Національний університет “Львівська політехніка”

Войтюк Олег Петрович

УДК 621.376.3

Розробка та дослідження перетворювача частоти у код методом послідовного наближення

05.11.05 - прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2004

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,

Скрипник Юрій Олексійович,

професор кафедри “Автоматизації і комп’ютерних систем” Київського національного університету технології та дизайну

кандидат технічних наук, доцент

Грибок Микола Іванович,

Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри “Інформаційно-вимірювальні технології”

Провідна установа: Інститут електродинаміки НАН України,

відділ вимірювання електричних та магнітних

величин, м. Київ

Захист відбудеться “30” квітня 2004р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “31” березня 2004р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., проф. Луцик Я.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. При вимірюванні будь-яку фізичну величину перетворюють у зручні для подальшого вимірювання електричні сигнали. Усі радіосигнали характеризуються частотою, амплітудою і фазою.Одним із інформативних параметрів електрорадіосигналів є частота. Частоту сигналів можна вимірювати з високою точністю при незначних апаратурних витратах. Сучасні засоби вимірювання частоти дозволяють проводити вимірювання на високих частотах з відносною похибкою до 10-8. Діапазон вимірюваних частот сягає від інфранизьких до вкрай високих частот. Проте досягнення вказаних точностей вимірювання та діапазонів частот є можливим лише за умови існування вимірюваних сигналів на протязі усього часу вимірювання.

На сьогодні існують як аналогові, так і цифрові методи вимірювання частоти. Аналогові методи мають великий час вимірювання і малий динамічний діапазон, тоді як цифрові методи мають велику швидкодію і подають результат вимірювання у зручному для людини представленні у вигляді десяткового числа, або двійкових кодів для ЕОМ.

Якщо деякі фізичні величини існують на протязі невизначеного часу, тоді перетворення інформативного параметра в частоту можна вважати радіосигналами із наперед невідомою тривалістю. Наприклад, визначення несучої частоти радіостанції, що працює за принципом псевдовипадкового перескоку частоти, визначення параметрів швидкоплинних технологічних процесів та інше, де тривалість інформаційного сигналу заздалегідь невідома. При вимірюванні таких сигналів класичними методами виникають значні похибки, викликані детермінованим часом вимірювання. Тому виникає потреба у розробці нових методів вимірювання із покращеними метрологічними характеристиками засобів вимірювання частоти радіосигналів із наперед невідомою тривалістю.

Такими є методи послідовної лічби, порозрядного кодування, паралельного зчитування, а також їх комбінації. Тому розробка нових схем вимірювання, що дозволяють знаходити частоту радіосигналів з апріорі невідомою тривалістю є актуальною задачою як з точки зору зменшення часу вимірювання (часу доступу до сигналу), так і з точки зору підвищення точності вимірювання частоти взагалі.

Зв’язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі “Проектування та конструювання РЕЗ” Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) в рамках комплексних програм Міністерства освіти України, а також в порядку виконання госпдоговірних робіт з НПО “Новатор” (м. Хмельницький), НПО “Катіон” (м. Хмельницький) та в рамках держбюджетних тем ТУП (м.Хмельницький): 1Б-95 “Дослідження та розробка нових ортогональних базисів сигналів та їх застосування для передачі інформації та радіовимірювань” та 1Б-98 “Розробка та дослідження фазочастотних методів вимірювання параметрів сигналів із кутовою модуляцією”.

Мета і задачі дослідження. Полягають у розробці та дослідженні швидкодіючого вимірювача частоти радіосигналів, що оптимізований за критерієм [похибка вимірювання ґ час вимірювання ґ апаратурні ресурси].

Для досягнення поставленої мети потрібно розв’язати наступні задачі: –

провести адаптацію відомих методів перетворення аналогової величини у цифровий код для вимірювання частоти радіосигналів та оптимізувати ці методи за критерієм [похибка вимірювання ґ час вимірювання ґ апаратурні ресурси]; –

розробити структуру кодокерованих компенсаторів частот; –

розробити та дослідити швидкодію схем фазочастотних компараторів та їх вплив на процес вимірювання; –

розробити методику метрологічної атестації та повірки; –

розробити частотомір послідовного наближення із використанням мікроконтролера.

Об’єкт дослідження — методи та засоби вимірювання частоти радіосигналів із наперед невідомою тривалістю.

Предмет дослідження — частотомір послідовного наближення.

Наукова новизна одержаних результатів. –

вперше встановлено, що вимірювання частоти радіосигналів з наперед невідомою тривалістю за методом послідовного наближення забезпечує мінімальне значення сукупного критерію “похибка вимірювання ґ час вимірювання ґ апаратурні ресурси”; –

встановлено, що у випадку малих розходжень частот на перших тактах наближення, для завершення процесу перетворення доцільно використовувати прискорений алгоритм послідовного наближення, який полягає у примусовому встановленні відповідного розряду коду у протилежне значення і подальше поступове його уточнення; –

вперше запропоновано використовувати та вирішено задачу створення фазочастотного синтезатора секвентності на основі напівсуматора секвент, що дозволило збільшити у 2 рази динамічний діапазон (до 0ёft) порівняно із класичним суматором, у якого він складає від (0ёft/2) опорної частоти (міри).

Практичне значення одержаних результатів. –

розроблені структурні схеми вимірювачів частоти радіосигналів з апріорі невідомою тривалістю; –

розроблена повірочна схема для метрологічної атестації перетворювача частота—код; –

розроблена інженерна методика розрахунку характеристик частотоміра послідовного наближення; –

розроблені програми для виготовлення частотоміра послідовного наближення на сучасних програмованих логічних матрицях.

Основні положення, які виносяться на захист. –

методологія вимірювання частоти радіосигналів з наперед невідомою тривалістю методом послідовного наближення при забезпеченні мінімально можливої похибки вимірювання; –

принцип компенсування вхідної частоти радіосигналу сигналом фазочастотного синтезатора секвент керованого кодами регістра послідовного наближення; –

методологія прискорення перетворення за умови близьких частот на перших тактах наближення; –

компаратор частот із підвищеною швидкодією; –

методики оцінки метрологічних характеристик.

Особистий внесок здобувача є основним на всіх етапах досліджень і полягає у формулюванні завдань та безпосередньому виконанні всіх етапів роботи та експериментальних досліджень. Автором особисто адаптовані математичні моделі методу послідовного наближення до задач вимірювання частоти радіосигналів з апріорі невідомою тривалістю. Розробка та дослідження цифрових синтезаторів частот із регулярними структурами та фазочастотних компараторів проводилась за допомогою системи логічного моделювання у програмах PC-LOGS та MAXPLUS-II.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи докладались на III, IV, V, VI та VII науково–технічних конференціях “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м.Хмельницький), наукові конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м.Київ), на II, III, IV наукових конференціях молодих вчених та студентів (м.Київ), а також внутрішньовузівських конференціях та міжкафедральних семінарах.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 робіт, із них 5 у журналах, зареєстрованих ВАК України.

Структура та об’єм роботи. Дисертація загальним об’ємом 150 сторінок складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури (89 найменувань), додатків, вміщує 115 сторінок основного тексту, 69 рисунків на 57 сторінках і 6 таблиць.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обгрунтовано актуальність роботи, її зв’язок з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про реалізацію результатів роботи, її апробацію і публікації.

В першому розділі в результаті аналізу проведено класифікацію методів та засобів вимірювання частоти і було встановлено, що усі методи поділяються на аналогові та цифрові. Аналогові методи грунтуються на частотних параметрах радіоелементів, а саме метод вольтметра, ємнісний та резонансний, на перетворенні сигналів - гетеродинний, фігури Ліссажу і методом биття. До цифрових методів відносяться метод електроннолічильного частотоміра, обчислювального частотоміра і обчислювального частотоміра з подвійною ноніусною інтерполяцією. В результаті досліджень кожного методу, було визначено, що всі вищезгадані методи не дають можливості виміряти частоту радіосигналів з наперед невідомою тривалістю, тому автором запропоновано нові методи вимірювання частоти виділивши їх у окремий метод вимірювання частоти радіосигналів.

У цьому розділі розглядається причина появи невірних значень, а то і промахів при вимірюванні частоти радіосигналів із наперед невідомою тривалістю класичними цифровими частотомірами.

Із загальної теорії вимірювання постійної напруги цифровими методами відомо, що для прискорення вимірювання використовуються три класичних методи перетворення: метод послідовної лічби, метод зчитування та метод послідовного наближення. На основі використання цих методів для вимірювання частоти радіосигналів із наперед невідомою тривалістю здійснено вибір напрямку і сформульовано основні задачі досліджень.

В другому розділі розроблені математичні моделі адаптованих методів вимірювання частоти радіосигналів із наперед невідомою тривалістю, досліджені потенційні швидкодія та похибки вимірювання кожного із адаптованих методів: паралельного, послідовної лічби та послідовного наближення.

Першим таким адаптованим методом є метод паралельного перетворення який полягає у порівнянні вимірюваної величини із набором еталонних величин. Для вимірювання частоти використовується частотно-цифровий перетворювач, у якому як еталонні величини виступає сітка еталонних частот яка синтезується за допомогою синтезатора частот. Порівняння вимірюваної частоти із еталонною відбувається у частотних компараторах. Такий частотно-цифровий перетворювач представляє собою синтезатор частот та набір частотних компараторів з’єднаних за наступною структурною схемою, яка зображена на рис.1.

Рис.1. Структурна схема вимірювача частоти, що працює за методом паралельного перетворення

Після порівняння невідомої вхідної частоти із еталонною частотою () на виході кожного із частотних компараторів отримуємо значення про їх відмінність. Наприклад, нехай на виході частотного компаратора встановлюється значення логічної одиниці, тоді коли значення невідомої частоти більше або дорівнює значенню еталонної частоти і нулю якщо значення невідомої частоти менше еталонного. Тобто . Після певного часу порівняння на вході вирішуючого пристрою матимемо лінійний одиничний код, тобто код, що складається із числа одиниць отриманих з виходів частотних компараторів, значення вимірюваної частоти можна отримати шляхом добутку числа одиниць у коді на крок синтезованих частот, тобто математична модель методу зчитування має вираз:

,  

де - число одиниць у лінійному одиничному коді;    

- крок синтезу частот.

Простота математичної моделі методу паралельного перетворення, полягає в складності технічної реалізації внаслідок необхідності використання 2n частотних компараторів, де n - розрядність коду та синтезатора частот, який одночасно синтезує всю сітку еталонних когерентних частот кількість яких рівна кількості частотних компараторів.

Найпростішим перетворювачем частота®код є перетворювач який працює за методом послідовної лічби. При класичному виконанні цього методу необхідно всього один еталон, рівний кванту, причому цей еталон використовується багаторазово при врівноваженні вхідної частоти. У цьому випадку на один із входів частотного компаратора подається вимірюваний сигнал невідомої частоти , а на інший поступає еталонна частота із перетворювача код®частота () (рис. 2). Математична модель процесу вимірювання частоти методом послідовної лічби має вигляд:

, де - кількість розрядів двійкового лічильника; - номер такту вимірювання;

, - вихідний сигнал частотного компаратора за -й та -й такт вимірювання; - крок сітки частот синтезатора.

Рис. 2. Структурна схема вимірювача частоти методом послідовної лічби

Запропонована математична модель описує метод частотно-цифрового перетворення послідовного ліку при поступовому збільшенні частоти еталонного сигналу на виході синтезатора частот. Аналогічно, можна зменшувати частоту вихідного сигналу синтезатора від максимального значення до нуля. У цьому випадку математична модель методу буде наступною:

.

Математична модель послідовного методу подібна до моделі паралельного методу, але технічна реалізація даного методу є простіша внаслідок використання лише одного частотного компаратора та синтезатора частот який послідовно синтезує всю сітку еталонних частот, на що вказує наявність у математичній моделі коду на виході двійкового лічильника N. Очевидно, що час вимірювання буде залежати від значення частоти, яка вимірюється.

Найбільш ефективним з точки зору складності апаратурної реалізації та співвідношення “час вимірювання ґ похибка вимірювання ґ апаратні ресурси” є метод послідовного наближення який дозволяє значно знизити вплив динамічних похибок при проведенні вимірювань та зменшити час вимірювання. Структурна схема, що реалізує даний метод зображена на рис.3.

Рис.3. Структурна схема вимірювача частоти що працює за методом послідовного наближення

Математична модель процесу вимірювання за методом порозрядного кодування має вигляд:

,

де - число розрядів регістру послідовного наближення; - максимальна вимірювана частота; - значення на виході частотного компаратора на i-му кроці врівноваження (при ; при ).

Аналіз математичної моделі послідовного наближення показує, що з кожним наступним кроком вимірювання похибка зменшується у два рази, а у разі зникнення радіосигналу ми матимемо уже частину інформації про частоту сигналу який вимірюється. З математичної моделі випливає, що час вимірювання залежить від числа розрядів двійкового регістру послідовного наближення.

Якщо розглянути усі математичні моделі методів частотно-цифрового перетворення, видно, що похибка методів залежить від дискретності сітки цифрового синтезатора частот , яка визначається складністю технічної реалізації і досягає значень 0.01 Гц. Таким чином, потенційна похибка залежить від потенційної похибки встановлення вихідної частоти цифрових синтезаторів частоти.

Час одного такту вимірювання буде складатися з часу порівняння (або ), часу запису даних у регістр накопичення () та часу перестроювання синтезатора частот ():

; або (1)

Час вимірювання за паралельним методом відбувається за один такт роботи і потенційний час перетворення буде визначатись за формулами (1). При порівнянні у частотному компараторі відносно еталонного сигналу час перетворення буде дорівнювати часу порівняння на найменшій частоті і це значення буде сталим для цього частотного діапазону. При порівнянні у частотному компараторі відносно періоду вхідного сигналу час порівняння залежить від частоти вхідного сигналу. Чим вища частота, тим менший час порівняння із еталонними частотами. На рис.4 наведено графіки залежностей часу вимірювання від частоти вхідного сигналу.

Рис.4. Залежність часу вимірювання від частоти методу паралельного перетворення

При вимірюванні за методом послідовної лічби і при порівнянні вимірюваної частоти із еталонною за один період еталонної частоти час вимірювання буде: коли еталонна частота поступово збільшується ; коли еталонна частота зменшується від максимального значення до мінімального .

При порівнянні вимірюваної частоти із еталонною за один період вимірюваної частоти, час вимірювання буде відповідно: ; 

Графік функції залежності часу вимірювання від частоти сигналу, що вимірюється , для першого випадку буде мати вигляд зображений на рис.5 а для другого випадку — на рис.6.

Рис.5

Рис.6

Для методу послідовного наближення при порівнянні у частотному компарторі за один період еталонної частоти час вимірювання дорівнює сумі величин часу порівняння частот за кожен такт вимірювання: , а частота еталонного сигналу в -й такт визначається із співвідношення:

, де - вагові коефіцієнти, що визначаються результатами порівняння частоти вхідного сигналу та еталонних частот за кожен такт порівняння . При порівнняні за один період вимірюваної частоти час вимірювання становить:

Залежність часу вимірювання від значення вхідної частоти при порівнянні у частотному комапарторі за період еталонної частоти зображено на рис.7, а при порівннянні за період вимірюваної частоти на рис.8.

Рис.7 Рис.8

При спільному аналізі залежностей часу порівняння від частоти (рис.9) видно, що величина у діапазоні частот від 0 до менша при порівнянні за один період еталонної частоти. У діапазоні частот від до величина співрозмірна для обох способів порівняння частоти вхідного сигналу із еталонної частотою.

Рис.9

Було виявлено, що із зростанням частоти вхідного сигналу час її вимірювання зменшується. Залежність часу вимірювання від значення вимірюваної частоти має різний вигляд для кожного методу вимірювання та способу порівняння частоти вхідного та еталонного сигналів. Встановлено, що більш доцільним, з точки зору зменшення часу вимірювання, є порівняння частот сигналів у частотному компараторі відносно періоду еталонного сигналу. При порівнянні часу вимірювання трьох методів: паралельного, послідовної лічби та послідовного наближення, при порівнянні частоти вхідного та еталонного сигналів відносно періоду еталонного сигналу видно, що найменшу швидкодію має метод послідовної лічби (рис.10).

Рис.10. Залежності потенційного часу вимірювання для перетворювачів частоти в код

Ввівши сукупний критерій “похибка вимірювання ґ час вимірювання ґ апаратурні ресурси” встановлено, що найменшому його значенню відповідає метод послідовного наближення і тому подальше дослідження проводилось із використанням методу послідовного наближення.

У третьому розділі проведено дослідження автоматизованого вимірювача частоти радіосигналів із наперед невідомою тривалістю, що працює на основі запропонованого методу послідовного наближення. Розроблені основні складові такого вимірювача, такі як частотний компаратор та швидкодіючий синтезатор секвент.

Базова структурна схема цифрового вимірювача частоти радіоімпульсів зображена на рис.11. Частотомір складається із таких основних блоків.

Рис.11. Структурна схема частотоміра послідовного наближення

Підсилювач-формувач, на вхід якого поступає частота, яку необхідно виміряти, перетворює вхідний сигнал у сигнал прямокутної форми із збереженням частоти вхідного сигналу. Вихідний сигнал сформований підсилювачем-формувачем поступає на частотний компаратор, а також на пристрій формування часових інтервалів часу порівняння частот, який виконує роль пристрою-формувача часу порівняння та синхронізатора роботи регістра послідовного наближення. Сигнал з вихіду пристрою формування часових інтервалів подається на вхід синхронізації регістра послідовного наближення, а також на вхід тригера реєстратора. У регістрі послідовного наближення формуються коди для керування синтезатором частот. Синтезатор частот ділить частоту, яка поступає з генератора еталонної частоти на число разів еквівалентне числу яке поступає з регістра послідовного наближення. Мікроконтролер керує процесом вимірювання, а також здійснює перетворення виміряного значення частоти з двійкового коду у десятковий і відображає виміряне значення частоти на індикаторі.

Як видно із структурної схеми частотоміра (рис.11) основними вузлами, що забезпечують швидкість і точність вимірювання, є пристрій порівняння і перетворювач код®частота. Тому до цих елементів схеми пред’являються високі швидкісні та точнісні параметри.

Розроблено схему швидкодіючого частотного компаратора (рис.12) який має наступні основні властивості: —

працює у широкому діапазоні частот, а саме від 0 до граничної робочої частоти інтегральних схем на яких він побудований; —

має високу швидкодію; —

не чутливий до фазового зсуву між частотами, що порівнюються; —

можливість порівняння частот сигналів з різною шпаруватістю.

Рис.12. Структурна схема частотного компаратора, де ФІ - формувач імпульсів, СЗ - схема збігання, І - інвертор, Т - тригер

На часових діаграмах (рис.13.) зображено результати порівняння сигналів різної форми та частоти з яких видно, що розроблена схема відповідає своєму призначенню. Встановлено, що час появи результату порівняння двох частот дорівнює оберненому значенню різнецевої частоти порівнюваних частот.

Рис.13. Часові діаграми роботи частотного компаратора

Роздільна здатність або похибка порівняння двох частот у частотному компараторі однозначно залежить від тривалості імпульсів, які формують формувачі імпульсів (ФІ).

Іншим важливим компонентом частотоміра послідовного наближення є перетворювач код®частота або кодокерований синтезатор частот. На основі фазочастотної теорії радіосигналів було розроблено синтезатор секвент який складається із регулярних структур структурна схема якого зображена на рис.14 і складається із однакових блоків. Блоки, з яких складається цей синтезатор є регулярними цифровими структурами, тому це дає змогу нарощувати число синтезованих частот без ускладнення схемотехнічної реалізації, а також дає змогу легко інтегруватися у одному корпусі мікросхеми.

Рис.14. Структурна схема синтезатора секвент

Динамічний діапазон синтезованих частот такого синтезатора складає від 0 до з кроком , де - частота генератора опорних тактових імпульсів; - число блоків з яких складається синтезатор або кількість двійкових розрядів коду .

Форма вихідного сигналу який генерує даний синтезатор, цілком подібна до форми вихідного сигналу, що генерує синтезатор на основі класичного накопичуючого суматора, а отже є теж максимально подібною до сигналу типу “меандр” і до того ж у ширшому динамічному діапазоні ніж синтезатор на основі накопичуючого суматора. Швидкість переходу із частоти на частоту синтезатора секвент складає два періоди тактової частоти .Причому розширення діапазону синтезованих частот і кроку синтезу шляхом простого нарощування ланок синтезатора ніяк не впливає на швидкодію роботи синтезатора.

В четвертому розділі розроблено повірочну схему для метрологічної атестації частотоміра послідовного наближення та досліджено причини похибок які виникають у процесі вимірювання, а також розроблено інженерний розрахунок частотоміра послідовного наближення.

Для проведення метрологічної атестації було розроблено схему метрологічної атестації (рис.15). При проведенні атестації було побудовано графіки залежності похибки вимірювання від частоти при різних періодах вимірювання при здійсненні порівняння у частотному компараторі за декілька періодів вимірюваної частоти (рис.16) та за декілька періодів еталонної частоти (рис.17).

Рис.15. Повірочна схема

Рис.16 Рис.17

Рис.18

В результаті досліджень, було знайдено залежність похибки вимірювання від тривалості сигналу на вході та побудовано порівняльні графіки залежності похибки вимірювання класичного частотоміра та частотоміра послідовного наближення (рис.18). Як видно з рис.18 частотомір послідовного наближення уже на перших порах вимірювання дає похибку вимірювання всього 0.5 тому що за першу ітерацію порівняння ми вже знаємо більша чи менша вимірювана частота за половину частоти всього діапазону вимірювання. І з кожною ітерацією ми все точніше і точніше встановлюємо значення вхідної частоти. В той час як класичний частотомір видає значення виміряної частоти з деякою точністю лише після того як пройде певний час вимірювання. До того ж при раптовому зникненні вимірюваного сигналу класичний частотомір видає абсолютно невірні результати тоді як частотомір послідовного наближення відобразить максимум інформації із того сигналу який він встиг проаналізувати.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз основних існуючих методів вимірювання частоти електричних та радіосигналів, встановлені їх потенційні можливості та області застосування, вказано на можливості використання нового підходу до вимірювання частоти радіосигналів. Встановлено, що метод послідовного наближення, застосований для вимірювання частоти радіосигналів, відноситься до цифрових прямих методів вимірювання при порівнянні із мірою, що дозволило доповнити класифікацію методів вимірювання частоти радіосигналів в напрямку за критерієм “зменшення похибки вимірювання, часу вимірювання та апаратурних витрат”.

2. Досліджено швидкодію та похибки вимірювання частоти розглянутих методів частотно-цифрового перетворення і встановлено, що у порівнянні із класичним методом електронно-лічильного частотоміра метод послідовного наближення дозволяє в 5-10 разів підвищити швидкість вимірювання при тій же похибці вимірювання. Встановлено, що найбільшу швидкодію вимірювання серед розроблених методів дає паралельний метод, який має найбільші апаратні витрати, що унеможливлює його практичне використання.

3. Доведено, що оптимальним методом за критерієм швидкодія-точність та апаратні витрати є метод послідовного наближення. При розрядності вихідного коду у 10 одиниць, метод послідовного наближення дає швидкодію в середньому у 50 разів більшу у порівнянні із послідовним методом. Та в 10 разів меншу у порівнянні із паралельним методом.

4. Розроблено структурну схему та створено вимірювач частоти радіосигналів з апріорі невідомою тривалістю методом послідовного наближення. Кількість розрядів регістру послідовного наближення - 24, досягнута точність вимірювання ±0.5 Гц при частоті опорного генератора 8 МГц, діапазон вимірювання від 10 кГц до 8 МГц. Швидкість вимірювання складає від 0.1 сек на початку діапазону вимірювання та 12 мкс на кінці діапазону вимірювання.

5. Розроблені та досліджені швидкодіючий синтезатор частот та частотний компаратор які складають основну частину частотоміра послідовного наближення. Динамічний діапазон синтезованих частот розробленого синтезатора становить від 0 Гц до значення тактової частоти, що недосяжне для існуючих класичних синтезаторів. Розроблений цифровий частотний компаратор порівнює цифрові сигнали із довільним фазовим зсувом та довільною шпаруватістю сигналів на його входах.

6. Розроблена схема та методика метрологічної атестації для атестації метрологічних характеристик частотоміра послідовного наближення.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВІДОБРАЖЕНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Войтюк О.П., Троцишин І.В. Вимірювання частоти радіосигналів з апріорі невідомою тривалістю //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. —1999. —№1.

2. Войтюк О.П., Любчик В.Р. Цифровий пристрій фазорозщеплення.// “Вісник Технологічного університету Поділля.” Серія 1. Технічні науки . —1997. —№1. —С. 81 - 83.

3. Войтюк О.П., Троцишин І.В. Дослідження фазочастотних компараторів для вимірювання частоти.// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. —1999. —№1. —С.54-58.

4. Войтюк О.П., Аліфанова Н.О. Розгляд природи похибок у частотомірі послідовного наближення //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. —2000. —№1. —С.77-79.

5. Тетеря О.А., Троцишин І.В., Войтюк О.П. Аналіз характеристик дискретно-аналогових комутаторів в режимі динамічних фазообертачів //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. —1997. —№1. —С.74-84.

6. Войтюк О.П. Визначення потенційної точності та швидкодії адаптованих методів вимірювання частоти // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. —2002. —№1. —С.182-185.

7. Троцишин І.В., Войтюк О.П. Особливості вимірювання частоти сигналів тривалість реалізації яких наперед невідома // Вісник Технологічного університету Поділля. —2003. —№1. —Ч.1 (48). Технічні науки. —С.200-205.

8. Войтюк О.П. Троцишин І.В. Вимірювання частоти методом послідовного наближення як спосіб покращення точності та швидкості вимірювача частоти//Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. —2000. —№7. —С.175-177.

9. Войтюк О.П., Троцишин І.В. Вимірювання частоти методом послідовного наближення // Збірник наукових праць молодих вчених та студентів. —К.: ДАЛПУ. —1998. —С.16. —Ч.3.

10. Войтюк О.П., Троциши І.В. Частотоміри радіосигналів з апріорі невідомою тривалістю. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. —1999. —№3. —С.125-128.

АНОТАЦІЯ

Войтюк О.П. Розробка та дослідження перетворювача частоти у код методом послідовного наближення. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.05 - Прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин.

- Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004

Дисертацію присвячено розробці нових методів вимірювання частоти і побудова частотоміра послідовного наближення для вимірювання частоти радіосигналів із наперед невідомою тривалістю.

У роботі виконано адаптацію методів, які відомі при аналого-цифровому перетворенні сигналів у область задач вимірювання частоти радіосигналів. Проаналізовано математичні моделі швидкодії вимірювачів частоти за методами зчитування, послідовного ліку та послідовного наближення. Розроблено схему частотоміра, що працює за методом послідовного наближення та знайдено схемотехнічні рішення, що покращують швидкодію та зменшують похибку вимірювання пристрою.

Ключові слова: частота, послідовне наближення, синтезатор частот, компаратор частот.

АННОТАЦИЯ

Войтюк О.П. Разработка и исследование преобразователя частоты в код методом последовательного приближения.-Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин.

- Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2004

Диссертация посвящена разработке новых методов измерения частоты и построение частотомера последовательного приближения для измерения частоты радиосигналов с наперед неизвестной продолжительностью.

Путем проведения анализа существующих методов измерения частоты было установлено, что ни один из существующих методов – аналоговый или цифровой – не пригоден для измерения частоты радиосигналов, длительность которых наперед неизвестна. Поэтому в работе показана адаптация методов, известных при аналого-цифровом преобразовании, применительно к задачам измерения частоты радиосигналов с наперед неизвестной продолжительностью.

В результате выполнения работы были разработаны математические модели методов параллельного преобразования, последовательного счета и последовательного приближения для измерения частоты радиосигналов. Полученные математические модели, проанализированы по быстродействию и погрешности измерения. В результате был введен совокупный критерий “погрешность измерения ґ время измерения ґ аппаратные ресурсы” и установлено, что наименьшему его значению соответствует метод последовательного приближения и дальнейшее исследование проводилось с его использованием.

Разработан и исследован автоматизированный измеритель частоты радиосигналов с наперед неизвестной длительностью который состоит из таких основных узлов как частотный компаратор и кодоуправляемый синтезатор секвент работой которых управляет микроконтроллер. Так как частотный компаратор и синтезатор частот принимают непосредственное участие в процессе измерения частоты то к ним предъявляются особые требования как по быстродействию так и по погрешности измерений.

Разработанный частотный компаратор работает в широком диапазоне частот, а именно от 0 до граничной рабочей тактовой частоты интегральных схем, на которых он построен; не чувствителен к фазовым сдвигам между сигналами, которые сравниваются, а также может сравнивать частоты сигналов, у которых форма сигналов может иметь различную скважность. Погрешность сравнения частот зависит от длительности импульсов, которые формируются во входном формирователе импульсов, а время появления сигнала на выходе равно периоду разностной частоты сравниваемых сигналов.

Преобразователь код—частота или кодоуправляемый синтезатор секвент, разработанный на основе фазочастотной теории радиосигналов, состоит из регулярных цифровых структур, что дает возможность расширять число синтезированных частот без усложнения схемотехнической реализации, а также дает возможность легко интегрироваться в одном корпусе микросхемы. Динамический диапазон разработанного синтезатора секвент составляет от 0 до ft с шагом ft/2N, где ft - частота генератора опорных тактовых импульсов, N - число блоков из которых состоит синтезатор или количество двоичных разрядов входного кода. Форма выходного сигнала разработанного синтезатора секвент полностью похожа на форму сигнала синтезатора на основе классического накапливающего сумматора. Скорость перестройки с частоты на частоту составляет два периода тактовой частоты ft.

Для проведения метрологической аттестации частотомера последовательного приближения была разработана поверочная схема, а также разработан инженерный расчет узлов частотомера. После проведения аттестации были получены зависимости погрешности измерения от измеряемой частоты при сравнении в частотном компараторе за несколько периодов измеряемой частоты и за несколько периодов эталонной частоты. В результате измерений было установлено, что частотомер последовательного приближения уже на первых этапах измерения дает относительную погрешность измерения равную 0.5 и с каждой итерацией все точнее и точнее устанавливается значение входной частоты. К тому же при внезапном исчезновении измеряемого сигнала, классический частотомер выдает абсолютно неверные результаты, тогда как частотомер последовательного приближения отображает максимум информации из того сигнала, который он успел проанализировать.

Ключевые слова: частота, последовательное приближение, синтезатор частот, компаратор частот.

ANNOTATION

Voitiuk O.P. Development and research of frequency to code converter which works with the successive approximation method. - Manuscript.

The thesis for a candidate degree by specialty 05.11.05 - Devices and methods of measurement of electrical and magnetic values. - National university “Lvivska politehnica”, Lviv, 2004.

The dissertation is devoted to development of new measuring methods of frequency and development of frequency counter of successive approximation to measure radio signals with unknown duration time of a signal existence.

In this work has been demonstrated the usage of well-known methods of analog-to-digital conversion, such as: sequence, parallel and successive approximation ones for the measurement frequency of radio signal tasks. With the adaptation of the measuring frequency method, it is found the mathematical models of sequence, parallel and successive approximation methods to measure frequency. Due to researching of mathematics models of tracking, parallel and successive approximation to measure frequency, the time, inaccuracy and device resources were received. Coin criterion “time measurement ґ inaccuracy of measurements ґ device resources” allowed to get its minimal value that’s correspond to successive approximation method of measuring frequency.

On the basis of successive approximation method of measuring frequency the frequency counter was developed. Key unit of this frequency counter is a frequency comparator and a frequency sequencer. The frequency comparator can work in a wide frequency range, has a rapid signal processing. It is insensitive to an input signal phase shift and it can compare signals with a different off-duty factor. Dynamic range of frequency sequencer is from 0 to clock frequency Ft of a reference generator with the step Ft/2n, where n - a number of bits of an input code. The waveform of this frequency sequencer is same as a classical frequency sequencer which is based on the summator and it maximally approaches to a square waveform. Change time from a frequency to a frequency equals to two time clocks of a reference generator.

Keywords: frequency, successive approximation, frequency sequencer, frequency comparator, frequency counter.