Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ СИГНАЛА, АВТОМАТИЧЕСКИ УСТРАНЯЮЩЕЕ ВОЗНИКАЮЩИЕ НЕИСПРАВНОСТИ ЗА МИНИМАЛЬНОЕ ВРЕМЯ

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть применено для контроля функционирования бортовой командно-измерительной системы, входящей в состав служебных приборов космических аппаратов, и других радиоустройств, ремонт которых в течение срока эксплуатации не возможен.

Из уровня техники известно «Устройство для детектирования ошибок» (патент на изобретение RU 2279184, опубл. 27.09.2004), использующее систематические свойства М-последовательности, позволяющее измерить число ошибок, возникающих в генераторе М-последовательности при эксплуатации, определить места возникновения ошибок и осуществить диагностику системы с точностью до блока, в котором возникла неисправность.

Из уровня техники известно «Устройство для детектирования ошибок» (патент RU 2276835, опубл. 27.09.2004), которое относится к радиоизмерительной технике, может использоваться для выделения ошибочных символов генерируемой М-последовательности, обладает высокой надежностью, быстродействием и работает в широком диапазоне частот.

Недостатком известных устройств является невозможность восстановления с их помощью штатной работы радиотехнической аппаратуры, ремонт которой при эксплуатации не возможен.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение минимального времени отключения устройства формирования частоты сигнала от источника питания при возникновении неисправности, восстановление штатной работы радиотехнической аппаратуры, ремонт которой при эксплуатации не возможен.

Технический результат достигается тем, что устройство формирования частоты сигнала, автоматически устраняющее возникающие неисправности за минимальное время, включает:

- генератор сигнала;

- измеритель нестабильности частоты и амплитуды генератора;

- блок управления, выполненный с возможностью отключения от источника питания устройства формирования частоты сигнала, и подключения одного из резервных комплектов устройств формирования частоты сигнала при возникновении неисправности;

- вторичный источник питания (ВИП);

при этом выход генератора сигнала соединен с первым входом измерителя нестабильности частоты и амплитуды генератора, выход которого соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с третьим выходом вторичного источника питания (ВИП), первый и второй выходы которого соединены с входом генератора сигналов и вторым входом измерителя нестабильности частоты и амплитуды генератора соответственно, третий вход блока управления является разъемом напряжения источника питания, а его четвертый и пятый входы служат для подачи сигналов отключения и подключения к источнику питания устройства формирования частоты сигнала при проведении приемосдаточных работ и испытаний, первый выход блока управления соединен с входом вторичного источника питания (ВИП), а второй выход служит для подачи напряжения источника питания на вход резервного комплекта устройства формирования частоты сигнала, третий вход измерителя нестабильности частоты и амплитуды генератора служит для ввода номинального значения частоты устройства формирования частоты сигнала, четвертый вход измерителя нестабильности частоты и амплитуды генератора служит для ввода предельно допустимого значения частоты устройства формирования частоты сигнала.

В предпочтительном варианте измеритель нестабильности частоты и амплитуды сигнала генератора содержит схему «И₁», формирователь сигнала управления схемой «И₁», измеритель амплитуды сигнала генератора, делитель частоты сигнала генератора, первый счетчик частоты, формирователь последовательности прямоугольных импульсов постоянной длительности, первый формирователь импульсов, второй формирователь импульсов, делитель частоты на 2, второй счетчик частоты, первый двоичный сумматор, второй двоичный сумматор, схему «И₂», при этом выход схемы «И₁» соединен с входом делителя частоты сигнала генератора, выход которого соединен с входом первого счетчика частоты, первый выход которого соединен с входом формирователя последовательности прямоугольных импульсов постоянной длительности, а второй выход соединен с входами первого и второго формирователей импульсов, выходы которых соединены с входом делителя частоты на 2, выход которого соединен с первым входом второго счетчика частоты, второй вход которого соединен выходом схемы «И₂», а выход соединен с вторым входом первого двоичного сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго двоичного сумматора, входы-выходы формирователя сигнала управления схемой «И₁», делителя частоты сигнала генератора, первого счетчика частоты, первый вход-выход схемы «И₂», соединены между собой и с выходом формирователя последовательности прямоугольных импульсов постоянной длительности, вход-выход измерителя амплитуды сигнала генератора, второй вход-выход схемы «И₂», первый вход схемы «И₁» соединены между собой и являются первым и вторым входами измерителя нестабильности частоты и амплитуды сигнала генератора, соединенными с выходом генератора сигнала и вторым выходом ВИЛ соответственно, второй вход схемы «И₁» соединен с выходом формирователя сигнала управления схемой «И₁», первые входы первого и второго двоичных сумматоров являются соответственно третьим и четвертым входами измерителя нестабильности частоты и амплитуды сигнала генератора, выходы второго двоичного сумматора и измерителя амплитуды сигнала генератора соединены между собой и являются выходом измерителя нестабильности частоты и амплитуды сигнала генератора.

Измеритель амплитуды сигнала генератора состоит из первого и второго преобразователей «частота-напряжение», входы которых являются входом измерителя амплитуды сигнала генератора с выхода второй схемы «И₂», а выходы соединены с входами первого и второго усилителей соответственно, входы-выходы которых соединены между собой, а выходы соединены с входами первого и второго амплитудных детекторов соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входом схемы анализа напряжений соответственно, а выход схемы анализа напряжений является выходом измерителя амплитуды сигнала генератора, соединенным с первым входом блока управления.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:

На фиг.1 - функциональная схема устройства формирования частоты сигнала, автоматически устраняющего возникающие неисправности за минимальное время, где:

1 - генератор сигнала;

2 - измеритель нестабильности частоты и амплитуды генератора;

3 - блок управления, отключающий от источника питания генератор сигнала и подключающий один из резервных комплектов при возникновении неисправности;

4 - вторичный источник питания.

На фиг.2 - функциональная схема измерителя нестабильности частоты и амплитуды сигнала генератора, где:

5 - схема «И₁»;

6 - формирователь сигнала управления схемой «И₁»;

7 - измеритель амплитуды сигнала генератора;

8 - делитель частоты сигнала генератора;

9 - первый счетчик частоты;

10 - формирователь последовательности прямоугольных импульсов постоянной длительности;

11 - первый формирователь импульсов;

12 - второй формирователь импульсов;

13 - делитель частоты на 2;

14 - второй счетчик частоты;

15 - первый двоичный сумматор;

16 - второй двоичный сумматор;

17 - схема «И₂».

На фиг.3 - формирование частоты измерения.

На фиг.4 - схема, обеспечивающая включение и выключение схемы «И₁».

На фиг.5 - эпюры напряжений на элементах измерителя амплитуды и нестабильности частоты.

На фиг.6 - амплитудно-частотная характеристика контуров U_к1 и U_к2.

На фиг.7 - Схема измерителя амплитуды сигнала генератора, где:

18 - первый преобразователь «частота-напряжение»;

19 - второй преобразователь «частота-напряжение»;

20 - первый усилитель;

21 - второй усилитель;

22 - первый амплитудный детектор;

23 - второй амплитудный детектор;

24 - схема анализа напряжений.

На фиг.8 - функциональная схема блока управления, где:

25 - генератор импульсов;

26 - усилитель импульсов.

На фиг.9 - схема включения троированного комплекта устройств формирования частоты сигнала, автоматически устраняющих возникающие неисправности за минимальное время.

Принцип построения устройства формирования частоты сигнала, автоматически устраняющего возникающие неисправности за минимальное время, показан на функциональной схеме измерителя нестабильности частоты и амплитуды сигнала генератора на фиг.2, где приняты следующие обозначения:

U_г - амплитуда сигнала генератора;

И₁, И₂ - первая и вторая схемы «И», реализующие функции ключей;

N₁ - делитель частоты на N₁ сигнала генератора;

СЧ₁, СЧ₂ - первый и второй счетчики частоты числа M1 полных заполнений делителя частоты N₁ и числа периодов сигнала U_г соответственно;

U_τ - формирователь последовательности прямоугольных импульсов постоянной длительности τ;

U(M2), U(M3) - формирователи импульсов, соответствующих числам М2 и МЗ полных заполнений делителя частоты N₁;

:2 - делитель частоты на 2, формирующий сигнал начальной установки (НУ) для второго счетчика частоты СЧ₂;

С₁, С₂ - первый и второй двоичные сумматоры, выполняющие сложение или вычитание двоичных чисел с учетом знаков слагаемых;

T_г - период частоты сигнала генератора U_г;

U_упр - формирователь сигнала управления первой схемой «И» И_1.

Первый и второй счетчики частоты СЧ₁ СЧ₂ выполнены на делителях N₂ и N₃.

Частота f сигнала равна числу N периодов (импульсов), укладывающихся на временном интервале длительностью в 1 секунду, поэтому справедливо тождество:

Частота f_г генератора сигнала представима в виде:

M1 - число полных заполнений делителя частоты; N₁ - целое число, получающееся при делении f_г на N₁;

N₁ -коэффициент деления делителя частоты N₁;

n₀ - целое число - остаток от деления f_г на N₁ (если n₀ не целое число, то оно заменяется на ближайшее меньшее целое число);

Δf - отклонение частоты f_г генератора от номинального значения при эксплуатации, Δf∈[Δf_min,Δ_max].

Для определения величины Δf сформируем частоту измерения f_и, которая равна разности частот f_г и числа (M1-k)·N₁ периодов генератора:

Выбор величины k произведен ниже.

Операция вычитания по формуле (3) требует решения следующих задач (см. фиг.2):

- вычисление числа M1 по известным значениям f_г и N₁;

- формирование прямоугольного импульса постоянной длительности т при достижении первым счетчиком частоты СЧ₁ числа M1 - k;

- отключение первого счетчика частоты СЧ₁ от генератора;

- подключение второго счетчика частоты СЧ₂ к генератору;

- формирование сигнала начальной установки делителя частоты N₁, первого и второго счетчиков частоты СЧ₁ и СЧ₂;

- определение частоты измерения f_и, равной числу периодов частоты f_г, укладывающихся на временном интервале τ;

- подключение схемы «И₁» к генератору сигнала.

Счет числа импульсов прекращается с окончанием действия прямоугольного импульса.

Рассмотрим фиг.3, поясняющую формирование частоты измерения, на которой приняты следующие обозначения:

- максимальные значения частоты генератора сигнала и частоты измерения:

;

- номинальные значения частоты генератора сигнала и частоты измерения:

;

.

- минимальные значения частоты генератора сигнала и частоты измерения:

Из фиг.3 следует, что нулевым значениям частот измерения соответствует ордината, равная (M1-k)·N₁.

При нормальном функционировании генератора сигнала частота измерения удовлетворяет неравенству:

Таким образом, частота измерения равна сумме периодов генератора (k·N₁+n₀) и отклонения частоты генератора от номинального значения.

Формирователь последовательности прямоугольных импульсов, схема «И₂» и второй счетчик частоты СЧ₂ выполняют функцию дискриминатора (различителя) значений измеряемой частоты, т.к. количество N_и импульсов на его выходе прямо пропорционально частоте f_и:

N_и=τf_и

При этом измеренное число импульсов N_и представляется целым n-разрядным двоичным числом. Очевидно, длительность τ прямоугольного импульса должна выбираться равной следующей величине:

Первый и второй формирователи импульсов U_M2, U_M3, диоды Д₁ Д₂ и делитель частоты на 2 предназначены для создания сигнала начальной установки второго счетчика частоты СЧ₂. При нормальном функционировании генератора сигналов измеренное значение частоты f_и принадлежит интервалу: f_и∈[Δf_иmin,Δf_иmax].

Измеренное отклонение частоты генератора Δf от номинального значения f_гн при эксплуатации аппаратуры определяется по формуле:

f_ин - теоретически рассчитанное значение частоты измерения, соответствующее номинальному значению частоты генератора, которое принимается равным среднеарифметическому значению частот f_иmin и f_иmax:

.

В генераторе сигнала могут возникнуть следующие неисправности:

- измеренное отклонение частоты Δf от номинального значения не принадлежит интервалу [Δf_min,Δf_max]; т.е. |Δf_и]>|Δ_доп|

- измеренное значение амплитуды U_г сигнала генератора не принадлежит интервалу [U_min,U_max].

В этих случаях принимается решение об отключении генератора от источника питания и включении резервного комплекта.

Для исключения ошибок при формировании частоты измерения необходимо использовать ВЧ и СВЧ элементы, обеспечивающие высокие крутизны нарастания и спада переднего и заднего фронтов прямоугольного импульса с постоянной длительностью.

На фиг.4 приведена схема, обеспечивающая включение и выключение схемы «Mi».

Нормальное состояние схемы «И₁» - «открытое», на время действия прямоугольного импульса длительностью τ схема «И₁» должна быть «закрыта». По этой причине в схеме используются два напряжения: положительное U₁ и отрицательное U₂. Транзистор Тр находится в режиме насыщения, напряжение на его коллекторе незначительно отличается от нуля, управляющее напряжение U_упр>0 и схема «И₁» «открыта». Под действием прямоугольного импульса U_τ транзистор «закрывается», напряжение на его коллекторе возрастает, управляющее напряжение становится отрицательным и схема «И₁» «закрывается» на время τ действия прямоугольного импульса.

На фиг.5 приведены эпюры напряжений на элементах измерителя амплитуды и нестабильности частоты, где приняты следующие обозначения:

u_τ - прямоугольный импульс постоянной длительности τ.

t₀(M2),t₁(M3) - интервалы времени, соответствующие числам М2, М3 полных заполнений делителя частоты N₁.

t₂(M1) - интервал времени, соответствующий времени подсчета числа M1 полных заполнений делителя частоты N₁.

Т - период работы генератора сигнала.

При аналоговой обработке сигналов для обеспечения высокой точности частот отключения следует использовать высокодобротные LC-фильтры, для высокостабильных генераторов - кварцевые фильтры. Для исключения влияния переходных процессов в контурах значение коэффициента k>1 должно обеспечивать выполнение неравенства:

τ≥t_{пер.проц.}

Преимуществом этого метода является то, что при подобной реализации второй счетчик СЧ₂ и схема его обнуления не требуются. Сигнал с выхода схемы «И₂» поступает на преобразователи «частота-напряжение», в качестве которых могут использоваться одиночные колебательные контуры.

На фиг.6 точкам ; 2; правого ската амплитудно-частотной характеристики контура U_к1 соответствуют пары чисел (f_гmax,U_гmin), (f_гн,U_гн), (f_гmin,U_гmax). Точкам 1; 2; 3 левого ската амплитудно-частотной характеристики контура U_к2 соответствуют пары чисел (f_гmin,U_гmin), (f_гн,U_2н), (f_гmax,U_гmax). Напряжения с контуров поступают на первый или второй усилители У_С1 или У_С2, «запирающее» напряжение смещения которых равно U_1max=U_2max, затем на амплитудные детекторы, схему анализа напряжений и в блок управления для формирования сигнала парирования возникшего отказа (см. фиг.7).

Напряжение смещения выбирается равным U_гmax, если канал I оценивает максимально-допустимую амплитуду Ur сигнала генератора, и выбирается равным U_гmin, если канал II оценивает минимально-допустимую амплитуду U_г.

При эксплуатации аппаратуры возможны следующие ситуации:

1. U_г∈[U_гmin,U_гmax], если напряжение отсутствует на выходе I канала и присутствует на выходе II канала (0,1);

2. U_г>U_гmax, если напряжения присутствуют на выходах I и II каналов (1,1);

3. U_г<U_гmin, если напряжения отсутствуют на выходах I и II каналов (0,0).

4. Напряжение присутствует на выходе I и отсутствует на выходе II канала (1.0) - при неисправности в канале II. Эта ситуация является также запрещенной.

Разрешенной является 1 ситуация, запрещенными 2, 3, 4.

Убедившись с помощью схемы анализа напряжений, что на выходе канала I напряжение U_г отсутствует, а на выходе канала II присутствует, формируется напряжение смещения, поступающее в блок управления и «запирающее» усилитель импульсов. В противном случае - формируется напряжение, обеспечивающее включение усилителя импульсов.

На фиг.8 приведена функциональная схема блока управления.

Сигналы, действующие на входах и выходах блока управления:

Вх. 1 - напряжение смещения;

Вых.1 - напряжение источника питания (ИП), поступающее на ВИП генератора сигнала;

Вх.2 - напряжение ВИП;

Вых.2 - напряжение ИП, поступающее на вход резервного комплекта генератора сигнала;

S_откл - сигнал автоматического отключения генератора при возникновении неисправности;

Вх.4, Вх.5 - сигналы отключения и подключения к источнику питания генератора при проведении приемо-сдаточных и других испытаний соответственно.

При возникновении неисправности в генераторе, при которой f_г>f_гmax или f_г<f_гmin, или U_г>U_гmax, U_г<U_гmin? на выходе схемы анализа напряжений возникает напряжение смещения, поступающее в блок управления на базы транзисторов усилителя импульсов, усилитель импульсов начинает работать, и генератор сигнала автоматически отключается от источника питания контактами реле Р, на управляющую обмотку которого поступают сигналы от усилителя импульсов, с помощью других контактов этого реле резервный комплект генератора сигнала подключается к источнику сигнала. На фиг.9 приведена схема включения троированного комплекта устройств формирования частоты сигналов, автоматически устраняющих возникающие неисправности за минимальное время.

До подачи напряжения ИП на комплект №1 устройства формирования частоты сигналов, автоматически устраняющего возникающие неисправности за минимальное время контакты, 2-3 реле Р находятся в замкнутом состоянии. Подключенный к источнику питания комплект №1 начинает работать. При возникновении неисправности автоматически к ИП подключается первый резервный комплект (комплект №2) и отключается комплект №1. При отказе комплекта №2 работу радиоустройства обеспечивает второй резервный комплект (комплект №3).

Входящий в состав радиотехнического устройства блок приема и обработки информации (ПРМ) должен работать с любым из комплектов устройств формирования частоты сигналов, автоматически устраняющих возникающие неисправности за минимальное время. Для осуществления этого в состав радиотехнического устройства введен высокочастотный трансформатор, число входных и выходных обмоток которого равно числу комплектов устройств формирования частоты сигналов, автоматически устраняющих возникающие неисправности за минимальное время. В любой момент времени на вход блока ПРМ, осуществляющего обработку принимаемых сигналов, поступает сигнал от одного из комплектов устройств формирования частоты сигналов, автоматически устраняющих возникающие неисправности за минимальное время.

Таким образом, достигается заявленный технический результат в виде обеспечения минимального времени устранения нерабочего состояния радиоустройств, в состав которых входит устройство формирования частоты сигналов, автоматически устраняющее возникающие неисправности за минимальное время.

Цифровой метод, используемый для определения отклонения частоты генератора от номинального значения, обеспечивает высокую точность измерений в широком диапазоне частот.

Современные методы проектирования и изготовления аппаратуры позволяют создать микросхему, соответствующую схемам, приведенным выше, которая может быть применена для контроля функционирования бортовой командно-измерительной системы, входящей в состав служебных приборов космических аппаратов, и других радиоустройств, ремонт которых в течение срока эксплуатации не возможен.