Цифровой измеритель разности фаз

 

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ, содержащий генератор гармо-. нического напуя«ения, выход которого соединен с входом фазосдвигающей цепи /2, последовательно соединенные первые перемножитель и цифровой интегратор, последовательно соединенные вторые пе1ремножитель и цифровой интегратор, блок деления,- первый вход которого соединен с выходом первого цифрового интегратора второй вход - с выходом-второго цифрового интегратора, a выход - с входом тригонометрического блока arctg, отлич ающи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений при наличии помех и расширения функциональных возможностей измерителя , в него введены последовательно соединенные первые блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования, первый дополнительный перемножитель, последовательно соединенные вторые блок преобразования частоты, блок аналогоцифрового преобразования и второй дополнительный перемножитель, после ,довательно соединенные третьи блок преобразования частоты и блок аналого-цифрового преобразования, a также блок суммирования, блок вычитания и блок определения отношений , причем сигнальный вход первого блока преобразования частоты, соединен с сигнальным входом второго блока преобразования частоты и шиной входного сигнала, гетеродинные входы первого и третьего блоков преобразования частоты соединены с выходом генератора гармонического напряжения, сигнальный вход третьего блока преобразования частоты соеi . динен с шиной опорного сигнала, a гетеродинный вход второго блока (О преобразования частоты соединен с выхоДЬм фазосдвигающей цепи /2, вторые входы первого и второго дополнительных перемножителей соединены с выходами, соответственно первого и второго цифровых интеграторов , a выходы - с входами блока суммирования , выход которого соединен с первым входом блока вычитания, со со со второй вход которого соединен с выходом третьего .блока аналого-цифрового преобразования, a выход - с входами первого и второго перемножителей ,.вторые входы которых 00 ГС соединены с выходами соответственно, первого и второго блоков аналого-цифрового преобразования, a первый и второй входы блока определения отношений соединены соответственно с первым и вторым входами блока деления .

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТ0РСН0МУ СВИДЕТЕПЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБ ЕТЕНИЙ И ОтНРЫТИЙ (21) 3421944/18-21 (22) 12.04.82 (46) 07.08.83. Ьюл. Р 29

72 Н.С.Радько, И.Н.Амиантов, О.С.Агафонов, Н.В.Савельев и В.B.IOpцев (53) 621 ° 317.373 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 690408, кл. G 01 R 25/08, 1977.

2. Пестряков В.В. Фазовые радиотехнические системы. М., "Советское .-радио", 1968, с. 380; (54) (57) ЦИФРОВОИ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ, содержащий генератор гармо-. нического напряжения, выход которого соединен с входом фазосдвигающей цепи (/2, последовательно соединенные первые перемножитель и цифровой интегратор, последовательно соединенные вторые перемножитель и цифровой интегратор, блок деления,-первый вход которого соединен с выходом первого цифрового интегратора второй вход — с выходом. второго цифрового интегратора, а выход — с входом тригонометрического блока arctg, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при наличии помех и расширения функциональных вазможностей измерителя, в него введены последовательно соединенные первые блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования, первый дополнительный перемножитель, последовательно соединенные вторые блок преобразования частоты, блок аналогоцифрового преобразования и второй

„„SUÄÄ 1033982 А

З(5В G 01 R 25/00; G 01 R 25/08 дополнительный перемножитель, последовательно соединенные третьи блок преобразования частоты и блок аналого-цифрового преобразования, а также блок суммирования, блок вычитания и блок определения отношений, причем сигнальный вход первого блока преобразования частоты, соединен с сигнальным входом второго блока преобразования частоты и шиной входного сигнала, гетеродинные входы первого и третьего блоков преобразования частоты соединены с выходом генератора гармонического напряжения, сигнальный вход третьего блока преобразования частоты соединен с шиной опорного сигнала, а в гетеродинный вход второго блока преобразования частоты соединен с выходом фаэосдвигающей цепи /2, вторые входы первого и второго до- С полнительных перемножителей соединены с выходами, соответственно пер- . вого и второго цифровых интеграторов, а выходы — с входами блока сум- р аий. мирования, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с вы- Qgl ходом третьего блока аналого-цифрово- е

ro преобразования, а выход — с первыми входами первого и второго пере- (ф множителей,,вторые входы которых соединены с выходами соответственно, первого и второго блоков аналого-циф- Я рового преобразования, а первый и второй входы блока определения отношений соединены соответственно с первым и вторым входами блока деления.

1033982

Изобретение относится к технике электрорадиоиэмерений и может быть использовано в фазометрической аппаратуре с повышенными метрологическими характеристиками.

Известно цифровое устройство для . оптимального измерения фазы сигнала, содержащее полосовой фильтр, генератор дискретных аргументов, соединенный с тригонометрическими блоками s in 4 . и соь р которые, в свою очередь, подсоединены к множительному блоку, один непосредственно, а второй через линию задержки, триго- нометрический блок а И,цифровой вольтметр двойного интегрирования, вход которого соединен с выходом множительного устройства, а выходс тригонометрическим блоком arctic причем. сигнальный вход множительного устройства подключен к выходу полосового фильтра (1 ). (Недостатком указанного устройства является ухудшение его точностных характеристик при наличии помех в канале сигнала.

Известно также устройство для .оптимального измерения фазы, представдяющее корреляционный измеритель с ортогональной обработкой сигналов, в котором реализуется алгоритм оптимального измерения фазы для синусоидальных сигналов с известной амплитудой в условиях наличия помех в виде белого шума.

Устройство содержит два перемножителя, на входы которых подают измеряемый и опорный сигналы, причем измеряемый сигнал поступает на перемножители синфазно, а опорный— на один иэ перемножителей непосредственно, а на.другой перемножительчерез фаэосдвигающую цепь л/2, à интегратора, блок деления и тригонометрический блок а rctg (2 ), Указанное устройство характеризуется недостаточной точностью в случае сигналов. с неизвестной амплитудой, что обусловлено влиянием на результат измерения разности фаэ изменений амплитуды входного сигнала.

Цель изобретения - повышение точности измерений, при наличии помех и расширение функциональных возможностей измерителя.

Указанная цель достигается тем, что в цифровой измеритель разности фаэ, содержащий генератор гармонического напряженйя, выход которого соединен с входом фазосдвигающей цепи .7Г/2, последовательно соединенные первые перемножитель и цифровой интегратор, последовательно соединенные вторые перемножитель и цифровой интегратор, блок деления, первый вход которого соединен с выходом первого цифрового интегратора, второй вход — с выходом второго циф рового интегратора, а выход — с вхо дом тригонометрического блока arctg,, введены последовательно соединенйые первые блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразоВателя, первый дополнительный церемножитель, последовательно соединенные вторые блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования и второй дополнительный перемно5

10 житель, последовательно соединенные третьи .блок преобразования частоты и блок аналого-цифрового преобразования, а также блок суммирования, блок

15 вычитания и блок определения отношений, причем сигнальный вход первого блока преобразования частоты соединен с сигнальным входом второго блока преобразования частоты и шиной входного сигнала, гетеродинные,входы первого и третьего блоков преобразования частоты соединены с выходом генератора гармонического напряжения, сигнальный вход третьего блока преобразования частоты соеди25 нен с шиной опорного сигнала, а гетеродинный вход второго блока преобразования частоты соединен с выходом фазосдвигающей цепи /7/2, вторые входы первого и второго дополнИ30 тельных перемножителей соединены с выходами, соответственно первого и второго цифровых интеграторов, а выходы — с входами блока суммирования, выход которого соединен с пер35. вым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока аналого-цифрового преобразования, а выход — с первыми входами первого. и второго перемножителей, вторые входы которых соеди40 иены с выходами соответственно первого и второго блоков аналого-цифрового преобразования, а первый и второй. входы блока определения отношений соединены соответственно с первым и вторым входами блока деления.

На чертеже представлена схема оптимального цифрового измерителя

pBsHocTH фаэ,.

Устройство содержит блоки 1-3 преобразования частоты, генератор 4 гармонического напряжения, фазосдвигающую цепь 5 Ti/2, блоки 6-6 аналогоцифрового преобразования, .перемножители 9 и 10, дополнительные перемножители 11 и 12, цифровые интеграто- . ры 13 и 14, блок 15 деления, блок 1б суммированйя, блок 17.вычитания, три" гонометрический блок 18 àrаtg блок

60 19 определения отношений, входную шину 20 измеряемого сигнала и входную шину 21 опорного сигнала.

Измеряемый сигнал на шине 20 ,является входным сигналом блоков 1

65 и 2 преобразования частоты, на кото10339 рых выделяются сигналы более низкой частоты, сдвинутые по фазе на 3 /2 и образующие синфазную и ортогональную составляющие измеряемого сигнала путем подачи на гетеродинный вход блока 1 преобразования частоты сиг- 5 . нала с выхода генератора 4.гармонического напряжения, а на гетеродинный вход блока 2 преобразования частоты выходного сигнала с фазосдвигающей цепи 5 .Tf/2. .Опорный 30 сигнал на шине 21 является входным сигналом блока 3 преобразования частоты, на гетеродинный вход которого поступает сигнал с выхода генератора 4 гармонического напряжения. Выходы блоков 1-3 преобразования частоты соединены соответственно с входами блоков 6-8 аналогоцифрового преобразования, причем выход блока 6 соединен с входами первого перемножйтеля:9 и первого дополнительного перемножителя 11, . выход блока 7 соединен с входами . второго перемножителя 10 и второго дополнительного перемножителя 12.

Выходы перемножителей 9 и 10 соединены с входами интеграторов 13 и 14, выходы которых соединены с вторыми входами дополнительных перемножителей 11 и 12, выходы которых соединены с входами блока 16 суммиро-: вания.

Входы блока 17 вычитания соединены с выходами блока 16 суммирования и блока 8, а выход — с вторыми входами перемножителей 9 и 10. Вы- 35 ходы интеграторов 13 и 14 соединены также с входами блока 19 определения отношений и блока 15 деления, выход которого соединен с входом .тригонометрического блока 18 агctg .. 40

Информация тригонометрического блока 18 arctg и блока 19 определения отношений является выходной информацией измерителя..

В йзмерителе выполняется перенос измеряемого и опорного сигналов на более низкую частоту, выделение синфазной и ортогональной составляющих измеряемого сигнала, аналого-цифровое преобразование сигналов, определение разности цифровых значений измеряемого и опорного сигналов, определение весовых коэффициентов, пропорциональных коэффициенту корреляции между полученной разностью и синфазной и орто. гональной составляющими измеряемого сигнала, перемножение дискретных значений синфазной и ортогональной составляющих измеряемого сигнала на полученные весовые коэффициенты, сум-60 мирование указанных составляющих и регистрации значений разности фаэ и отношений амплитуд измеряемого и опорного сигналов по установившимся значениям весовых коэфФициентов. 65

82

Оптимальный цифровой измеритель разности фаз работает следующим образом.

Блоки 1 и 2 преобразования частоты выполняют перенос измеряемого сигнала, поступающего по шине 20 на более низкую частоту, а также М е ление его синфазной и опт-"ональ ной составляющих, î6åñ «H»<»e тем, что на гетерлцинный вход бло.ка 1 преобразования частоты поступает сигнал с генератора 4 гармони;ческого сигнала, а на .гетеродинный вход блока 2 преобразования частоты — сигнал с фазосдвигающей .цепи 5

У/2. Блок 3 преобразования частоты выполняет перенос опорного сигнала, поступающего по шине 21 на более низкую частоту.

Сигналы с выхода блоков 1-3 преобразования частоты с помощью блоков 6-8 аналого-цифрового преобразования преобразуются в цифровую форму и далее выполняется обработка информации в цифровом виде °

Код синфазной составляющей измеряемого сигнала поступает на первые входы перемножителей 9 и 11, а ортогональной составляющей измеряемого сигнала — на первые входы перемножителей 10 и 12 à -вторые входы перемножителей 9 и 10 поступаеТ .выход ной сигнал блока 17 вычитания, представляющий разность кодов, опорного и измеряеМого сигналов. Измеряемый сигнал, поступающий на вход блока 17 вычитания, образуется путем сложения в блоке 16 суммирования кодов с выходов перемножителя 11, выполняющего обработку синфазной составляющей сигнала, и перемножителя 12, выполняющего обработку ортогональной составляющей сигнала.

Код разности Е(ф,;)измеряемого и опорного сигналов, получаемый на .выходе блока 17 вычитания, определяртся

I S(t,)=P(t;)-(×/1 X1(t;)+W2X2(t;11 где б; †:моменты времени, соответствующие дискретным выборкам блока аналого-цифрового преобразования, R(t.)=Х з п(Яа;+,), /1(ф.)= 3((+.)+, (si@(Qt" +Чс);

Х2М Х2ш(а,.)+Xccos(Qti с)ю „(,)и X {ti)- цифровой. сигнал на выходе блоков б и 7, представляющий сумму сигнала и шума соответственно синфазной и ортогональной составляющийj

Я вЂ” частота преобразованного (на выходах блоков 1-3)измеряемого и опорного сигналов;

Ч и Ч вЂ” соответственно фаза изс. Ь меряемого и опорного сигналов;. 1033982 дах интеграторов 13 и 14

„вом виде X о

%1=

X1(t,. } P(t.,) X, .X1(t;)y,1(;)

1+ в цифросоэл Ч

Х2

Хс

Е,(t„) X1(t„.) = R(t,-}X1(t,.) - W1 X1(t,)X1(t,)- Ча Хг (+,) X1(t,), (1!

Е(t„-)Х2(Ф.;) = И(й;)X2(t;2-%1Х1(Й;) Х2(+.,)—

-W2X2(t;) X2(t;) . ° Р) 30

Полагая, что собственные шумы, которые можно рассматривать как помехи в .синфазной и ортогональных составляющих сигнала равны по мощности, но не коррелированы, по- . лучим

X1(t;}R(t,) =Х Х с g9; . (Ь,2 R(ti}= "cXî 1" < i

X1(t;)X1(t,-)=X +X2 .

X2(t;) X2(t;)=X + Х; (3)

X1(t,) Х2(1;) = 0;

XZ(t )X1(t,.) =О< ау= Ч,- pî.

Подставляя в уравнения (1) и (2) выражения (3 ) и приравнивая левые 50 части к нулю, т.е полагая, что разностный сигнал Е(1;) на выходе блока

17 вычитания в установившемся режиме стремится к нулю, определим установившиеся оптймальюые значения ве. — 55 совых коэффициентов %1, # 2 на выхо-

p(<;)- цифровой сигнал на выходе блока 8, являющийся опорным) ф и 1д — цифровой код весовых

2 коэффициентов, вырабатываемый цифровыми интеграторами 13 и 14.

- — код разности (;) иэмеряемого и 5

ОпОрнОго налов умнОжается в yMHQжителе 9 на ц овод код синфазной составляющей сигн а, который поступает с блока б. на выходе умножителя 9 образуется 10 цифровой сигнал, определяемый

E(t„2Х1С У (t;)X1(t )-W1X1(t>)X1(t<)-%2Х2(+.)»

»Х1(Я .

Полученный цифровой сигнал усред няется по времени интегратором 13.

На выходе интегратора 13 получим среднее значение цифрового сигнала

K(t;)x (t;) которое определяется выраженйем

Аналогично на выходе интегратора

14 будем иметь хо х2(ч p(t ) х

X2(t; }X2(t;) Х2

1+ х2

В результате деления блоком 15 деления полученных коэффициентов и дальнейшего преобразования тригОно. метрическим блоком 18 получим измеряемую разность фаз йЧ между опорным и измеряемым сигналами

N2

Д Ц О VcЬ Р1

Блок 19 определения отношений вычисляет функцию Жтт+тч 2 рениую

Хо 2„ 2

Ш

)(с с

При отношении мощности. шумов к мощности сигнала много меньшем единицы (что обычно бывает на практике ) на выходе блока 19 определения отношений вырабатывается код, соответствующий отношению напряжений опорного и измеряемого сигналов.

Таким образом, использование оптимального цифрового измерителя разности фаэ позволяет выполнять определение разности фаз с учетом отношений амплитуд входного и опорного сигналов, что обеспечивает расширение функциональных возможностей измерителя, а также выполнять оптимизацию измерения разност1, фаз, т.е. минимизацию ошибки измерения при наличии в измеряемом сигнале различного вида помех, а след вательно, повысить точность измере-. ния разности фаз.

При этом обеспечиваются пределы измерения разности фаз 0-360 и отношений амплитуд, определяемых в общем случае разрядностью блоков аналого-цифрового преобразования.

Составитель M.Êàòàíîâà

Редактор Ю. Ковач Техред H.Метелева Корректор О. Билак

Заказ 5619/49 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

:по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4