ISSN 2225-7551

УДК 621.317.3

 

А.И. Вервейко, канд. техн. наук

Черниговский национальный технологический университет, г. Чернигов, Украина

ВИРТУАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ФУНКЦИИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ

О.І. Вервейко, канд. техн. наук

Чернігівський національний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

ВІРТУАЛЬНИЙ ВИМІРЮВАЧ ФУНКЦІЇ КОРОТКОЧАСНОЇ НЕСТАБІЛЬНОСТІ ЧАСТОТИ

Aleksandr Verveyko, PhD in Technical Sciences

Chernigov National Technological University, Chernigov, Ukraine

VIRTUAL METER OF THE FUNCTION OF SHORT-TERM INSTABILITY FREQUENCY

Получил дальнейшее развитие метод измерения функции кратковременной нестабильности частоты на базе преобразования период-временной интервал-код. Разработаны четыре варианта его реализации, получены аналитические соотношения для основных метрологических характеристик вариантов и проведен их сравнительный анализ. Реализованы автономный и виртуальный измерители, а также проведены экспериментальные исследования стандартных генераторов. Указаны особенности измерителей и пути их дальнейшего совершенствования.

Ключевые слова: кратковременная нестабильность частоты, преобразователь период-временной интервал-код, автономный измеритель, виртуальный измеритель, САПР LabVIEW.

Отримав подальший розвиток метод вимірювання функції короткочасної нестабільності частоти на базі перетворення період-часовий інтервал-код. Розроблено чотири варіанти його реалізації, отримано аналітичні співвідношення для основних метрологічних характеристик варіантів і проведено їх порівняльний аналіз. Реалізовано автономний і віртуальний вимірювачі, а також проведено експериментальні дослідження стандартних генераторів. Вказано особливості вимірювачів і шляхи їх подальшого вдосконалення.

Ключові слова: Короткочасна нестабільність частоти, перетворювач період-часовий інтервал-код, автономний вимірювач, віртуальний вимірювач, САПР LabVIEW.

The method for measuring of function short-term instability frequency got further development on the base of transformation period-temporal interval-code. Four variants of his realization are worked out, analytical correlations are got for basic metrology descriptions of variants and their comparative analysis is conducted. The autonomous and virtual measuring devices are realized and also experimental studies of standard generators are undertaken. The features of measuring devices and way of their further perfection are indicated.

Key words: short-term instability, transformer period-temporal interval-code, autonomous measuring device, virtual measuring device, CADD of LABVIEW.

Постановка проблемы. Современные электронные системы имеют в своем составе большое число различных по назначению и функциональному построению источников сигналов с частотным выходом (ИЧВ), в качестве которых чаще всего используют генераторы сигналов, кварцевые генераторы или синтезаторы частоты [1-3]. Совершенствование электронных систем и расширение задач, выполняемых с их помощью, отразилось на ужесточении требований к характеристикам таких систем, в частности, к динамическим характеристикам (кратковременной нестабильности частоты, времени готовности, времени и скорости перехода с одной частоты на другую и т. п.). Причем достижение требуемых характеристик во многом возможно в результате совершенствования ИЧВ, что, в свою очередь, требует создания качественно новой измерительной аппаратуры измерения полных и частных динамических характеристик.

Анализ последних достижений и публикаций. Методы измерений кратковременной нестабильности частоты и измерители на их основе постоянно совершенствуются.

Для определения кратковременной нестабильности частоты часто используют метод сравнения с образцовой частотой. Наиболее простым является электронно-счётный метод [4]. Однако он имеет ряд существенных недостатков: значительную трудоемкость проведения испытаний, невозможность визуализации функции кратковременной нестабильности частоты в реальном масштабе времени, сложность конструктивной реализации.

Более совершенным является комбинированный метод с применением гетеродина и электронно-счетного частотомера, работающего в режиме измерения периода [4; 5]. В качестве опорного генератора используется образцовый источник. Период разностной частоты определяет время усреднения. К недостаткам следует отнести высокую трудоемкость установления времени усреднения, невозможность визуализации функции кратковременной нестабильности частоты.

Кратковременную нестабильность частоты можно также измерить с помощью фазового или частотного детектора [5]. При измерениях вольтметром эффективного значения напряжения сигнала на выходе фазового детектора оценивается среднеквадратическое значение флуктуации фазы. Если на выходе фазового детектора включена дифференцирующая цепь, то выходное напряжение будет прямо пропорционально флуктуациям частоты. Для оценки кратковременной нестабильности частоты необходимо перед вольтметром включить низкочастотный фильтр с прямоугольной характеристикой пропускания. Однако точность измерения в этом случае невелика.

Выделение не решенных ранее частей общей проблемы. Известные методы и измерители обладают недостаточной точностью измерения функции кратковременной нестабильности частоты (ФКНЧ) при заданном быстродействии, характеризуются сложностью конструктивной реализации.

Цель статьи. Цель работы состоит в разработке метода измерений ФКНЧ и экспериментальных исследованиях измерителей на его основе.

Изложение основного материала. При разработке метода измерения ФКНЧ за основу взят преобразователь период-временной интервал-код (ПВК), предложенный в [6; 7]. Этот метод предполагает выполнение следующих операций.

Пусть частота исследуемого сигнала изменяется по закону:

(1)

где и – соответственно начальное значение частоты и ее изменение.

Соотношение (1) можно записать через период колебаний

(2)

Функция (2) с учетом очевидных преобразований принимает вид

(3)

где – начальное значение периода колебаний;

(4)

изменение периода колебаний.

Из импульсов исследуемой частоты (рис. 1, а) формируются последовательно следующие интервалы усреднения (рис. 1, б), а из импульсов опорной частоты (рис. 1, с) опорные интервалы (рис. 1, д). При этом всегда совмещаются во времени окончание предыдущего интервала опроса который представляет собой больший из сформированных интервалов, и начала последующих интервалов усреднения и опроса, а длительности последних устанавливают равными

; (5)

где j – индекс, относящийся к j-му интервалу опроса; – количество периодов исследуемой частоты в интервале усреднения; – среднее значение периода исследуемых колебаний на j-м интервале опроса; – количество импульсов опорной частоты в опорном интервале.

Рис. 1. Временные диаграммы работы метода на базе преобразования ПВК

Формируют измерительные интервалы как модуль разности соответствующих интервалов усреднения и опорных интервалов (рис. 1, е)

(6)

которые коммутируют импульсы исследуемой или опорной (рис. 1, ж) частоты. Количество коммутируемых импульсов описывается соотношением

(7)

где под N здесь и далее будем понимать целую часть числа; – период следования импульсов опорной частоты или среднее значение периода следования импульсов исследуемой частоты на j-м измерительном интервале.

Количество импульсов преобразуется в напряжение (рис. 1, и) по закону

(8)

Таким образом, на соприкасающихся временных интервалах отклонения периода (частоты) исследуемых колебаний от начального значения преобразуется в последовательность отсчетов кода (напряжения) (рис. 1).

В зависимости от соотношения между и , а также от коммутируемой измерительным интервалом частоты, возможны четыре варианта реализации рассматриваемого метода (табл. 1).

Однако во всех вариантах реализации рассматриваемого метода функция (8) с учетом (1)-(7) принимает вид

, (9)

где – среднее значение приращение периода колебаний на j-м интервале опроса.

Для сравнительной метрологической оценки вариантов метода выведем аналитические соотношения, описывающие их основные метрологические характеристики.

Таблица 1

Варианты использования метода на базе преобразования ПВК

Наименование
варианта

Отличительные признаки варианта

 

соотношение между и

формирование

коммутируемая частота

1-й вариант

2-й вариант

3-й вариант

4-й вариант

При 1-м варианте метода измерения ФКНЧ коэффициент выбирают из условия

(10)

полученного из функции (9) при =0. Величиной здесь обозначено максимальное изменение количества коммутируемых импульсов, описываемое с учетом (1) – (5) соотношением , где – начальное значение интервала опроса; – максимально допустимое изменение частоты исследуемых колебаний.

Функция (10) с учетом (5), (8) и (9) принимает вид

. (11)

где , – функция преобразования девиации периода и частоты в код соответственно.

Из анализа выражений (10) и 11) следует, что выходное напряжение на каждом интервале опроса имеет положительную линейную зависимость от среднего приращения периода, но отрицательную нелинейную – от среднего приращения частоты. Соотношение (11) можно записать в виде линейной функции , с погрешностью, не превышающей.

Исследуем переходные характеристики (ПХ) вариантов метода, представляющие собой его реакцию на ступенчатое изменение измеряемого параметра. Описание ПХ по периоду найдем из условия Оно имеет вид , где– приращение исследуемого периода. Аналогичным образом для ПХ по частоте получим , где – приращение исследуемой частоты.

Разрешающие способности метода по периоду и частоте , найденные из условий и соответственно, описываются как

(12)

Из анализа (12) следует, что разрешающая способность по частоте и периоду определяется не только параметрами исследуемого сигнала и интервала опроса, но и начальным значением опорной частоты.

Для всех вариантов измерителя получены соотношения вида (10)…(12). Аналитические описания переходной характеристики по периоду , частоте и разрешающей способности по периоду , частоте сведены в табл. 2.

Таблица 2

Метрологические характеристики вариантов метода

Вариант метода

Метрологические характеристики

I

II

III

IV

Проведем сравнительный анализ рассмотренных вариантов метода по величине разрешающей способности. С этой целью на рис. 2 приведены результаты расчета при

а б

Рис. 2. Зависимость разрешающей способности измерителей:
а – от начального значения исследуемой частоты при fo = 100 МГц; б от начального значения
исследуемой частоты и частоты опорного сигнала при τу = 1 с

Из анализа соотношений, приведенных в табл. 2, и рис. 2 следует:

- при преимущества имеют 3-й и 4-й варианты измерителя;

- 1-й вариант характеризуется в раз более высокой разрешающей способностью по сравнению со вторым вариантом.

На основе предложенного метода разработан автономный измеритель ФКНЧ, схема которого приведена на рис. 3. На выходах узлов буквами условно обозначены формы сигналов, которые показаны на рис. 2.

Рис. 3. Структура автономного измерителя функции КНЧ

Основными узлами являются делители частоты, формирующие интервалы усреднения (рис. 1, а) и опорные интервалы (рис. 1, с), из которых RS-триггером образуются измерительные интервалы (рис. 1, е). Длительность последних измеряется счетчиком с помощью исследуемой или опорной частот (рис. 1, ж). Выходной код счетчика преобразуется в напряжение стандартным цифро-аналоговым преобразователем (рис. 1, и).

Внешний сигнал “Вариант” управляет тремя двухвходовыми мультиплексорами, выходными сигналами которых задается вариант реализации метода.

Измеритель ФКНЧ создан на пульте PLD Emulator, который используется в учебном процессе Черниговского национального технологического университета [8]. Цифровые компоненты реализованы на программируемых логических интегральных схемах фирмы Altera и цифро-аналоговом преобразователе фирмы Analog Devices.

Анализ структуры измерителя и его экспериментальные исследования выявили следующие особенности:

- измеритель характеризуется незначительной сложностью конструктивной реализации из-за простоты исключения из результатов измерения информации о начальном значении периода исследуемой частоты и низкой разрядностью ЦАП, которая зависит только от значения девиации частоты;

- отклонения частоты преобразуется в отклонения напряжения, что позволяет применять для визуализации, например, любые стандартные осциллографы;

- анализ функции КНЧ дает возможность дополнительно исследовать влияние различных дестабилизирующих факторов на изменение частоты ИЧВ и прогнозировать, в частности, их надежность;

- при исследовании ИЧВ со значительной долговременной нестабильностью частоты или подверженных влиянию дестабилизирующих факторов необходимо изменять и устанавливать коэффициент при испытаниях, что увеличивает время их проведения.

Для снижения времени проведения испытаний следует автоматизировать процесс исключения из результатов измерения информации о начальном значении исследуемой частоты. Это может быть реализовано, в частности, применением виртуальных измерителей.

Виртуальный измеритель (ВИ) – совокупность компьютера, относительно несложного аппаратного оборудования (первичных и вторичных преобразователей, драйверов интерфейсов и т. д.) и компьютерных программ, которые выполняют функции различных измерительных приборов [9; 10].

Основу виртуального измерителя ФКНЧ составляет преобразователь ПВК, структура которого на рис. 2 выделена штрих пунктирной линией.

Разработка компьютерных программ при создании ВИ осуществляется по двум возможным направлениям:

- разработка программ на основе текстового программирования;

- использование инструментальных проблемно ориентированных средств (графического программирования).

Использование текстового программирования для каждого конкретного проекта хотя и может быть наиболее оптимальным с точки зрения решения определенной задачи, но необходимость каждый раз решать задачу практически с нуля, рост временных и материальных затрат существенно снижает его достоинства. В данной связи все большее предпочтение отдается специализированному программному обеспечению, в частности, графическому программированию.

В настоящее время применяют десятки систем автоматизированного проектирования (САПР), применяющих для создания ВИ графическое программирование, например, LabVIEW фирмы National Instruments (США), DASYLab фирмы DATALOG GmbH (Германия), DIAdem фирмы GfS mbH (Германия), ZETLAB ЗАО "Электронные технологии и метрологические системы" (Россия), Hypersignal фирмы Hyperception (США) т.д.

Фирма National Instruments является разработчиком технологии виртуальных приборов – революционной концепции, изменившей подходы и методику разработки систем сбора данных и управления измерениями, а ее САПР LabVIEW де-факто стала международным стандартом. Эта САПР и применялась при разработке виртуального измерителя ФКНЧ.

Фирма National Instruments более десяти лет назад предложила и запатентовала новый графический язык программирования G. Оперируя знакомыми понятиями (функцио­нальный блок, соединение, диаграмма), инженер быстро и, что очень важно, наглядно решает поставленную задачу, не углубляясь в дебри программирования. Применение языка программирования G по самым осторожным оценкам позволяет сократить сроки выполнения работ как минимум в 4-10 раз.

Компьютерная программа, создаваемая в Labview (прикладное программное обеспечение), состоит из двух взаимосвязанных частей: лицевой панели и блок – диаграммы (рис. 4).

а б

Рис. 4. Прикладное программное обеспечение: а – лицевая панель; б – блок-диаграмма

На лицевой панели размещаются ручки управления, кнопки, графические индикаторы и другие элементы управления (controls), которые являются средствами ввода д