Устройство для измерения сдвига фаз

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерения сдвига фаз. Устройство содержит генератор 1 импульсов опорной частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, формирователи 4-9 коротких импульсов, RS-триггеры 10-12, элементы И 14-16, 21-24, счетчики 18 и 19 импульсов, микропроцессор 20 и формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадения . Введение RS-триггера 13, элементов И 25-27, 35 и 36 и каналов 29-32 совпадения, каждый из которых содержит формирователи 33 и 34 коротких импульсов и RS-триггеры 37 и 38, позволяет исключить операцию формирования коротких импульсов по фронтам и срезам, вносившую погрешность в измерения. 2 нл. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (511 4 G 01 R 25/00

Щ :";. ъЩ . Р 3 ф

i 13 „13:,!

БИЬЛИ ." 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4092571/24-21 (22) 22.05.86 (46) 23 ° 01.88. Бюл. 11 3 (71) Харьковский автомобильно-дорожный институт нм.Комсомола Украины (72) О.В.Денисенко, А.И,Левтеров и В.Е.Тырса (53) 621.317.373(088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

И 1064224, кл. G 01 R 25/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

Р 1285397, кл. G 01 R 25/00, 20.05.85. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА

ФАЗ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерения сдвига фаз. Устройство содержит генератор 1 импульсов опорной частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, формирователи 4-9 коротких импульсов, RS-триггеры 10-12, элементы И 14-16, 21-24, счетчики 18 и 19 импульсов, микропроцессор 20 и формирователь 28 огибающей пакета имлульсов совпадения. Введение RS-триггера 13, элементов И 25-27, 35 и 36 и каналов

29-32 совпадения, каждый из которых содержит формирователи 33 и 34 коротких импульсов и RS-триггеры 37 и 38, позволяет исключить операцию формирования коротких импульсов по фронтам и срезам, вносившую погрешность в

9 измерения. 2 ил.

1368802

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к области фазовых измерений, и может быть использовано для измерения сдвига фаз между двумя периодическими сигналами с получением результата в виде цифрового кода, пригодного для ввода в ЭЦВМ.

Цель изобретения — повышение точности измерения сдвига фаэ.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Устройство для измерения сдвига фаэ содержит генератор 1 импульсов опорной частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, формирователи 4-9 коротких импульсов, RS-триггеры 10-13, элементы И 14-16, триггер 17 со счетным входом, счетчики 18 и 19 импульсов, микропроцессор 20, элементы И 21-27, формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадений, каналы 29-32 совпадений, каждый иэ которых содержит формирователи 33 и 34 коротких импульсов, элементы И 35 и 36 и

RS-триггеры 37 и 38.

Выход генератора 1 импульсов опорной частоты соединен с первыми входами И 15, 16 и 21-25 и с первыми входами каналов 30 и 32 совпадений.

Выход формирователя 2 импульсов соединен с вторыми входами элементов

И 21-23 и с первым входом канала 29 совпадений, а выход формирователя 3 импульсов — с вторыми входами элементов И 24 и 25 и с первым входом канала 31 совпадений, Выход элемента

И 21 через последовательно соединенные формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадений и формирователь

4 коротких импульсов подключен к

R-входу RS-триггера 10, $-вход которого через формирователь 5 коротких импульсов соединен с выходом элемента И 26, а выход через формирователь

6 коротких импульсов соединен с первым входом элемента И 14, второй вход которого соединен с выходом RS-триггера 11. Выход элемента И 14 соединен со счетным входом триггера 17, выход которого через формирователь 7 коротких импульсов соединен с S-входами

RS-триггеров 12 и 13, а через формирователь 8 импульсов — с первым входом микропроцессора 20 и R-входами

1".

RS-триггеров 11 и 12, при этом

S-вход RS-триггера 11 соединен с шиной "Пуск", à R-вход RS-триггера 13 через формирователь 9 коротких им-. пульсов — с выходом элемента И 27.

Выход RS-триггера 12 через элемент

И 15 соединен со счетчиком 18 импульсов, выход которого соединен со вторым входом микропроцессора 20, а выход RS-триггера 13 через элемент

И 16 соединен с входом счетчика 19 импульсов, выход которого соединен с третьим входом микропроцессора 20.

Выходы элементов И 22-25 соединены соответственно с вторыми входами каналов 29-32 совпадений, причем первый вход элемента И 35, соединенный с входами формирователй 33 и 34 коротких импульсов, является первым входом канала 29 совпадений, а выход RSтриггера 38 является выходом канала

29 совпадений. Выход формирователя

33 коротких импульсов соединен с

S-входом RS-триггера 37, R-вход которого соединен с $-входом

RS-триггера 38 и выходом элемента

И 35, а выход — с первым входом элемента И 36. Выход формирователя

34 коротких импульсов соединен со вторым входом элемента И 36, выход которого соединен с R-входом

RS-триггера 38 ° Аналогично каналу

29 совпадений выполнены структурные связи в каналах 30-32 совпадений.

Выходы каналов 29 и 30 совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами элемента И 26, а выходы каналов 31 и 32 — соответственно с первым и вторым входами элемента И 27.

Сущность работы устройства заключается в следующем.

Иэ исследуемых периодических сигналов формируются последовательности импульсов длительностей с, и с синфаэных с исследуемыми сигналами, искомый угол сдвига фаз между которыми соответствует временному сдвигу

t< (фиг. 2а, в). Если необходимо определить фазовый сдвиг у регулярных импульсных последовательнос1ей, то в качестве исходных сигналов используют импульсы этих последовательностей.

При этом на функциональные возможности работы устройства накладываются граничные условия, вытекающие из следующих соображений. Если длительнос1368802

<,+ о ) 2 ЬТ

,+ . 2 Ьт, (2) и

+С > 2 ° Ьт» где с, = Т,-С,; (3) т, ) с., + Ьт. ти исследуемых сигналов и сигнала опорной частоты с,, Г, и с., а их периоды T 1/f и Т, = 1/fo то для того, чтобы в процессе совпадений можно было выделить моменты перехода фронтов совпадающих импульсов, достаточно обеспечить выполнение условия где ЬТ = Т,-Т ) = )f,-f ) /(f f ).

При этом, в крайнем случае, образуется всего два импульса совпадений, а практически, когда реализуемая длительность формируемых импульсов намного превышает значение b,Ò, образуется не одна пара совпавших импульсов, а пакет импульсов совпадений. Однако для предложенного устройства необходимо также, чтобы х

/ т.е. с,, ., и, образованы путем инверсии импульсов с-,, с. и Г

В этом случае даже при непрерывном совпадении импульсов (фиг. 2к) возможно выделить моменты переходов как передних, так и задних фронтов импульсов исследуемых последовательнос- тей и опорной частоты относительно друг друга.

В соответствии с (1) и (2) граничные частотные возможности работы устройства определяются минимальными значениями с,, = = С,, причем максимально возможная частота f, определяется из условия

Кроме того, из (1) следует, что устройство работоспособно и при с1 и ) Т,/2 и Т /2.

Процесс измерения сдвига фаз заключа6тся в формировании двух временных интервалов 1фиг. 2н, о) и при определении искомого значения согласно следующему выражению:

36O = — --360 = --- 36O (4) о т о

Г и где m и п — цифровые эквиваленты

Т» и Т», определяемые как количество периодов Т опорной частоты между моментами взаимного перехода перед— ннх фронтов импульсов первой и второй (сдвинутой на t< ) последовательностей относительйо передних фронтов импульсов опорной последовательности, Таким образом, в качестве границ получаемых временных интервалов в устройстве используют импульсы пакетов совпадений, которые вьщеляют и формируют непосредственно в моменты полного совпадения импульсов исследуемых последовательностей и импульсов опорной частоты (для с, = с, ), т ° е. в моменты взаимного перехода относительно друг друга соответствующих фронтов ычпульсов укаэанных последовательностей и последовательностей, образованных инверсией последних.

Эти временные интервалы (Т, и Тр) заполняют импульсами опорной f частоты и по числу периодов Т определяют значение фазового сдвига.

Устройство работает следующим

Ьбразом.

Исследуемые периодические сигналы частоты f преобразуются формирователями 2 и 3 импульсов в последовательности импульсов длительностей с (фиг. 2а, б). Так как импульсы этих последовательностей синфаэны с исследуемыми сигналами, то между ними сохраняется искомый сдвиг Aas с с соответствующим ему временным сдвигом t

Импульсы, следующие с фиксированной частотой fo с опорного генератора

1 импульсов, частота которого незначительно отличается от частоты f поступают на первые- входы элеметов

И 15 и 16, но не проходят на их выход, так как на вторых входах этих элементов находится низкий потенциал (логический "О") с выхода соответствующих

RS-триггеров 12 и 13. Одновременно импульсы с опорного генератора 1 импульсов поступают на первые входы элементов И 21-25 и на первые входы каналов 30 и 32 совпадений. На вторые входы элементов И 21-23 и на первый вход канала 29 совпадений поступают

1368802 импульсы первой исследуемой последовательности частоты f< (фиг ° 2а), а на вторые входы элементов И 24 и 25 и на первый вход канала 31 совпадений—

5 импульсы второй исследуемой последовательности частоты f<, сдвинутой относительно первой на искомый угол с

При совпадении импульсов первой исследуемой последовательности с импульсами опорной частоты на входах элемента И 21 и на его выходе образуются пакеты импульсов совпадений (фиг. 2г). Пакеты поступают на вход формирователя 28 огибающей пакета импульсов совпадений, представляющего собой однотактный ждущий мультивибратор, период релаксации Т которого выбирается несколько больше периода опорной частоты Т . С приходом импульса пакета формирователь 28 импульсов переходит иэ состояния "0" в состояние " 1" и удерживается в этом состоянии до конца пакета совпадений, Таким образом, на выходе формирователя 28 огибающей пакетов импульсов совпадений образуются протяженные прямоугольные импульсы длительностей

+Tpe и Т z + T pen (фиг ° 2r) .

Импульсы с выхода генератора 1 импульсов и формирователя 2 импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты поступают также на входы элементов И 22 и 23, Причем первая последовательность импульсов исследуемой частоты подается на прямой вход элемента И 22, а опорной— на его инверсный вход, На элемент

И 23 эти последовательности подаются 40 на противоположные входы (фиг. 1).

На выходе элемента И 22 формируется последовательность пакетов импульсов совпадений (фиг. 2д), в которой отсутствуют импульсы, соответствующие 45 центральным импульсам пакетов, образованных при совпадении импульсов первой последовательности и чульсов исследуемой частоты и опорной (фиг.

2г). На выходе элемента И 23 формируется непрерывная последовательность (пакет) импульсов совпадений (фиг. 2е), поскольку в соответствии с временными диаграммами т >, Одновременно с генератора 1 импульсы опорной частоты и второй последовательности импульсов исследуемой частоты поступают соответственно на прямой и инверсный входы элемента

И 24 и соответственно на инверсный и прямой входы элемента И 25. На выходе элемента И 24 формируется последовательность пакетов совпадений (фиг. 2ж), в которой отсутствуют импульсы, соответствующие центральным импульсам пакетов совпадений, образованных при совпадении импульсов второй последовательности импульсов исследуемой частоты с опорной. На выходе элемента И 25 формируется непрерывная последовательность (пакет) импульсов совпадений (фиг. 2з), поскольку в соответствии с временными диаграммами c > С

Импульсы с выхода формирователя 2 импульсов первой последовательности исследуемой частоты поступают на пер" вый вход канала 29 совпадений — на формирователи 33 и 34 коротких импульсов и первый вход элемента И 35.

На второй вход последнего поступает последовательность импульсов совпадений (фиг. 2д). По переднему фронту импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты (фиг. 2и)

t которые подаются на S-вход триггера 37, последний устанавливается в единичное состояние. Если в течение времени с, на входе элемента И 35 появляется импульс последовательности совпадений (фиг. 2д), то передним фронтом этого импульса с выхода элемента И 35 RS-триггер 37 по R-входу перебрасывается в нулевое состояние до окончания импульса, (фиг. 2л).

Этот же импульс с выхода элемента

И 35 подается íà S-вход RS -триггера

38 и устанавливает его в единичное состояние (фиг. 2л). Поскольку для случая, когда за время, на выходе элемента И 35 имеется импульс из последовательности совпадений (фиг. 2д) и RS-триггер 37 перебрасывается в состояние "0" раньше, чем появляется короткий импульс заднего фронта (фиг. 2к) с выхода формирователя 34, то элемент И 36 на время поступления импульса с формирователя

34 импульсов закрыт и сброс RS-триггера 38 по К -входу не осуществляется. Единичное состояние RS-триггера

38 удерживается (подтверждается) кажлый раз, когда в течение очередного импульса длительностью, Y., на вход элемента И 35 поступает импульс последовательности совпадений (фиг. 2д) . Если же за время с, на вход

1368802 элемента И 35 не поступит очередной импульс совпадений (эта ситуация соответствует моменту формирования центральных импульсов пакетов совпадений, образованных при совпадении первой последовательности импульсов исследуемой частоты и опорной), то

RS-триггер 37 по S- входу импульсом с формирователя 33 перебрасывается в состояние "1" и до конца импульсас

1 сохраняет его (фиг. 2л) . При этом элемент И 36 открыт для импульса заднего фронта формирователя 34, которым

RS-триггер 38 по R-входу переводится н I I н I I

15 в состояние О, В состоянии "0"

RS-триггер 38 находится до тех пор, пока не закончится пакет центральных импульсов и не появится первый после него импульс на выходе элемента И 35

20 (фиг. 2д, н). Первый импульс после пакета центральных импульсов появляется только при переходе переднего фронта импульса первой последовательности исследуемой частоты относительно перед- 25 него фронта импульса опорной частоты.

Передним фронтом этого первого импульса RS-триггер 38 по S- входу снова перебрасывается в единичное состояние (фиг. ° 2н).

Работа канала 30 совпадений подобна работе 29 совпадений, однако, поскольку последовательность импульсов совпадений (фиг. 2е) является непрерывной (Т,, ), то на единичном выходе RS-триггера 38 канала 30 совпадений постоянно сохраняется состояние логической " 1" (фиг. 2о). Сигналы с выходов каналов 29 и 30 совпадений подаются на элемент И 26, кото- 40 рый повторяет сигнал с выхода RSтриггера 38 канала 29 совпадений.

Сигнал с выхода элемента И 26 поступает на вход формирователя 5 коротких импульсов, который формирует 45 короткий импульс по переднему фронту импульса с выхода элемента И 26 ° Этот импульс перебрасывает RS-триггер 10 в противоположное (единичное) состояние. Короткий импульс, сформированный 5О формирователем 6 коротких импульсов по переднему фронту единичного сигнала с выхода RS-триггера 10, поступает на первый вход элемента И 14. Однако о этот импульс не проходит на его выход, так как на втором его входе присутствует сигнал логического "О" с выхода RS — триггера 11, находящегося в исходном (нулевом) состоянии.

Аналогичным образом функционируют каналы 31 и 32 совпадений с той лишь разницей, что на первый вход канала

31 совпадений поступает вторая последовательность импульсо-, исследуемой частоты, а на второй . о вход — последовательность импуль, ов совпадений с выхода элемента И 24 (фиг. 2ж).

На первый вход канала 32 совпадений поступает последовательность имгульсов опорной частоты, а на второй вход — последовательность импульсов совпадений с выхода элемента И 25 (фиг. 2з). При этом на выходе канала 31 совпадений формируется сигнал, представленный на фиг. 2п, а на выходе канала 32 совпадений — постоянный сигнал единичного уровня (фиг. 2р) .

На выходе элемента И 27 формируется импульс, повторяющий импульс с выхода RS-триггера 38 канала 31 совпадений, который поступает на вход формирователя 9 коротких импульсов.

Сформированный короткий импульс с выхода этого формирователя поступает на R-вход RS-триггера 13 и подтверждает его исходное (нулевое) состояние °

В соответствии с (4) по команде

"Пуск" RS-триггер 11 перебрасывается в противоположное состояние, разрешая сигналом логической "1" прохождение через элемент И 14 короткого импульса с формирователя 6 коротких импульсов, соответствующего переднему фронту сигнала с выхода элемента И 26.

Последовательно соединенная цепочка из трех элементов: формирователь 5, триггер 10, формирователь 6, необходима для предотвращения сбоя, т.е. поступления повторного сигнала на элемент И 14 за время Т„ формирования пакета совпадений при совпадении импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты и опорной частоты (фиг. 2г) ° С этой целью на формирователе 4 импульсов формируется короткий импульс заднего фронта пакета, которым RS-триггер 10 блокируется до конца пакета совпадений, и лишь по окончании пакета переводит его в исходное состояние.

Первый по счету импульс (после команды

"Пуск" ) с выхода элемента И 14 перебрасывает триггер 17 со счетным входом в единичное состояние, а второй импульс возвращает его в исходное (нулевое) состояние. При этом форми10

68802

15

9 13 ронатели 7 и 8 коротких импульсов, подключенные к выходу триггера 17, формируют первый и второй импульсы с формирователя 6 импульсов в виде коротких импульсов переднего и заднего фронтов соответственно. Эти импульсы подаются на информационные входы RS-триггера 12, который по приходу импульса с формирователя 7 опрокидывается и разрешает прохождение через элемент И 15 импульсов опор ной частоты в счетчик 18 импульсов.

К S- триггер 12 остается в единичном состоянии, а запись в счетчик 18 импульсов продолжается до тех пор, пока на R-вход триггера не поступит импульс с формирователя 8 коротких импульсов. Таким образом, н счетчике

18 импульсов зафиксировано m импульсов опорной частоты, определяющих период следования пакетов импульсов совпадений при совпадении импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты и опорной частоты.

Подсчет количества импульсов п осуществляется следующим образом °

После команды "Пуск" и прохождения через элемент И 14, триггер 17, и формирователи 7 и 8 сигнала, сформированного по переднему фронту первого импульса с элемента И 26, потенциал RS-триггера 13 разрешает прохождение импульсов опорной частоты через элемент И 14 в счетчик 19 импульсов. Импульс с формирователя 9 коротких импульсов, соответствующий переднему фронту первого после команды Пуск импульса с выхода элемента И 27 (фиг. 2п) при совпадении импульсов второй последовательности импульсов исследуемой и опорной частот, возвращает RS-триггер 13 в исходное (нуленое) состояние, и элемент И 26 закрывается. В счетчике

19 импульсов зафиксировано и импульсов опорной частоты.

RS-триггер 11 возвращается в исходное состояние импульсом с формирователя 8 коротких импульсов, т.е. по приходу второго импульса с элемента И 26. Этот же импульс поступает на микропроцессор 20, разрешая обработку полученных кодов ш и и в соответствии с (4).

В случае, если заранее обеспечивается выполнение условия с, „и z c,, то отдельные элементы уст20

55 ройства (элементы И 23 и 25, каналы

30 и 31) из схемы могут быть исключены.

Положительный эффект от использования устройства заключается в повышении точности измерения сдвига фаз, достигаемой за счет введения в устройство дополнительных элементов и связей, позволяющих исключить операцию формирования коротких импульсов по фронтам и срезам, которая вносит погрешность в измерения.

Формула из об ре тения

Устройство для измерения сдвига фаз, содержащее перный и нторой формирователи импульсов, генератор импульсов опорной частоты, соединенный с первыми входами первого и второго элементов И, вторые

I входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго

RS-триггеров, причем S-входы последних соединены с выходом первого формирователя коротких импульсов, R-вход второго RS-триггера через второй формирователь коротких импульсон соединен с выходом третьего элемента И, а выход четвертого элемента

И соединен с третьим формирователем коротких импульсон, R-вход первого

К8-триггера соединен с выходом четвертого формирователя коротких импульсон и, кроме того, с первым входом микропроцессора и К-входом третьего RS-триггера, S-вход которого соединен с шиной "Пуск", а его выход— с первым входом пятого элемента И, выход которого соединен через триггер со счетным входом, с входами первого и четвертого формирователей коротких импульсов, выходы первого и второго элементов И соединены с входами соответственно первого и второго счетчиков импульсов, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами микропроцессора, пятый и шестой формирователи коротких импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, н него дополнительно введены четвертый RS-триггер, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый. элементы

И и четыре канала совпадения, каждый из которых содержит седьмой и восьмой формирователи коротких импульсов, одиннадцатый и двенадцатый элементы

1368802

)2 пятый и шестой RS-триггеры и формирователь огибающей пакета импульсов совпадения, причем первый вход одиннадцатого элемента И соеди5 нен с входами седьмого и восьмого формирователей коротких импульсов и является первым входом канала совпадений, второй вход одиннадцатого элемента И является вторым входом канала совпадений, а выход шестого триггера является выходом канала совпадений, выход одиннадцатого элемента И соединен с R-входом пятого и S-входом шестого Rs-триггеров, R-вход шестого триггера соединен с выходом двенадцатого элемента И, а S-вход пятого триггера соединен с выходом седьмого формирователя коротких импульсов, выход восьмого формирователя коротких 20 импульсов соединен с первым входом двенадцатого элемента И, а выход пятого триггера соединен с вторым входом двенадцатого элемента И, при этом выход четвертого RS-триггера 25 через пятый формирователь коротких импульсов соединен с вторым входом пятого элемента И, S-вход четвертого

RS-триггера соединен с выходом третьего формирователя коротких импуль" сов, а R-вход через последовательно соединенные шестой формирователь коротких импульсов и формирователь огибающей пакета импульсов совпадений — с выходом шестого элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов опорной частоты, и с первыми ь одами седьмого, восьмого, девятого и десятого элементов И, кроме того, с первыми входами первого и второго каналов совпадений, выход первого формирователя импульсов соединен с вторыми входами шестого, седьмого и восьмого элементов И и, кроме того, с первым входом третьего канала совпадений, второй вход девятого элемента И соединен с выходом второго формирователя импульсов и с вторым входом десятого элемента И и, кроме того, с первым входом четвертого канала совпадений, выходы седьмого, восьмого, девятого и десятого элементов И соединены соответственно с вторыми Вхо дами третьего, первого и четвертого и второго каналов совпадений, выходы первого и третьего каналов совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И, а выходы второго и четвертого каналов совпадений — соответственно с первым и вторым входами третьего элемента И.

1368802

Составитель М. Катанова

Техред А.Кравчук Корректор Л. Патай

Редактор О. 1Орковецкая

Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 287/47

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