LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Цифрові фазочастотні вимірювачі девіації частоти із підвищеними швидкодією та точністю

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 інтервал вимірювання миттєвої фази повинен не перевищувати декількох періодів опорного коливання;

  • 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