CC BY
14
УДК 621.317
Метод визначення частоти СВШ-генератора панорамного визшрювача частотних характеристик
Кононов С. П., Негур А. А.
Вшиицький иацншалышй тохшчшш ушворситот Е-mai 1 : andrii. пchur&vntu. ne I.
В статт па основ! в!домого методу з двома опорппмп генераторами наведено базову структурпу схему внм1рювача частоти СВ1П-геператора з одпокапалышм частотпо-часовим перетворювачем. осповпим вузлом якого е стробоскошчпий зм!шувач. Доведено, що використаш1я як опорпих геператор!в па кварцовнх резонаторах суттево зпижуе вилпв складово'1 похибки визпачешш частоти. яка обумовлепа частотною пестабгльшстю геператор!в. Вдоскопалепо метод з двома опорпими генераторами, базову структурпу схему впм1рювача доповпепо трет!м опорпим генератором. Встаповлепо. що при застосу-вапш вдоскопалепого методу складова похибки визпачеппя частоти свш-геператора, яка викликапа пелнпйшстю розгортки. змепшуеться па порядок. Зпайдепо взаемозв'язок м!ж мпожпиком та кое-фщ1ептамп пелшшпост розгортки свш-геператора, який може бути використапий при проектувапш внм1рювача для формуваш1я вимог до частот опорпих геператор!в.
Клюноог слова: частотпий характерюграф: свш-геператор: частотпо-часове перетвореппя: стробоскошчпий зм!шувач: опорпий генератор
Вступ
Використання панорамних вим1рювач1в частотних характеристик або частотних характерограсрв значно шдвшцуе продуктившсть пращ регулюваль-нишв та експлуатацшнишв радюелектронних 1 те-лекомушкацшних систем.
Одшяо з головних функщй частотного хара-ктерографа с формування ним частотного масштабу. тобто визначення частоти евш-генератора. який входить до його складу. Високояккш характеро-графи повинш в широкому частотному д1апазош мати малу похибку формування масштабних миок. автоматично, незалежно вщ смути хитання евш-генератора. визначати 1х частоту.
Вщом1 р1зш способи визначення частоти свш-генератора. До основних вщносять: застосування цифрових частотних синтезатор1в з щентифшащяо частоти за вщомим кодом керування [1]. прямий вихйр частоти евш-генератора без зупинки або 1з зупинкою хитання [2]. непрямий вихйр частоти за вь домими напругою або струмом керування. Цифров1 синтезатори ускладшоють втирювальне обладнан-ня. непрямий вихйр без зупинки хитання потребуй встановлення високостабшьного д1апазонного генератора. прямий вихйр 1з зупинкою хитання знижус швидкод1ю характерографа. Визначення частоти за вщомими напругою. струмом керування не забезпе-
чуе BiicoKoi' T04H0CTÍ формування частотного масштабу i в сучасних приладах не використовусться.
У статт1 пропонуеться метод визначення частоти евш-генератора шляхом використання в хара-ктерограф1 частотно-часового перетворення. lloro перевагою с перенесения без втрати точносп biimí-piB з облает малого часу в область великого часу, що спрощуе обладнання. Також в статт детально анал1зуеться вплив на похибку визначення частоти нелпийност розгортання евш-генератора.
fo fo+F
Рис. 1. Втирювач частоти mítok
1 Постановка задач1
3 метою автоматизащ! та змсншония часу ви-м1рювання в [3] запропоновано визначати частоту свш-генератора за методом з двома опорними генераторами. Бажова одноканальна структурна схема з частотно-часовим перетворенням, яка реал1зуе цей метод, наведена на рис. 1.
Частота вихадно! напруги свш-генератора (СГ), шдключеного до одного з вход1в стробоскошчного змшувача (СЗ) змпиоеться за лпийним законом шд час прямого ходу напруги вщ блоку перестройки (БП). На пиний вхвд змпнувача через ключ (К), ке-рований в1д блоку керуваиня та обчислеиня (БКО), подасться напруга з першого опорного генератора (ОГ1), гармошки якого розподшеш р1вном1рно у робочому д1апазош частот з кроком /0. Отже, на виход1 формувача миок (ФМ), шдключеного до ви-ходу змшувача будуть з'являтись 1мпульси хйток. Вони ввдповщають моментам часу, коли / = п/о , де ^ _ Миттева частота свш-генератора, п = 1,2,3 ... Поява 1мпульав на виход1 формувача поясшоеться тим. гцо вш складасться з поелвдовно з'еднаних фшьтра нижшх частот, детектора ь наприклад, компаратора. Фшьтр видшяс з виходу змшувача низькочастотну напругу з р1зницевою частотою. Детектор разом з компаратором формують на виход1 останнього коротш в1део1мпульси миок, яш иадхо-дять на вхвд БКО.
Нехай теля першо! хйтки опорна частота стае р1вною /о + Р . Тод1 наступний 1мпульс мики буде, коли / = п/0 + Р.
Таким чином, якгцо шеля першо! мики, яка в1д-поввдае частот! свш-генератора f = п/0, змшити опорну частоту /0 на /0 + Р, то можна вим1ряти ча-
Шсля появи другем мики повернути опорну частоту знову до /0 1 вим1ряти ще один штервал т0 до третьо! мики. Тод1 за вщомими т 1 Т0 частота першо! мики визначаеться за формулою:
/м = п ¡0 = — .
т~0 Р
"(Г„+Ц
Рнс. 2. Послвдовшсть миок у вим1рювач1 з двома опорними генераторами
В [3] оцшено максимальну ввдносну похибку ви-значення частоти миок fм, викликану нестабшьш-стю опорних генератор1в. Обчислене значения частоти мики = / м + 'р- 2пД, де /м — точна частота мики, Д — абсолютна частотна нестабшь-шеть генератор1в. Максимальна ввдносна похибка
fм — 1м
1м
^ • 100 %. Наприклад, якщо частоти першого 1 другого опорних генератор1в на кварцо-вих резонаторах 50 МГц 1 51 МГц, а Д < 100 Гц, то максимальна ввдносна похибка визначення частоти миок 7 = 0, 02 %.
Таким чином, використовуючи в частотно-часових перетворювачах високостабшыи кварцов1 генератори, можна досягти точного та автоматичного визначення частоти свш-генератора панорамного вихйрювача частотних характеристик.
Вщчутно бшыний вплив на точшеть визначення частоти може чинити нелшшшеть розгортки свш-генератора. У випадку, коли абсолютна похиб-
0
гармошки шеля його заокруглення буде знайдено неправильно. Необхщшсть встаиовления високоль шйного свш-генератора обмежус сферу застосуван-ня базово! схеми (рис. 1). Тому актуалышм с вдоско-налення втпрювача з метою зниження впливу на результат не лпшигоста розгортки свш-генератора.
2 Результати досладжень
Для усунення неоднозначност номера гармош-п
Р. Позначимо через /тах максимальну вим1рювану
{ 2
частоту мики. Необхщно виконати умову Р < . . Наприклад, якщо /т а х = 2500 МГц, /0 = 50 МГц,то максимально можлива значения Г дор1вшое 1 ]МГц.
Точшсть визначення частоти св1п-генератора за-лежить ввд похибки, гцо викликана нелшшшетю розгортки блока перестройки, похибки встаиовления частот /0, /0 + Р опорних генератор1в, ди-нам1чних явигц, гцо виникають у вузькосмуговому формувач1 м1ток.
3 метою зменшення похибки визначення частоти внаелвдок нелпшшоста св1п-генератора пропону-сться вдосконалити метод з двома опорними генераторами, для чого одноканалышй втирювач з частотно-часовим перетворенням доповшоемо тре-пм опорним генератором з частотою /0 — Р (рис. ).
Внаслвдок комутащ! опорних генератор1в, на ви-ход1 формувача з'являються мики, поелвдов-н1сть яких наведено на рис. 4. Тод1 частота третьо! м1тки, гцо вим1рюсться:
/м = п/0 =
__а.
Т\ + Т2 Р '
т+ + т-
(п+1)1„
БП
СГ
СЗ
ФМ БКО
ОГ1
ОГ2
ОГ3
п(/<, - Р) п/„ п(/е+Р) 2 3 4
(п+1)/, 5
То
1 хп
та
_ т- + т+ _ п — птах ! — пшах
Т1 + Т2
(х+ — х-),
де птах _ /о/^1 — максимальный номер гармошки, який вщиовщае максималыий частой свш-
т а х
п + 1
Рис. 3. Вим1рювач частоти миок
Уй сигнали керування формуються БКО по-сшдовно програмним шляхом. В заложносп в1д швидкосп змши частоти свш-гоноратора часов1 ш-
- + 1 2
одше! 1 те! ж ьптки /м- У випадку стало! швидко-+ = - = 1 = 2 = о м
отриманою для втпрювача (рис. 1).
Ампмтуда
(п-1)Л
л У
N < 0 <у) 1 /1 / 1
/ N = <0/ 1 / ' 1
--/—А 1 1 /Г N>0 ' / 1 '
^^ \ 1 1 1 1 X
-^
п-1
и„
Рис. 5. Лшшна та нолшшна змша частоти свш-генератора
Ретельно дослщжена похибка втпрювання, ко-ненщалышм законом (рис. 5, крив1 2 та 3),
п — 1
+
2
1
1
Рис. 4. Послщовшсть миок у вим1рювач1 з трьома опорними генераторами
Точшсть визначення частоти свш-гоноратора зростас у зв'язку з тим, що у вим1рювач1 на трьох опорних генераторах компенсусться вплив нелшш-
м
3 метою кшьшсно1 оцшки для найиршого вар1ан-розгортки в1д (п — 1) /о до (п +1) /0 ) введемо норму-за вшсю ординат до у — . * , за вшсю абсцис — до
Ттах
х _ де Тр — перюд розгортки частоти (рис. ).
1) у втирювачах з двома 1 трьома опорними генераторами номер гармошки знаходиться, вщповщно, з вираз1в
де N — множник нелшшноста розгортки.
Така форма нелпшшоста с характерною для ке-рованих генератор1в 1 поясшосться наявшстю в 1х схемах реактивних елементв з ексионенщалышм законом перезаряду.
Ведомо два визначення коофшдента нелшшносп розгортки частоти свш-гоноратора [4, 5]. За першим визначенням коофшдент нелшшноста визиачасться
К
у'(0) —у'(1) у'(0)
1
N
якщoN < 0.
У випадку, якгцо множник N > 0, коефщент нслпшшосп визначасться за формулою:
К у>(1) —у'(0) 1 N К1 _ »/(1) _1—е .
Згщно з другим визначенням коофшдент
К 2 =
(Д/тах)^шах^е А/шах — максимально ведхилен-
т а х
максимальна смуга хитання свш-гоноратора.
Отримаш вирази та залежность яш зв'язують м1ж собою три параметры нелшшносп N К ь К2-Цо допоможе сформулювати вимоги до основних характеристик втпрювача частоти свш-гоноратора при його проектуваши.
Анал1з коефщента Кн1 показуе, що коли |N | < 0.2, то К1 ~ |N(рис. ). Якщо множник нелшш-носп шший 1 знаходиться в межах 0, 2 < I N | < 3 то К1 _ (0, 2 ... 0, 95) • N
К
У
п
п
У
X
X
1
0
X
Nx
п
п
т а х
т а х
1
п
п
п
т а х
1-| У
0.8-
0.6- /
0.4-
0.2-
для вимцновача з трьома опорними генераторами (рис. 3):
_ 1
птах ТГ/ Г •
2(х+ — Х_ — Z)
Залсжноста (рис. 8. 9) иов'язують хйж собою таш ocnoBiii параметри свш-генератора, як робочий д1а-пазон частот, частотний крок миок, смугу хитання.
Рис. 6. Коефщент нелшшноеп Кнi Косфшдент нелпшшост
р ln( eN -
К 2 =
-i)/N — 1 1 eN
---in-
sN - 1 Nin N
1
у випадку, коли множник нелшшносп |N | < 3 зна-ходиться з графжа (рис. 7). 3 нього випливае, що якщо свш-генератор мае |Кн2| до 0.35, то це вщпо-
N
до 3. Також з непоганою точшстю розрахуншв можна скориетатись взаемозв'язком Кн2 ~ 0,125 • |N
Рис. 8. Максималышй номер гармошки у втирюва-4i з двома опорними генераторами
К 2
Bei залежносп, яы наведеш в стати (рис. 6-11), е результатом використання ирограмного пакета ана-«штичних обчнслень МАРЬЕ.
' т а х
мошки опорного генератора з частотою /о, при якш абсолютна похибка визначення частоти свш-генератора ще не перевищуе /0/2.
Знайдемо, як залежить птах шд z = п/птах для pi3iinx зиачеиь миожиика нелшшност у випад-ках застосування у вим1рювач1 частоти миок двох i трьох опорних renepaTopiB. Для вихйрювача з двома опорними генераторами (рис. 1)
1 ( х+ — :
2 V 1-хг,
-i,
Рис. 9. Максималышй помер гармошки у втирюва-ч1 з трьома опорними генераторами
Отримаш крив1 мають мпимуми, яш вщповща-ють умов1 дпгргах = 0. Можна говорити про те, що для кожного множника нелшшносп свш-генератора
п
максималышй номер гармошки буде иеревищувати граничне значения, то в усьому частотному д1апазо-ш разом з правильно сформованими миками будуть таш, частота яких визначена з абсолютною похиб-0
п
лшшносп свш-генератора N.
Отримаш залежноста (рис. 10) можуть бути ви-користаш для знаходження мпималыгого частотно-
0
0 2 0
0
2
3
N
'П
п
т а х
Метод ви:шач<шия частоты СВШ-гоиоратора панорамного вширювача частотних характеристик
■27
0.06 0.08
0.1 0.12 N
0.06 0.0
0.1 0.12 N
(а)
(б)
0
три оиорних генератора)
множником знаходимо граничнии номер гармошки (рис. ). По максимальнш робочш частот fmaх
0,8-1
i частоту зеу-
1
пм
X! Х- + х+ X!
Xi
1 — X!
та
-+ х-— 2 • z
Вадповущо, залежшеть граничного номера гармошки в1д множника нслшшносп наведена на рис. 116.
0
в у, на яку р1зняться частоти оиорних генераторш.
F _
F _ 0,8-п^р '
Наприклад, нехай максимальна робоча частота cbín-генератора fma х _ 20 ГГц, а множник нелшш-hoctí N < 0,1. Для базово! схеми (рис. ) знаходимо пгр _ 84 (рис. а). Визначаемо крок mítok /0 _ 250 МГц, частоту зеуву F « 3 МГц, i мшмаль-ну смугу хитання 250 МГц. Сучасш стробоскошчш 3MÍmyBa4Í частотно-часових исретворювач1в широ-космугов1 i можуть ирацювати з пгр > 200. Тому використання вдосконаленого методу, тобто допов-нення базово! схеми троим оиорним генератором (рис. 3) в даному приклада с доцшышм. Навиъ при зменшенш вимог до нелшшносп (N < 0,13) маемо п _ 1000 0
F _ 25
50 МГц.'
У наведеному приклада в доповненш троим оиорним генератором базовШ cxomí абсолютна по-хибка визначоння частоти не перовигцуе половшш кроку mítok. Вщносна похибка при цьому дор1в-шое або менша 0,0625%. Для nopiBiramra панорам-ni характорографи коофшдента ввдбиття i передач! Р4-МВМ-20, Р2-МВМ-25 виробництва ф1рми MWM LAB (Бшорусь) того ж частотного д1апазону мають ввдносну похнбку визначоння частоти бшыну, вона знаходиться в можах (0,1 0,5)%.
Подальшим покращенням втпрювача частоти з трьома опорними генераторами е застосування розрахункових формул (рис. 11а)
(а)
x!
1 — x!
(б)
Рис. 11. Максимальна юльюсть гармошк (а) та гра-ничний номер гармошки (б))
3 отриманих залежностей (рис. 11) видно, що у покращеному вим!рювач1 частоти св1п-генератора ще в два рази зменшуеться похибка визначення
60
6000
140
5000
20
4000
00
3000
2000
80
1000-
60-
8000
6000
4000
2000
N
—п
г пах
2
п
г пах
помора гармошки, тобто суттево зростае точшсть Biraipy при значних нелпийностях розгортки часто-ти свш-гснсратора.
Висновки
На ociiobí методу з двома оиориими генераторами [3] у стати наведено базову структурну схему втирювача частоти cbín-геноратора з одноканаль-ним частотно-часовим перотворювачем, основними вузлами якого е. два опорних гонератори i стробо-скошчний змшувач. Доведено, гцо використання в якоста опорних генератор1в на кварцових резонаторах суттево зменшус складову похибки визначоння частоти, обумовлену частотною нестабшыистю ге-iiepaTopiB.
3 мотою компенсацй' виливу нелшшносп розгортки свш-генератора на точшсть визначоння частоти вдосконалоно метод з двома оиорними генераторами, базову структурну схему втирювача доповне-но tpotím опорним генератором, змшено алгоритм роботи блоку керування та обчислоння. Отримаш p03paxyiiK0BÍ формули для частоти cbín-геноратора, проанал1зовано вплив його нелшшноста на точшсть результате. В результат! встановлено, що при за-CTOcyBainii вдосконалоного методу складова похибки визначоння частоти свш-генератора, яка викли-кана нолпийшетю розгортки, змоншусться на порядок.
Знайдено взасмозв'язок мЬк множннком та кое-фщентами нелпийносп розгортки cbín-гонератора, bíii можо бути використаний при прооктуванш ви-м1рювача частоти i формуванш вимог до частот опорних roiiepaTopiB.
Вдосконалона структурна схема втпрювача з одноканалышм частотно-часовим перотворювачем можо бути застосована у високочастотиих характо-рографах д1аиазону 20 ГГц i вшце. Иого поревагою с простота, вщеутшеть, за впнятком стробоскошчно-го змшувача, швидкодпочих вузл1в, пореносення BHMipiB в область великого часу, тобто на низьш частоти.
Перелж посилань
1. Кувшинов В. ЖИГ-гоиораторы н синтезаторы частот комнаннн Micro Lambda Wireless / В. Кувшинов. Л. Майстренко // Комноненты н технологии. "2015.
№ 9. с. 34-38.
2. Нефедов В.11. Метрология н радиоизмерения / В.11. Нефедов. Л.С. Сигов, В.Л. Внтюков н др.; под ред.
B.И. Нефедова. М. : Высш. шк., 2006. 526 с.
3. Кофанов В.Л. Визначення частоти mítok у НВ4 ви-ьпрювачах частотних характеристик / В.Л. Кофанов.
C.П. Кононов. G.M. Вельгус // Виьпрювальна та об-числювальна техшка в технолог! чних нроцесах. 2009. №1. с. 59-64.
4. Kononov S.P. Panoramic curve-tracing oscilloscope marker blocks and relationship between frequency sweep nonlinearity parameters / S. P. Kononov. M. V. Mentynskyi, R. S. Lykha // Виьорювальна та обчислю-вальна техшка в техиолоИчиих процесах. 2014. №1. с. 72-77.
5. Хромой В.П. Метрология и измерения в телекоммуникационных системах / В.П. Хромой. М. : ИРИАС, 2007. 542 с.
References
[1] Kuvshinov V. and Maistrenko A. (2015) ZhlG-generatory i sintezatory chastot kompanii Micro Lambda Wireless [Iron-yttrium Garnet Generators and Frequency Synthesizers of Micro-Lambda Wireless Company]. Komponenty i. tekhnologii. No 9. pp. 34-38.
[2] Nefedov V.l. od., Sigov A.S. and Bityukov V.A. (2006) Metrologiya i. radioizmereniya [Metrology and radio measurements]. Moskow, Vyssh. shk., 526 p.
[3] Kofanov V.L., Kononov S.P. and Velhus Ye.M. (2009) Vyznachennia chastoty mitok u NV'Ch vymiriuvachakh chastotnykh kharakterystyk [Determination of the frequency of tags in microwave frequency response meters]. Vymiriuvalna ta obchysliuualna tekhnika v tekhnolohichnykh protsesakh, No 1. pp. 59-64.
[4] Kononov S. P.. Mentynskyi M. V. and Lykha R. S. (2014) Panoramic curve-tracing oscilloscope marker blocks and relationship between frequency sweep nonlinearity parameters. Vymiriuvalna ta obchysliuualna tekhnika v tekhnolohichnykh protsesakh, No 1. pp. 72-77.
[5] Khromoi B.P. (2007) Metrologiya i izm.ere.niya v telekommunikatsionnykh si.stem.akh [Metrology and measurements in telecommunication systems]. Moskow. 1R1AS, 542 p.
Метод определения частоты свип-генератора панорамного измерителя частотных характеристик
Кононов С. П., Негур А. А.
В статье па основе известного метода с двумя опорными генераторами приведена базовая структурная схема измерителя частоты СВИП-геиератора с одпокапаль-пым частотпо-времеппым преобразователем, основным узлом которого является стробоскопический смеситель. Доказано, что использование как опорных генераторов па кварцевых резонаторах существенно снижает влияние составляющей погрешности определения частоты, которая обусловлена частотной нестабильностью генераторов. Усовершенствован метод с двумя опорными генераторами, базовая структурная схема измерителя дополнена третьим опорным генератором. Установлено, что применение усовершенствованного метода уменьшает па порядок составляющую погрешности определения частоты свип-геператора, которая вызвана нелинейностью развертки. Найдена взаимосвязь между множителем и коэффициентами нелинейности развертки свип-геператора, которая может быть использована при проектировании измерителя для формирования требований к частотам опорных генераторов.
Ключевые слова: частотный характериограф; свип-генератор; частотно-временное преобразование; стробоскопический смеситель; опорный генератор; частотная метка
Frequency Determination Method of the Sweep-Generator of the Panoramic Frequency Characteristics Meter
Kononov, S. P., Nehur, A. A.
Usage of the panoramic meters of frequency-response characteristics or frequency-response characteristic tracers significantly increases work productivity of adjusters and operators of radioelectronic and telecommunication systems.
One of the main functions of the frequency-response characteristic tracer is formation of frequency-response scale, that is determining sweep generator frequency, which is a part of it. High-quality frequency-response characteristic tracers must have little error of scale bars formation in the broad frequency range, automatically and independently define their frequency of the swing band of the sweep generator.
There is a basic structural scheme of the sweep generator frequency meter with a single-channel frequency-time converter, the main units of which include two reference-frequency generators and stroboscopic mixer. It is proved that usage of reference-frequency generators
on quartz-crystal resonators reduces to zero the error component of frequency defining, provided by frequency instability of the generator.
To compensate the deflection non-linearity influence of the sweep generator on frequency determination accuracy, the basic scheme of the meter was added with the third reference-frequency generators, as well as the operating procedure of the control and evaluation unit was changed. The evaluating formulas were received for the sweep generator frequency, on their basis the mathematical models for deflection non-linearity cases were created. As a result of the analysis it was found that in the new meter in comparison with the basic one the error component of frequency determination of the sweep generator caused by deflection non-linearity is decreased by times.
Interrelation between the multiplication factor and deflection non-linearity coefficient was found, it can be used by designing of the sweep generator frequency meter and formation of the requirements to frequencies of reference-frequency generators.
The developed meter with a single-channel frequency-time converter can be used in high-frequency characteristic tracers of 20 GHz and higher range. Its advantages include: simplicity, absence of fast-speed units, except for the stroboscopic mixer, transfer of measurements to great time range, that is to low frequencies.
Key words: frequency-response characteristic tracers; sweep-generator; frequency-time convert; stroboscopic mixer; reference oscillator; frequency mark
