SU1335891A1 - Device for measuring short-time instability of frequency - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике цифрового измерени  кратковременной нестабильности частоты генераторов. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений и распгарение функциональных возможностей. Дл  достижени  поставленной цели в устройство дополнительно введены делители 8 и 9 частоты, двоичньш счетчик 12, преобразователь 13 код - напр жение и регистратор 14. Устройство также содержит исследуемый генератор 1, управл емый генератор 2, смеситель 3, фазовый детектор 4, компаратор 5, эталонный генератор 6, умножитель 7 частоты, триггер 10 и временной селектор 11. Устройство осуществл ет визуальную индикацию временной функ, дии кратковременной нестабильности час™ тоты, что обеспечивает повышение точности за счет исключени  в результирующих оценках случайньк выбросов частоты. Обеспечиваетс  также возмок- ность восстановлени  закона изменени  временной функции кратковременной нестабильности частоты. 3 ил. (Л с: САЗ СО Л эоThis invention relates to a technique for the digital measurement of short-term frequency instability of oscillators. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements and dissipation of functionality. To achieve this goal, frequency dividers 8 and 9 are additionally introduced in the device, a binary counter 12, a code 13 transducer — voltage and a recorder 14. The device also contains a generator 1 under test, a controlled generator 2, a mixer 3, a phase detector 4, a comparator 5, a reference generator 6, a frequency multiplier 7, a trigger 10 and a time selector 11. The device performs a visual indication of the time function, and the short-term instability of the clock, which improves accuracy by eliminating the resultant estimates of random frequency spikes. The possibility of restoring the law of change in the temporal function of the short-term frequency instability is also provided. 3 il. (L with: SAZ SO L eo

Description

113358912113358912

Изобретение относитс  к технике Рассмотрим процесс определени The invention relates to a technique. Consider the process of determining

гщфрового измерени  кратковременнойкратковременной нестабильности, пронестабильности частоты генераторов.текакщий следующим образом.General measurement of short-term short-term instability, frequency stability of frequency oscillators. As follows.

Цель изобретени  - повьшение том- Вначале вьщел етс  разностна The purpose of the invention is to increase the volume. Initially, differential

ности и расширение функциональныхчастота исследуемого и управл емогоand the expansion of the functional frequency of the studied and controlled

возможностей.генераторовOpportunities

На фиг.1 приведена функциональна  схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства; на фиг.З - временна  функци  кратковременной нестабильности частоты.Figure 1 shows the functional diagram of the device; Fig. 2 shows timing diagrams for the operation of the device; FIG. 3 is a temporary function of short-term frequency instability.

Устройство состоит из исследуемого генератора 1, управл емого генератора 2, смесител  3, фазового детектора .4, . компаратора 5, эталонного генератора 6, умножител  7 частоты, первого 8 и второго 9 делителей частоты , триггера 10, временного селектора 11, двоичного счетчика 12, преобразовател  13 код - напр жение и регистратора 14.The device consists of the generator under study 1, the generator under control 2, the mixer 3, the phase detector .4,. comparator 5, reference generator 6, frequency multiplier 7, first 8 and second 9 frequency dividers, trigger 10, time selector 11, binary counter 12, code-to-voltage converter 13, and recorder 14.

.Выход управл емого генератора 2 соединен с вторым входом смесител  3 первьй вход которого подключен к выходу исследуемого генератора 1, первьй вход и выход фазового детектора 4 соединены с выходом смесител  3 и входом управл емого генератора 2 соответственно, выход смесител  3 соединен с первым входом компаратора 5, второй вход которого соединен с вторым входом фазового детектора 4, выходом эталонного генератора 6 и входом умножител  7 частоты, информационный вход первого делител  8 частоты соединен с выходом компаратора 5, выход первого делител  8 частоты подключен к управл ющим входам первого 8 и второго 9 делителей частоты, информационньш вход последнего подключен к выходу умножител  7 частоты , первьй и второй входы триггера 10 соединены с выходами соответственно первого 8 и второго 9 делителей частоты, первьй и второй входы временного селектора 11 подключены к выходам соответственно триггера 10 и умножител  7 частоты, первьй и второй входы двоичного счетчика 12 соединены с выходами соответственно временного селектора 11 и второго делител  9 частоты, причем двоичньй счетчик 12, преобразователь 13 код - напр жение и регистратор 14 соединены последовательно.The output of the controlled generator 2 is connected to the second input of the mixer 3, the first input of which is connected to the output of the generator 1, the first input and output of the phase detector 4 is connected to the output of the mixer 3 and the input of the controlled generator 2, respectively, the output of the mixer 3 is connected to the first input of the comparator 5, the second input of which is connected to the second input of the phase detector 4, the output of the reference generator 6 and the input of the frequency multiplier 7, the information input of the first frequency divider 8 is connected to the output of the comparator 5, the output of the first Frequency 8 is connected to the control inputs of the first 8 and second 9 frequency dividers, the information input of the latter is connected to the output of the frequency multiplier 7, the first and second inputs of the trigger 10 are connected to the outputs of the first 8 and second 9 frequency dividers, the first and second inputs of the time selector, respectively 11 are connected to the outputs of the trigger 10 and the multiplier 7 frequency, respectively, the first and second inputs of the binary counter 12 are connected to the outputs of the time selector 11 and the second frequency divider 9, respectively, and the binary counter 12, the code converter 13 - the voltage and recorder 14 are connected in series.

fxcM fxcM

(1)(one)

хслч текущее значение исследуемой частоты на выходе смесител ; hslch current value of the investigated frequency at the mixer output;

fxo ,uf - номинальное значение исследуемой частоты наfxo, uf - nominal value of the studied frequency on

выходе смесител  и ее ,отклонение.mixer output and its deviation.

Затем осуществл етс  умножение изменени  частоты от номинального значени Then, the frequency change is multiplied from the nominal value.

хо tkif. ho tkif.

(2)(2)

где f - текущее значение исследу- 25емой частоты на выходеwhere f is the current value of the studied frequency at the output

компаратора;comparator;

-хо-ho

следуемой частоты на выходе компаратора; 30 k - коэффициент умножени .follow frequency at the output of the comparator; 30 k is the multiplication factor.

Выражение (2) запишем через номинальное значение периода исследуемой частоты на выходе компаратора Т и его отклонение и ТExpression (2) we write in terms of the nominal value of the period of the studied frequency at the output of the comparator T and its deviation and T

3535

TX ± йТ,Tx ± yt,

(3)(3)

где Т - текущее значение периодаwhere T is the current period value

исследуемой частоты на вы- 40 ходе компаратора.the frequency of the comparator under study is 40.

Изменение периода исследуемой тоты определ етс  из соотношени The change in the period of the test spot is determined from the ratio

, ,

1сд -,- т : ,1sd -, - t:

4545

т;о .t; o.

и равноand equals

5050

л т - - f IlO f;:±ktfl t - - f IlO f;: ± ktf

(4)(four)

5555

При этом из п, импульсов исследуемой частоты на выходе компаратора, период которой равен Т (фиг.2а), формируетс  последовательность импульсов усреднени , следующих с периодом , равнымIn this case, of the n, pulses of the frequency under study, at the output of the comparator, whose period is equal to T (Fig. 2a), a sequence of averaging pulses is formed, which follow with a period equal to

Т,-а, T, s,

(5)(five)

а из Hj импульсов эталонного генератора , частота которого умножена в m раз (период равен , где Т - период следовани  импульсов частоты эталонного генератора, фиг.2,с), формируетс  последовательность опорных импульсов, котора  задержана относительно импульсов усреднени  на опорный интервал t (фиг.2,d), равныйand from the Hj pulses of the reference generator, whose frequency is multiplied by m times (the period is equal to, where T is the period of the pulse of the frequency of the reference oscillator, Fig. 2, s), a sequence of reference pulses is generated, which is delayed relative to the averaging pulses by the reference interval t (Fig .2, d) equal to

г. year

п.- -P.- -

m m

(6)(6)

Измерительный интервал формируетс  как разность периода следовани  импульсов усреднени  и опорного интервала (фиг.2,е)The measuring interval is formed as the difference between the period of the pulse averaging and the reference interval (Fig.2, e)

ty - t оty - t about

(7)(7)

которьй коммутирует импульсы частоты эталонного генератора, умноженной в m раз (фиг.2,).which commutes the frequency pulses of the reference oscillator multiplied m times (figure 2).

Количество коммутируемых импульсовThe number of switched pulses

VI иVI and

N. т (8)N. t (8)

преобразуетс  в двоичный код (фиг.2,и) с последующим преобразованием в напр жение (фиг.2,и)converted to binary code (Fig. 2, i) followed by conversion to voltage (Fig. 2, i).

вы. N,,uU,you. N ,, uU,

(9)(9)

где uU - шаг квантовани .where uU is the quantization step.

Выражение (9) с учетом (3) и (5)- (8) запишем в видеExpression (9) taking into account (3) and (5) - (8) we write in the form

иand

п.тТко t п,тлТ - п jTqp.tTko t p, tlT - p jTq

выхout

uU. (10) 40uu. (10) 40

Максимальное число шагов квантовани  определим из соотношени The maximum number of quantization steps is determined from the ratio

BiSlipZ-Hils. XnajbETO . 2BiSlipZ-Hils. XnajBETO. 2

(11)(eleven)

где максимальное число шаговwhere is the maximum number of steps

квантовани  устройства. Соотношение. (10) с учетом (11) и (4) преобразуетс  к видуquantizing device. Ratio. (10) subject to (11) and (4) is converted to

п Х 1Щ5с+ tiu.L5llSl 2.1u. п с 12)p X 1Shch5s + tiu.L5llSl 2.1u. p c 12)

вь,. 2 - f ,o±kbf t n, --номинальное значение интервала усреднени  ;wh 2 - f, o ± kbf t n, is the nominal value of the averaging interval;

Гд - частота эталонногоGd - reference frequency

генератора.generator.

Разрешающа  способность устройства ufp, т.е. девиаци  частоты, вызывающа  изменение выходного напр жени  на шаг квантовани , определ етс  из услови The resolution of the device is ufp, i.e. the frequency deviation causing a change in output voltage per quantization step is determined from the condition

ли иwhether and

выиout

&f о-и& f o

SblKSblk

bf Л.bf L.

и равнаand is equal to

,,,,

) fxo) fxo

))

(13)(13)

На экране регистратора 14 индицируетс  форма кратковременной нестабильности (фиг.З), где ось и отградуирована в ступен х квантовани  N, а ось t - в интервалах усреднени  от О до п. При этом результирующа  кратковременна  нестабильность частоты оцениваетс  по формулеOn the screen of the recorder 14, the form of short-term instability is displayed (FIG. 3), where the axis is calibrated in the quantization steps N, and the axis t is in the averaging intervals from O to n. The resulting short-term frequency instability is estimated using the formula

S S

л XT l xt

111 П г111 P g

00

5five

00

где fwhere f

игig

ufuf

рR

5five

00

5five

частота исследуемого геке- ратора;frequency of the investigated hegerator;

изменение частоты, соответствующее шагу квантовани  по оси N;frequency change corresponding to the quantization step along the N axis;

i - номер интервала усреднени  ; N - число ступеней квантовани i is the number of averaging interval; N is the number of quantization steps

на интервале усреднени . Устройство работает следующим образом .on the interval of averaging. The device works as follows.

Перед началом определени  измерений устанавливаютс  коэффициенты делени  первого 8 и второго 9 делителей частоты, которые рассчитываютс  -по формулам (5) и (11) соответственно . Значение частоты управл емого генератора 2 устанавливают таким об- .разом, чтобы выходна  частота смесител  3 попадала в полосу пропускани  компаратора 5. Коэффициенты умножени  компаратора 5 и умножител  7 частоты выбирают с учетом соотношени  (13).Before the beginning of the measurement determination, the division factors of the first 8 and second 9 frequency dividers are set, which are calculated by formulas (5) and (11), respectively. The frequency of the controlled oscillator 2 is set in such a way that the output frequency of the mixer 3 falls into the passband of the comparator 5. The multipliers of the comparator 5 and the multiplier 7 frequency are selected taking into account the relation (13).

Импульсы частот с выходов исследуемого 1 и управл емого 2 генераторов поступают на смеситель 3, на выходе которого формируетс  разностна  частота , определ ема  по формуле (1). Фазовый детектор 4, у которого tф.)t,The frequency pulses from the outputs of the studied 1 and controlled 2 generators are fed to the mixer 3, at the output of which a difference frequency is formed, which is determined by the formula (1). Phase detector 4, which has tf.) T,

S1335891S1335891

t, посто нна  времени фазовогоt, phase time constant

о с т ж н кabout with a

детектора сравнивает сигнал эталонного генератора 6 с сигналом иа выходе смесител  3. Сигнал с напр жением , пропорциональным разности частот генератора 6 и смесител  .3 с выхода фаз ового детектора 4,, перестраивает частоту генератора 2 таким образом , чтобы поддерживалось равенство частот с выходов эталонного генератора 6 и смесител  3. С выхода смесител  3 импульсы исследуемой частоты поступают на первый вход компаратора 5, который увеличивает девиа1дию частоты в k раз определ емую по формуле (2) , На выходе первого делите-- л  8 частоты из импульсов исследуемо частоты, поступак цей на его информационный вход (фиг,,о25а)5 формируетс  последовательность импульсов усреднени  (фиг.25Ь)д следующих с периодом усреднени  t, определ емым по формуле (5). Импульсы усреднени , поступа  на управл ющие входы первого и второго 9 делителей частоты, осуществл ют синхронизацию их работы« Импульсы частоты эталонного генератора 6 через умножитель 7 частоты поступают на информационный вход второго делител  9 частоты (фиг„2,с) на выходе которого формируетс  последовательность опорных импульсов (фиг.2,d)5 задержанных относительно импульсов усреднени  на опорный интервал t 5 определ емый по формуле (б) Опорные импульсы, устанавливают триггер 10 в единичное состо ние, а импульсы усреднени  - в нулевое (фиГо25е). При этом длительность измерительного интервал:а на выходе триггера 10 определ етс  соотношением (7 и пропорциональна среднему изменению периода на интервале усреднени . Из- . меритвльньй интервал, поступающий на первьм вход временного селектора 11, коммутирует на первый вход двоичного .счетчика 12 импульсы с выхода умножител  7 частоты (фиг,25). Количествоthe detector compares the signal from the reference generator 6 with the signal from the output of the mixer 3. The signal with a voltage proportional to the difference between the frequencies of the generator 6 and the mixer .3 from the output of the phase detector 4, tunes the frequency of the generator 2 so that the frequencies of the reference generator are equal 6 and mixer 3. From the output of the mixer 3, the pulses of the frequency under study are fed to the first input of the comparator 5, which increases the frequency deviation by k times determined by the formula (2). impulses of the frequency under study, arriving at its information input (fig., o25a) 5, a sequence of averaging pulses (fig.25b) is formed, followed by an averaging period t determined by formula (5). The averaging pulses arriving at the control inputs of the first and second 9 frequency dividers synchronize their operation. The frequency pulses of the reference oscillator 6 through the frequency multiplier 7 arrive at the information input of the second frequency divider 9 (Fig. 2, c) the output of which is formed reference pulses (Fig.2, d) 5 delayed relative averaging pulses to the reference interval t 5 determined by the formula (b) The reference pulses set trigger 10 to one state, and averaging pulses to zero (f Go25e). The duration of the measurement interval: and at the output of the trigger 10 is determined by the ratio (7 and is proportional to the average period change in the averaging interval. Due to the measurement interval received at the first input of the time selector 11, switches to the first input of the binary counter 12 pulses from the output frequency multiplier 7 (FIG. 25). Amount

импульсов определ етс  выражениемpulses is determined by the expression

Опорные импульсы, поступающие на второй вход двоичного- счетчика 12, устанавливают последний в нулевое состо ние по выходам перед- приходомThe reference pulses arriving at the second input of the binary counter 12, set the latter to the zero state at the outputs prior to arrival

которого соединен с вторым входом двоичного счетчика и выходом второго делител  частоты, информационный вход которого соединен с выходом умножите- очередной пачки коммутируемых импуль- gg л  стоты и вторым входом временного сов (фиг,2,и). Двоичньм код измери- селектора, первый вход которого сое- тельного интервала поступает на ре- динен с выходом триггера, а выход гистратор 14 через преобразователь 13 временного селектора соединен с пер- код - напр жение (фиг о 2,k),вым входом двоичного счетчика.which is connected to the second input of the binary counter and the output of the second frequency divider, the information input of which is connected to the output of the multiply-next packet of switched pulses and the second input of the time pulse (fig. 2). The binary code of the selector, the first input of which the coupling interval enters the single with the trigger output, and the output of the histor 14 through the transducer 13 of the temporary selector is connected to the per- code - voltage (FIG. 2, k), the output input of the binary counter.

вat

Таким образом отклонение частоты от номинального значени  преобразуетс  в непрерывную функцию последовательности дискретных отсчётов напр жени , следующих с интервалом усреднени  (), т.е. устройство осуществл ет визуализацию временной функции кратковременной нестабильностиThus, the frequency deviation from the nominal value is transformed into a continuous function of a sequence of discrete samples of voltage following the averaging interval (), i.e. device performs visualization of temporal function of short-term instability

частоты, что обеспечивает повышение точности за счет исключени  в результирующих оценках случайных выбросов частоты, а также возможность восстановлени  закона изменени  временнойfrequency, which provides improved accuracy by eliminating random outliers in the resulting estimates, as well as the possibility of restoring the law of time variation

функ1щи кратковременной нестабильности частоты (фиг.З, штрихова  лини ) .function of short-term frequency instability (fig.Z, dashed line).

2020

Claims (1)

Формула изобретени ЯClaim Устройство дл  измерений кратковременной нестабильности частоты, содержащее управл емый генератор, смеситель , фазовый детектор, компаратор, 25 эталонный генератор, умножитель частоты , триггер, временной селектор и исследуемьм генератор, выход которого соединен с первым входом смесител , второй вход которого подключен к вы30 ходу управл емого Генератора, выход смесител  подключен к первым входам компаратора и фазового детектора, к . вторым входам которых подключен выход эталонного генератора, о т л и25 чающее с   тем, что, с целью повышени  точности и расширени  функ- циона,г1ьных возможностей, в него введены первый и второй делители частоты и последовательно соединенные дво40 ичный счетчик, преобразователь код - напр жение и регистратор, причем выходы фазового детектора и эталонного генератора соединены с входами соответственно управл емого генератора иA device for measuring short-term frequency instability, containing a controlled oscillator, mixer, phase detector, comparator, 25 reference oscillator, frequency multiplier, trigger, time selector, and test oscillator, the output of which is connected to the first input of the mixer, the second input is connected to the control output generator, the mixer output is connected to the first inputs of the comparator and the phase detector, k. the second inputs of which are connected to the output of the reference oscillator, which is such that, in order to increase the accuracy and expand the function, the first features, the first and second frequency dividers and the serially connected double counter, the converter code — eg and a recorder, with the outputs of the phase detector and the reference generator connected to the inputs of the controlled generator, respectively, and 45 умножител  частоты, вьгход компаратора соединен с информационным входом первого делител  частоты, выход которого соединен с управл ющими входами первого и второго делителей частоты и45 frequency multiplier, the input of the comparator is connected to the information input of the first frequency divider, the output of which is connected to the control inputs of the first and second frequency dividers and (81(81 50 первым входом триггера, второй вход50 first trigger input, second input Фи.г,2Fi.g, 2 // .. LРедактор С.ПекарьL Editor S.Pekar Составитель Е.Минкин Техред В.КадарCompiled by E.Minkin Tehred V.Kadar Заказ 4043/38 Тираж 730ПодписноеOrder 4043/38 Circulation 730 Subscription ВНИИПИ Государственного комитета СССРVNIIPI USSR State Committee по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5for inventions and discoveries 113035, Moscow, Zh-35, Raushsk nab., 4/5 Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4Production and printing company, Uzhgorod, st. Project, 4 Фаг.ЗPhage.Z Корректор Л.Пи ипенкоProofreader L.Pi Ipenko