Фазовый датчик

 

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано в системах автоматической настройки радиоустройств. Целью изобретения является повышение точности измерения сдвига фаз в диапазоне tl80 и расширение динамического диапазона устройства. Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее входные клеммы 1 и 2, фазовращатель 5 на 90°, перемножители 6 и 7, интеграторы 8 и 9 и выходную клемму 16, дополнительно введены детекторы 3 и 4 нуля, компараторы 10 и 11, аналоговый мультиплексор 12, управляемый повторитель-инвертор 13, источник 14 образцового напряжения и аналоговый вычитающий блок 15. Устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более широкий диапазон измеряемых сигналов, определяемый только качественными пар аметрами детекторов НУЛЯ. 4 ил. о (Л СО 4 СП СО Г6

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1Ю 4 Н 03 D 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2!) 4058663/24-21 (22) 21.04 ° 86 (46) 15.10.87. Бюл. У 38 (72) С.Е.Лондон, Д.И.Малиновский, А.Е.Рыжков и С.В.Томашевич (53) 621.317.373(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР !! - 1092427, кл. G 01 R 25/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1022070, кл. С 01 R 25/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР

У 769450, кл. G 01 R 25/00, 1978. (54) ФАЗОВЫЙ ДАТЧИК (57) Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано в системах автома-.. тической настройки радиоустройств.

Целью изобретения является- повышение

„„SU„„1345307 А1 точности измерения сдвига фаз в диапазоне +180 и расширение динамического диапазона устройства. Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее входные клеммы 1 и 2, фазовращатель 5 на 90, перемножители

6 и 7, интеграторы 8 и 9 и выходную клемму 16, дополнительно введены детекторы 3 и 4 нуля, компараторы 10 и

11, аналоговый мультиплексор 12, управляемый повторитель-инвертор 13, источник 14 образцового напряжения и аналоговый вычитающий блок 15. Устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более широкий диапазон измеряемых сигналов, определяемый только качественными параметрами детекторов нуля. 4 ил.

07 ремножителя;

U .„(t) — напряжение на первом входе перемножителя;

1) (t) — напряжение на. втором пхни входе перемнсжителя °

Если входные сигналы 1)н,,(t) и

U (t) представля1ст собой косинусоьхп идальные колебания одной частоты, то ныходное напряжение перемножителя имеет вид:

13453

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и системам автоматической настройки радиоустройств.

Целью изобретения является повьппе5 ние точности измерения сдвига фаз в диапазоне +180 и расширение динамического диапазона устройства..

На фиг.l приведена схема фазового датчика; на фиг.2, 3 — характеристики фазового детектора; на фиг.4 характеристика фазового датчика.

Фазовый датчик содержит входную клемму 1, входную клемму 2, детектор

3 нуля, детектор 4 нуля, фазовращатель 5 на 90 (ФВ 5 на 90 ), перемножитель 6, перемножитель 7, интегратор 8, интегратор 9, компаратор 10, компаратор 11, аналоговый мупьтиплексор (AN) 12, управляемый повторитель- 2с, инвертор (УПИ) !3, источник образцового напряжения (ИОН) 14, аналоговый вычитающий блок (АВБ) 15, выходную клемму 16.

Входная клемма 1 соединена с вхо- 25 дом детектора 3 нуля. Входная клемма

2 соединена с входом детектора 4 нуля. Вьгход детектора 3 нуля соединен с входом ФВ 5 на 90 и первым входом перем11ож.:.геля 6. Выход детектора 4 нуля 30 соедипен с вторым входом перемножителя 6 и первым входом перемножителя 7.

Выход ФВ 5 на 90" соединен с вторым входом перемножителя 7. Выход перемножителя 6 соединен с входом интегратора 8. Выход перемножителя 7 соединен с входом интегратора 9. Выход интегратора 8 соединен с входом компаратора 11. Вь;ход интегратора 9 соединен с нхоцом компаратора 10 и первым нхо-- 40 дом УПИ 13. Выход компаратора 11 сое,цинен с первым входом AN 12 и вторым вхоцом УПИ 1 3„ „Выход компаратора 10 соединен с Вторым входом АМ 12. Третий и 1етнертый рходы ЛМ 12 соедине- 45 ны соответственно с первым и нторьп1 выходами ИОН 14. Выход АМ 12 соединен с первым входом АВБ 15. Выход УПИ 13 соединен с гторым входом АВБ 15. Выход АВБ !5 соединен с выходной клеммОЙ 6,, ко l Îpéß являе гся ВыхОдом фа

ЗОН01 О ДатЧИКа.

Фа з свый датчик рабо тает следующим

Образом.

Опорный сигнал подается на вход— ную кг1емму 1. и далее поступает на цетектор 3 нуля, Последний фиксирует переходы опорного сигнала через нуль, при этом положительным значениям Опорного сигнала соотнетстнует состояние

"1" на выходе детектора 3 нуля, а отрицательным значениям опорного сигнала соответствует состояние "0" на выходе детектора 3 нуля ° В фазовом датчике состоянию 0" соответствует напряжение, много меньшее напряжения отсечки кремниевых транзисторов, составляющих основу современной микросхемотехники, т;е ° много меньшее

0,3-0 5 В. Напряжение "I" на выходе детектора 3 нуля должно намного превышать напряжение отсечки кремниевых транзисторов, т ° е, должно быть много больше 0,3-0 5 В. Наличие таких уровней напряжения на выходах детекторов 3 и 4 нулей (детектор 4 куля идентичен детектору 3 нуля) необходимо для работы транзисторон перемножителей 6 и 7 в ключевом режиме, соответствующем нахождению этих транзисторов в процессе работы в двух состояниях: отсечки и насыщения.

Прямоугольные импульсы, приближающиеся по форме к меандру, поступают с выхода детектора 3 нуля на первый вход перемножителя 6 и вход ФВ 5 на

90, а с выхода детектора 4 нуля на второй вход перемножителя 6 и первый вход перемножителя 7, на второй вход которого поступают задержанные по фазе на 90 прямоугольные импульсы с выхода ФВ 5 на 90 . Перемножители 6 и 7 представля1вт собой аналого— ные перемножители сигналов, реализующие следующую функцию: г".å U „ (t) — напряжение на выходе перемножителя; — масштабный коэффициент, зависящий от типа пеg g < y (! ) — 1С П „S Ь„ Г . П g - О З (el с+ 4) 1

=k U > U, — со в 1 +со н (2111 + 1!1)1, (2) 307

3 1345 где U U — амплитудные значения ко° г синусоидальных колебаний, поступающих на первый и второй входы пе5 ремножителя; — сдвиг фаз косинусоидаль-. ными колебаниями, поступающими на первый и второй входы перемножителя. Ið

Установленный на выходе перемножителя интегратор реализует функцию фильтра нижних частот и предназначен для фильтрации составляющей с удвоен— ной частотой 2ю. С учетом этого напряжение на выходе интегратора имеет вид

1 (y) — — k Uf U сов у — П„„,„,созе (3)

1 где Пчс хс .— — 2 k" U, U>

Вследствие четности функции косинуса одинаковым по абсолютной величине положительному и отрицательному сдвигам фаз между колебаниями на пер- 25 вом и втором входах перемножителя соответствуют напряжения одной величины и одного знака. Характеристика фазового детектора, выполненного на перемножителе и интеграторе имеет 3р вид, показанный на фиг.2.

При подаче на входы аналогового перемножителя импульсных колебаний прямоугольной формы напряжение на выходе интегратора имеет вид

Г7

Пр (— — у) при 0 V i((4)

U — + q l при -Мс <0 им,2 ф где U — максимальное напряжение на ар

Им выходе интегратора, зависящее от параметров перемножителя.

Характеристика вида (4) представлена на фиг.3 сплошной линией. Такая характеристика фазового детектора более предпочтительна для проведения измерений сдвига фаз вследствие ее линейности, однако, она, как и характеристика, показанная на фиг.2, не позволяет однозначно определить знак сдвига фаз.

При подаче на один из входов перемножителя опорного импульсного ко55 лебания прямоугольной формы, сдвинуо того по фазе на 90, можно видоизменить форму характеристики фазового детектора, показанную на фиг. 3 сплошной линией, и привести ее к виду, показанному на фиг.3 пунктирной линией. Такая характеристика позволяет определить знак сдвига фаз, но однозначный отсчет сдвига фаз возможен а только в диапазоне от минус 90 до 90 .

Цель изобретения — повышение точности измерений при измерении сдвига фаз в диапазоне +180 — достигается следующим образом.

При наличии на выходе интегратора

8 напряжения положительной полярности на выходе компаратора 11 присутствует напряжение "1", поступающее на

I первый вход AM 12 и второй вход УНИ

13. При этом УПИ 13 выполняет роль инвертора, т,е, меняет знак напряжения на первом входе на противоположный и передает напряжение без изменения абсолютной величины на выход, т.е. на второй вход АВБ 15. При наличии на первом входе АМ 12 "1" на выходе AN 12, независимо от состояния остальных входов AN 12, присутствует напряжение, равное нулю. АВБ 15 производит следующую математическую операцию:

U вых лаб — П ах — U sxг (5) где U „8 — напряжение на выходе

Ьых А Б

АВБ 15 и выходной клемме l б;

П„х„— напряжение на первом входе АВБ 15; — напряжение на втором входе АВБ 15.

Таким образом, при указанном состоянии входов AM 12 напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующим образом:

U 6ых д9Б= О-(-U вь!х ив) =Пвых и9 (6) где П

86Ix и9 — напряжение на выходе интегратора 9.

При изменении сдвига фаз на входах фазового датчика в диапазоне 90 напряжение с выхода фазового детектора, образованного ФВ 5 на 90 перемножителем 7 и интегратором 9, поступает непосредственно на выход фазового датчика.

Рассмотрим случай сдвига фаз на входе фазового датчика в диапазоне от 90 до 180 . При этом на выходе интегратора 8 присутствует напряжение отрицательной полярности (фиг.3) на выходе компаратора Il — напряжение "0", поступающее на первый вход

АМ 12 и второй вход УПИ 13. УПИ 13 в этом случае не инвертирует входной

134

Il

-2!!им Uss

II — — Cq<

2 (9) 1-1ii«„(g) !1Эых и9 при

II при — 6 9 7

2!.!и м П В ых и ч сигнал и передает его с первого входа .на выход и на первый вход АВБ 15 без изменения, На выходе интегратора

9 присутствует напряжение положительной полярности (фиг.3), а на выходе компаратора 10 — напряжение "1", поступающее на второй вход AM 12. На третий и четвертый входы AM 12 соответственно с первого и второго выходов ИОН 14 подаются два образцовых напряжения, равных минус 2!1„„ и 2П „,, При наличии на первом входе AM 12

"0", а на втором входе AM 12 — "1" на выходе AM 12 присутствует напряжение, равное 2U . При этом напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующим образом:

П ь«» 2Uö 1 se(x ue

Рассмотрим теперь случай сдвига фаз на входе фазового датчика в диапазоне от минус 180 до минус 90 .

При этом на выходе интегратора 8 присутствует напряжение отрицательной

Форма характеристики представлена на фиг.4, откуда видно, что характеристика фазового датчика является линейной в диапазоне изменения сдвига фаз +180 и позволяет в этом диапазоне производить однозначный отсчет показаний величины и знака сдвига фаз. При этом для измерения абсолютной величины сдвига фаз используется только один фазовый детектор, образованный перемножителем 7, ФВ 5 на 90 и интегратором 9, а фазовый детектор, образованный перемножителем б и интегратором 8, является необходимым только .для определения диапазона изменения сдвига фаз и в количественном определении сдвига фаз участия не принимает, что позволяет определить точность измерения сдвига фаз путем участия в количественных измерениях только одного фазового детектора.

Динамический диапазон датчика определяется только чувствительностью детекторов 3 и 4 нуля, которая может быть весьма большой при использовании

5307 в полярности (фиг.3), а на выходе компаратора 11 — напряжение "0", поступающее на первый вход AN 12 и второй вход УПИ 13. В этом случае УПИ 13 также не инвертирует входной сигнал и передает его с первого входа на выход и на первый вход АВБ 15 без изменения. На выходе интегратора 9 присутствует напряжение отрицательной полярности (фиг.3), а на выходе компаратора 10 — напряжение "0", поступающее на второй вход AM 12 ° При наличии -на первом и на втором входах

AN 12 "0" на выходе АМ 12 присутствует напряжение, равное минус 2U Ïðè этом напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующим образом:

"вчх AEB = -2У им ьих ива (8)

Таким образом, в зависимости от знака и величины сдвига фаз сигналов на входах характеристику фазового датчика можно представить математически: в качестве детекторов нуля компараторов напряжения.

По сравнению с прототипом фазовый датчик обеспечивает повышенную точность измерения сдвига фаз в диапазоне -!80, поскольку при количественном измерении сдвига фаз используется сигнал только с одного фазового детектора, образованного перемножителем и интегратором, а второй фазовый детектор используется только для оп-. ределения квадранта, которому соот5 ветствует измеряемый сдвиг фаз, Кроме того, обеспечивается однозначность отсчета показаний при измерении сдвига фаз в диапазоне i80 (õàðàêòåðèñ50 тика фазового датчика линеина H одно значна в диапазоне ".!80 ), а также широкий динамический диапазон измеряемых сигналов, определяемый только качественными параметрами детекторов нуля, Формула изобретения

Фазовый датчик, содержащий фазовращатель íà 90 первый и второй! 3453 чика.

7 перемножители и первый и второй интеграторы, первый вход первого перемножителя соединен с входом фазовращателя на 90, второй вход первого перемножителя соединен с первым входом второго перемножителя, выход фазовращателя на 90 соединен с вторым входом второго перемножителя, выходы первого. и второго перемножителей сое- 0 динены с входами первого и второго интеграторов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз в диапазоне 180 и расширения динамического диапазона, в него введены два детектора нуля два компаратора, аналого/ вый мультиплексор, управляемый повторитель-инвертор, источник образцового напряжения и аналоговый вычитаю- 2p щий блок, вход первого детектора нуля является первым входом датчика, а его выход соединен. с первым входом первого перемножителя, вход второго детектора нуля является вторым вхо- 25

07 8 дом датчика, а его выход соединен с первым входом второго перемнажителя, выход первого интегратора соединен с входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом аналогового мультиплексора и первым входом управляемого повторителя-инвертора, выход второго интегратора соединен с входом второго компаратора и вторым входом управляемого повторителя-инвертора, выход второго компаратора соединен с вторым входом аналогового мультиплексора, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами источника образцового напряже. ния, выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом аналогового вычитающего блока, выход управляемого повторителя-инвертора соединен с вторым входом аналогового вычитающего блока, выход которого является выходом фазового дат1345307

ДОЕМ.3

Составитель С.Кулинi

Техред .П.Oïèéëûê Корректор И.Шулла

Редактор Н.Слободяник

Заказ 4930/53 Тираж 900 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие,г,ужгород,ул.Проектная,4