ЦМФ у фазочастотних вимірювачах ДЧ. Проведено оптимізацію часу опосереднення при вимірюванні КФЗ за критерієм мінімальної похибки. Показано, що з точки зору мінімізації сукупної динамічної похибки і похибки квантування, кількість періодів опосереднення для гармонічного сигналу визначається як:

,

де fКВ - еквівалентна частота квантуючих імпульсів при вимірюванні КФЗ. Проаналізовано отриманий результат згідно діапазонних вимог вимірювання ДЧ, визначено, що статистичне опосереднення для покращання результатів вимірювання фазового зсуву в аспекті вимірювання ДЧ можливо застосовувати лише на протязі не більш як 2-3 періодів опорної частоти в межах зони нуль-перетинів гармонічного МДС.

Рис.4. Структурна схема та діаграми роботи модифікованого варіанту

фазочастотного методу вимірювання девіації частоти

Розглянуто і доопрацьовано механізм, та доведена необхідність процедури “зшивання” показників ЦМФ та лічильника ФЦ, що полягає у корекції значень ФЦ наприкінці та встановленні ФЦ на початку процесу вимірювання. Запропоновано корекцію ФЦ проводити з кроком у ±1 фазовий квадрант. Проаналізовано усі можливі ситуації взаємного розташування векторів фазових квадрантів (ji+1ФЦ, jiФЦ) із вектором КФЗ (ji+1КФЗ). Ситуація необхідності корекції (рис.5) показників лічильника ФЦ виникає в середньому один раз на 6 поодиноких незалежних вимірювань та виникає внаслідок грубого вимірювання ФЦ та точного КФЗ.

Визначено, що для випадку квадратурної лічби ФЦ пристрій корекції має просту реалізацію на цифрових елементах комбінаційної логіки, та знайдено його логічну функцію.

Рис.5. Зони корекції при квадратурному підрахунку фазових циклів

Показано, що при статистично незалежних вимірюваннях ПФЗ при аналізі параметрів ЧМ-сигналів із застосуванням статистичного опосереднення без процедури корекції виникає методична абсолютна похибка ПФЗ

,

де К - різниця у кількості розрядів при квантуванні ФЦ та КФЗ.

На основі проведеного аналізу методів та засобів побудови лічильників ФЦ визначено, що найбільш ефективним з точки зору узгодження потужності інформаційних потоків із швидкодією апаратних засобів є метод визначення кількості ФЦ за допомогою реверсивного лічильника. Запропонована будову схеми квадратурного лічильника фазових циклів та доведена доцільність його використання у вимірювачах ДЧ із схемами узгодження результатів вимірювання.

Виходячи із запропонованих способів та пристроїв фазочастотних вимірювачів ДЧ визначені основні вимоги до структурної побудови миттєвих фазометрів, основними із них є:

·

· максимальний час готовності до вимірювання повинен бути набагато меншим за період опорного коливання;

· обов'язкова наявність спеціальних сигналів для роботи із лічильником фазових циклів.

В якості прототипу миттєвого фазометра обрано схему ЦМФ з перекриттям із тригерним усуванням невизначеності, що забезпечує середній час затримки спрацьовування , та його СКВ , де ТОП=1/f0. Для зменшення середнього часу затримки спрацьовування запропоновано застосовувати двоканальну квадратурну перехресну схему обробки, що забезпечує , а СКВ .

Показано, що сумарна похибка миттєвого вимірювання визначається за:

, (4)

де NКВ - кількість рівнів квантування КФЗ; DtЗ - максимальна затримка ЦМФ.

Для високоточного вимірювання сумарна похибка оцінюється як:

, (5)

де sКВ - похибка квантуванням фази ЦМФ; sf0 - похибка нестабільності опорної частоти; sDj - похибка квадратурного фазорозщіплення; sDt - похибка затримки спрацьовування ЦМФ. Графіки залежностей похибок (4)та (5) представлено на рис.6.

Рис. 6. Графіки залежності "сумарна відносна похибка вимірювання девіації - індекс модуляції" для швидкісного та високоточного методу за умови використання фазометра із обробкою усіх квадратурних фронтів при F=100KГц, f0=1MГц

При високоточному вимірюванні похибки sКВ та sDj зменшується за рахунок статистичного опосереднення; складова sf0 мінімізується через застосування фазочастотної АПЧ (див.рис.4). Основною складовою сумарної похибки є sDt, середнє значення якої запропоновано компенсувати через примусове встановлення КФЗ початкового ЦМФ у 180° кожного парного (непарного) періоду МДС. Таким чином, для швидкодіючого вимірювача ДЧ аналіз сумарної похибки проводився за граничними значеннями похибок, а для високоточного за СКВ із умовою компенсації їх середніх значень.

Четвертий розділ присвячено рекомендаціям щодо проектування основних складових фазочастотного вимірювача ДЧ та їх практичній реалізації на основі ПЛІС.

Дістав подальший розвиток метод реверсивного ліку фазових циклів. Запропоновано схему лічильника ФЦ, що названо фіксатором фазових циклів, який дозволяє розширити діапазон припустимих ДЧ при квадратурній обробці близько 1,5 раз. Створена фазочастотна модель його функціонування за якою припустимі межі відхилення частоти визначаються за співвідношенням: , де N - кількість еквідистантних фаз фазорозщіплювача.

В рамках подальшого удосконалення розроблено структурну схему вимірювальної системи, що дозволяє проводити вимірювання миттєвої фази за чверть періоду опорної частоти із часом затримки порядку 4-5 затримок логічних елементів.

Розглянуто побудову цифро-аналогових фазорозщіплювачів, визначено, що основна складова похибки багатофазного фазорозщіплення є неідеальність інтегрування простими RC-ланками. Запропоновано ряд схемних рішень для компенсації похибок квадратурного фазорозщіплення. Обґрунтовано можливість застосування схеми цифрового квадратурного фазорозщіплення для отримання вхідних сигналів лічильника фазових квадрантів, визначено похибку фазорозщіплення за даною схемою Це дозволяє використовувати повністю цифрові фазорозщіплювачі для фазочастотних вимірювачів ДЧ.

На основі фазочастотного підходу до вимірювання параметрів сигналів із кутовою модуляцією та запропонованого автором фіксатора фазових циклів розроблено фазочастотний калібратор ДЧ, що дозволяє встановлювати та аналізувати калібровані значення ДЧ та створена його фазочастотна модель. Дискретність встановлення каліброваних значень ДЧ:

,

де Dj - дискретність еквідистантних фаз на виході фазорозщіплювача.

На основі проведених досліджень запропоновано пристрій для вимірювання ДЧ фазочастотним методом (рис.7). Схема призначена для реалізації у ПЛІС у середовищі САПР MAX +PLUS II. Подібні пристрої запропоновано називати кумулятивними девіометрами. Для перевірки працездатності іще на етапі проектування розроблена програма для генерації тестового ЧМ-сигналу із змінними параметрами. Програма генерує тест-вектори із точністю фіксації фронтів 0,1нс. За її допомогою перевірена достовірність та похибки функціонування створених принципових схем.

Рис. 7. Структурна схема фазочастотного вимірювача девіації частоти

Для всіх розглянутих схем розділу проведено комп'ютерне моделювання за допомогою САПР MAX + PLUS II 9.3, представлені принципові схеми, діаграми роботи та особливості їх використання. Проведено експериментальні дослідження (рис.8) інтегрального вимірювача девіації частоти при інтеграції у ПЛІС EPM7128SLC84-7.

Рис.8. Графік експериментальної залежності швидкодіючого кумулятивного девіометра “відносна похибка - індекс модуляції” для 64 рівнів квантування фази

ВИСНОВКИ

В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень в дисертаційній роботі отримані такі наукові та практичні результати:

1. Проведено аналіз основних існуючих методів вимірювання ДЧ, встановлені їх потенційні можливості та області застосування, вказано на можливості використання фазочастотного підходу до визначення параметрів кутової модуляції. Встановлено, що за природою розв'язку завдань вимірювання фазочастотні методи вимірювання девіації частоти відносяться до модуляційно-залежних, цифрових непрямих методів вимірювання, що дозволило доповнити класифікацію методів вимірювання девіації частоти в напрямку підвищення швидкодії та точності.

2. Розроблено новий цифровий фазочастотний метод вимірювання ДЧ високої швидкодії, що базується на визначенні повного фазового зсуву як роздільного вимірювання кількості фазових циклів, кута фазового зсуву із наступним узгодженням результатів окремих вимірювань протягом інтервалів часу, кратних половині періоду модуляційного сигналу. У порівнянні із методом ЕЛЧ розроблений фазочастотний метод дозволяє в 3-7 раз підвищити точність вимірювання ДЧ для індексів модуляції <20, скоротивши час вимірювання до половини періоду МДС.

3. Доопрацьовано алгоритм узгодження показників незалежних вимірювань кількості ФЦ та КФЗ для випадку вимірювання середніх та пікових значень ДЧ. Показано, що в умовах визначення ДЧ запропонованим методом в якості вимірювача кута фазового зсуву необхідно застосовувати ЦФМ, а в якості лічильника ФЦ - квадратурну схему вимірювання.

4. Дістав подальший розвиток метод реверсивного ліку ФЦ, що базується на використанні усіх інформаційних фронтів вимірювального та опорного сигналів, такий підхід дозволяє розширити діапазон припустимих девіацій частот близько 1,5 раз при використанні квадратурної обробки. Створена фазочастотна модель його функціонування.

5. Виявлено наявність та встановлено специфічні джерела методичних похибок фазочастотних вимірювачів ДЧ, визначені їх величини та характеристики в залежності від параметрів сигналів модуляції та частоти квантування, вказані шляхи їх зменшення.

6. Запропоновано, як метод усування методичних похибок вимірювання ДЧ введення фазочастотного зворотного зв'язку, що передбачає наявність фазочастотного синтезатора у схемі вимірювання. Це дозволяє розширити функціональні можливості вимірювача через можливість вимірювання девіації частоти сигналів із невідомою центральною частотою, вимірювання частоти періодичних сигналів із складним законом зміни; покращати на порядок похибку від нестабільності опорної частоти при вимірюванні за запропонованим методом.

7. Розроблені рекомендації щодо проектування цифрових фазочастотних вимірювачів високої швидкодії для інтегрованої реалізації на основі програмованих логічних інтегральних схем та показана можливість реалізації їх основних блоків. Розроблений алгоритм і програма для аналізу похибок вимірювання на кінцевих етапах проектування у середовищі САПР MAX + PLUS фірми “Altera” із точністю встановлення фронтів цифрового сигналу до 0,1нс. Проведено експериментальні дослідження інтегрального цифрового фазочастотного вимірювача девіації частоти для ПЛІС EPM7128SLC84-7"Altera".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Троцишин І.В., Пивовар О.С. Порівняльний аналіз частотного та фазочастотного методів вимірювання девіації частоти// Вісник Технологічного університету Поділля. -2000. - №1. - С.133-135.

2. Пивовар О.С. Особливості методів відображення значень повного фазового зсуву при вимірюванні параметрів ЧМ-сигналів// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький).- 1998.- №3.- С.78-84.

3. Пивовар О.С. Особливості застосування фазометрів середніх значень при вимірюванні параметрів ЧМ- сигналів методами кумулятивної фазометрії //Вісник Технологічного університету Поділля.- 1998.-№4.-С.135-140.

4. Пивовар О.С., Ліствін К.В. Аналіз кодових комбінацій з однаковою секвентністю у синтезаторах на базі багатофазних комутуємих структур //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький). - 1997. - №1. -С.113-117.

5. Пивовар О.С. Метрологічні аспекти кумулятивної девіометрії //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький). -1999р. -№3.-С.34-40.

6. Рішення про видачу патенту України №99052633, МПК6 G01R 23/00. Спосіб виміру девіації частоти гармонічного сигналу та пристрій для його здійснення / О.С.Пивовар, І.В Троцишин; Заявлено 12.05.1999.

7. Рішення про видачу патенту України №99105943, МПК6 G01R 23/00. Вимірювач параметрів гармонічних сигналів із кутовою модуляцією / О.С.Пивовар; Заявлено 29.10.1999.

8. Рішення про видачу патенту України №99105942, МПК6 G01R 25/00 Фіксатор фазових циклів / О.С.Пивовар; Заявлено 29.10.1999.

9. Пивовар О.С. Використання цифрових миттєвих фазометрів на базі програмованих логічних інтегральних схем для вимірювання девіації частоти фазочастотними методами //Матерiали VII НТК "Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах та конверсiї ви робництва".- Хмельницький.- 2000. - С. 235-239.

10. Пивовар О.С., Троцишин І.В., Левандовський В.О. Реалізація кумулятивного девіометра на базі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС)// Матеріали конф. “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології” (СІЕТ6-99). - К.: Фада ЛТД. - 1999. - С.413-416.

11. Пивовар О.С. Застосування кумулятивних фазометрів в технологічних процесах// Тези доповідей науково-практичної конференції “Наукові основи сучасних прогресивних технологій” з нагоди презентації технологічного університету Поділля. - Хмельницький.- 1994. - С.91.

12. Пивовар О.С., Троцишин І.В., Рибій В.О., Войтюк О.П., Любчик В.Р. Багатофазні генератори для фазочастотних перетворень // Матеріали IIІ НТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва”. - Хмельницький.- 1995.- С.111.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві.

Дисертантом у [1] - запропоновано і розроблено математичні моделі похибок та проведено їх експериментальні дослідження; [4] - виконано постановку завдання, запропоновано і розроблено бінарно-ротаційний підхід, здійснено комп'ютерне моделювання; [6]- запропоновано використовувати ЦФМ при визначенні ПФЗ, розроблена методика їх застосування у вимірювачах ДЧ, розроблено пристрій; [10] - запропонована структурна схема пристрою, вказані особливості для реалізації в інтегрованій елементній базі; [12] - розроблені концепції побудови фазочастотних багатофазних синтезаторів та можливості їх реалізації на різноманітній елементній базі.

АНОТАЦІЯ

Пивовар О.С. Цифрові фазочастотні вимірювачі девіації частоти із підвищеними швидкодією та точністю. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.08 - радіовимірювальні прилади. - Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 2001.

Дисертація присвячена розробці методів та пристроїв вимірювання девіації частоти.

Запропоновано цифровий метод вимірювання параметрів радіосигналів із кутовою модуляцією, що полягає у визначенні повного фазового зсуву на інтервалах кратних половині періоду сигналу, що модулює. Найбільш ефективно застосування методу для сигналів із малими індексами модуляції (<10...20) у калібрувальній апаратурі. Узагальнено даний метод шляхом введення фазочастотного зворотного зв'язку, що дозволяє застосовувати його для сигналів із невідомою несучою частотою та розширити функціональні можливості.

На підставі методу запропоновано та розроблено спосіб та ряд пристроїв для вимірювання девіації частоти та їх вузлів: лічильників фазових циклів, цифрових миттєвих фазометрів, комбінаційних пристроїв узгодження. У межах малих девіацій частот похибка вимірювання подібних пристроїв у 3-5 раз переважає аналоги.

На основі програмного та апаратного забезпечення MAX + PLUS II “Altera” здійснено комп'ютерне моделювання та практична реалізація у програмованих логічних інтегральних схемах.

Ключові слова: девіація частоти, повний фазовий зсув, лічильник фазових циклів, цифровий миттєвий фазометр, квадратурний фазорозщіплювач, фазочастотний синтезатор, програмована логічна інтегральна схема.

Pivovar O.S. Digital phase-frequency meters of frequency deviation with heightened speed and accuracy. - Manuscript.

Thesis for obtaint the scientific degree of the candidate of technical science on the speciality 05.11.08 - measuring instruments. - Vinnytsia State Technical University, Vinnytsia, 2001.

The thesis is devoted to development of methods and devices of frequency deviation measurement.

The digital measurement method of radio parameters signals with an angle modulation is offered which based on definition of complete phase shift on intervals to a multiple half of period of a baseband signal. The application of a method for signals with small indexes of modulation (< 10...20) is in the calibration equipment. The given method is generalized by introduction of phase-frequency feedback, that allows to use it for signals with a unknown carrier frequency.

On the basis of the method the number of devices for measurement of frequency deviation designed: counters of phase cycles, digital instantaneous phase meters, combinative devices of interfacing. The measuring error of similar devices in 3-5 times exceeds clones, in limits of indexes of modulation are offered and elaborated.

On the basis of the software MAX + PLUS II "Altera" the computer simulation and practical implementation in programmed logical integrated circuits are realized.

Keywords: frequency deviation, complete phase shift, counter of phase cycles, digital instantaneous phase meter, quadrature phase splitter, phase-frequency synthesizer programmed logical integrated circuit.

Пивовар О.С. Цифровые фазочастотные измерители девиации частоты с повышенными быстродействием и точностью. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.08 - радиоизмерительные приборы. - Винницкий государственный технический университет, Винница, 2001.

Диссертация посвящена разработке методов и устройств измерения девиации частоты на основе фазочастотной обработки измерительной информации.

Анализ известных отечественных и зарубежных методов и устройств измерения девиации частоты показал, что в условиях измерения девиаций частот при низких индексах модуляции существующим методам свойственна низкая точность и скорость измерения. Для увеличения быстродействия и точности при подобных условиях измерения девиации частоты предложено использовать фазочастотные методы и устройства обработки сигналов. Среди фазочастотных методов измерения девиации частоты предложено выделить методы високого быстродействия, методы высокой точности и цифровой компенсации.

Разработан цифровой фазочастотный метод измерения параметров радиосигналов с угловой модуляцией высокого быстродействия, который состоит в определении полного фазового сдвига на интервале половины периода модулирующего сигнала. Полный фазовый сдвиг определяется путем независимого измерения количества фазовых циклов и мгновенных значений фазовых сдвигов в точках нуль-переходов модулирующего сигнала.

При разработке предложенного метода доработан алгоритм согласования независимых результатов измерений по которому результаты независимых измерений фазовых циклов подвергаются коррекции на фазовый квадрант в зависимости от показаний фазометров. Индекс угловой модуляции и девиация частоты находится в простой функциональной зависимости от полного фазового сдвига, определяющейся характером модулирующей функции. Наиболее эффективно применение метода для сигналов с малыми индексами модуляции (<10..20) в калибрационной аппаратуре.

Проведено усовершенствование разработанного метода путем введения фазочастотной обратной связи и расширения интервала измерения. Показано, что эффективное время измерения при сохранении преимуществ по точности относительно аналогов не превышает сотни периодов модулирующего колебания. Использование фазочастотного синтезатора позволило уменьшить составляющую погрешности, связанную с неточностью установки опорной частоты. Для уменьшения составляющей, связанной с асинхронностью процесса измерения предложено череспериодное изменение значения начальной фазы на противоположное. Модификация метода позволила существенно уменьшить погрешности измерения, использовать его для сигналов с неизвестной несущей частотой, определять значение центральной частоты для сигналов со сложной модуляцией и относить его к фазочастотным методам высокой точности.

На основе предложенного метода предложен и разработан способ измерения девиации частоты, который позволяет осуществлять измерение девиации частоты для сигналов с малыми индексами модуляции с методической погрешностью в 3-5 раз меньше существующих аналогов, с сохранением точности измерения аналогов при больших индексах модуляции.

Для использования в данном способе предложен ряд устройств с учетом из дальнейшей реализации в структурах программируемых логических интегральных схем: счетчик фазовых циклов, который допускает на 30% большие изменения частоты входного сигнала; серию схем цифровых мгновенных фазометров с минимизацией времени подготовки измерения; 4-х фазный 32-канальный мгновенный фазометр с временем измерения составляющем несколько задержек логических элементов; комбинационные устройства согласования независимых измерений счетчика фазовых циклов и мгновенных фазометров; фазочастотных синтезаторов частот, позволяющих с дихотомическим шагом перестраиваться под управлением предложенного девиометра .

На основе программного обеспечения MAX + PLUS II “Altera” осуществлено компьютерное моделирование для всех предложенных схем. Для проверки правильности функционирования разработаны алгоритмы и программы получения тест-верторов MAX + PLUS II при точности задания интервалов времени 0,1нс. На основе тест-векторов проведена проверка работоспособности и метрологический анализ предложенных схем на этапе проектирования для разных конфигураций структур. Предложенный способ измерения реализован в структуре программируемых логических интегральных схем фирмы “Altera” EPM7128SLC84-7.

Ключевые слова: девиация частоты, полный фазовый сдвиг, счетчик фазовых циклов, цифровой мгновенный фазометр, квадратурный фазорасщепитель, фазочастотный синтезатор, программируемая логическая интегральная схема.