Цифровой фазометр

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя сигналами. С целью повышения точности и быстродействия один из сигналов, между которыми измеряется разность фаз (опорный), преобразуется в меандр с фронтом, совпадающим с его нуль-переходом. В момент такого же нуль-перехода другого (исследуемого) сигнала формируется короткий импульс. В специальной линии меандр заполняется сериями квантующих импульсов, сдвинутых по фазе и жестко синхронных по времени с фронтом меандра. Количество импульсов с выхода, в котором сдвиг фазы относительно нуль-перехода нулевой, отсчитывается до прихода импульса от нуль-перехода исследуемого сигнала и составляет целое число "квантов" фазы. Сигналы с выходов цепочки элементов задержки образуют код, который меняется во времени так, что маркируется каждая доля текущего (незаконченного) "кванта" фазы. В момент прихода импульса от нуль-перехода исследуемого сигнала упомянутый код записывается во второй регистр, и одновременно переписывается в первый регистр содержимое счетчика целых "квантов" фазы, имеющееся к этому моменту. Сумма чисел, записанных в первом и втором регистрах, с учетом их веса определяет искомую разность фаз. Синхронность квантующих импульсов и возможность определения доли "кванта" фазы обеспечивают достижение положительного эффекта. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК д 11 4 С 01 В 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4298669/24-21 (22) 31.08.87

: (46) 07.08.89. Бюл, N -29 (72) В.П. Иокшанцев и А.С. Федоров (53) 621.317.77 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1084695, кл. G 01 R 25/00, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N 1323979, кл.. С 01 R. 25/00, :27.01.86. (54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя сигналами. С целью повьппения точности и быстродействия один из сигналов, между которыми измеряется разность фаз (опорный), преобразуется в меандр с Фронтом, совпадающим с его нуль-переходом. В момент такого же нуль-перехода другого (исследуемого) сигнала формируется короткий импульс. В специальной линии меандр заполняется сериями квантующих импульсов, сдвинутых по

Изобретение относится к радио-.. измерительной технике и может быть . использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя периодическими электрическими сигналами .

Цель изобретения — повьппение точности и быстродействия устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 — временНые диаграммы а, б, в, r, д, ж, исигналов в соответствующих характер, ных точках схемы; на фиг.3 — схема„„SU„,, 14992 4 А1

2 фазе и жестко синхронных по времени с фронтом меандра. Количество импульсов с выхода,в котором сдвиг фазы относительно нуль-перехода нулевой, отсчитывается до прихода импульса от нуль-перехода исследуемого сигнала и составляет целое число квантов" фазы. Сигналы с выходов цепочки элементов задержки образуют код, который меняется во времени так, что маркируется каждая доля текущего (незаконченного) кванта" фазы. Б момент прихода импульса от нуль-перехода исследуемого сигнала упомянутый код записывается во второй регистр, и одновременно переписывается в первый регистр содержимое счетчика целых

"квантов" фазы, имеющееся к этому моменту. Сумма чисел, записанных в первом и втором регистрах, с учетом их веса определяет искомую разность фаз. Синхронность квантующих импульсов и возможносТь определения доли

"кванта" фазы обеспечивают достижение положительного эффекта, 5 ил. тическая иллюстрация процесса маркировки и кодирования долей текущего кванта и фазовых соотношений сигналов на выходах квантующей линии задержки (также диаграммами логических уровней сигнала); на фиг.4 — временные диаграммы а, б, в, ж, к, д, л, з, и сигналов в соответствующих точках схемы при появлении опережения второго входного сигнала по отношению к первому и соответствующей смены знака фазы; на Аиг.5 — функ3 1499264 циональная схема для реализации сумматора-дешифратора.

Цифровой фазометр содержит формирователь 1 опорного полупериода, формирователь 2 импульсов исследуемого сигнала, причем входы формирова" телей и 2 соединены с соответствующими выходами коммутатора 3 входных сигналов. Первый прямой выход форми- 10 рователя 1 опорного полупериода и выход формирователя 2 импульсов исследуемого сигнала соответственно со единены с входами ключевого элемента

4, выход которого соединен с входом триггера 5 выделения знака, выход последнего соединен с управляющим входом коммутатора 3 и с знаковым информационным выходом фазометра.

Второй (инверсный) выход формировате" 20 ля 1 опорного полупериода соединен с входом формирователя 6 импульсов инвертированного опорного сигнала и через элемент 7 задержки с входом формирователя 8 импульса разрешения обнуления, выход которого подключен

tc управляющему входу счетчика 9 квантующих импульсов и к одному из входов управляющего триггера 10 выход последнего подключен к одному из, 30 входов второго ключевого элемента lli

Фазометр содерящт также первый регистр !2, второй элемент 13 задержки,. сумматор-дешифратор 14, второй .ре .. гистр 15 и квантующую линию 16, задержки, состоящую из элементов ИЛИ

17.1,...,17.п с прямым и инверсным выходами (ИЛИ-HF/ИЛИ), между. первым выходом каждого из которых и первым входом последующего включены элемен-,40 ты 18.1,...,18.п-l задержки, а также дополнительного элемента 19 задержки, включенного между вторым входом пер- вого элемента ИЛИ-HF/ИЛИ 17.1 и вто- рым выходом одного из остальных элементов ИЛИ-НЕ/ИЛИ квантующей линии задержки. Первый вход первого элемен-. та KlTM-НЕ/ИЛИ 17.1 и вторые входы всех остальных этих элементов являют ся входом линии 16, который подключен к первому выходу формирователя 1 опорного полупериода. Вторые выходы ,всех элементов 17 линии 16 подключены к входам второго регистра 15, первый вход которого соединен с счетным входом счетчика 9 квантирующих импульсов, информационные выходы которого через первый регистр !

2, служащий для записи целого числа периодов квантующих импульсов, подключены к .информационным входам сумматора-дешифратора 14, к вторым информационным входам которого подключены информационные выходы второго регистра 15. Информационные выходы сумматора дешифратора 14 являются выходом устройства. Выход формирователя 2 импульсов исследуемого сигнала подключен к управляющим входам первого и второго регистров 12 и 15, выход ключевого элемента 4 через второй элемент 13 задержки подключен к второму входу управляющего триггера 10, выход формирователя 6 импуль- сов инвертированного опорного сигна" ла подключен к второму входу второго ключевого элемента 11, выход которого соединен с управляющим входом сум матора-дешифратора 14.

Второй регистр 15 содержит то же количество разрядов, что и количество фаз, генерируемых в квантующей линии

16 задержки (на фиг.! и 3 изображена генерация пятифазных сигналов).

Запись сигналов в регистр должна осу ществляться за время, меньшее Т ь/2п, где и — количество счетных долей периода квантующих импульсов, Т ь - период квантующих импульсов. Длительность и форма управляющих сигналов определяются формирователями 2 и 6.

Сумматор-дешифратор 14 на (фиг.l} суммирует информацию с регистров 12 и 15 с соответствующим весом, обеспечивая одновременно запись получен-.. ного кода в выходной регистр по внешней команде. Пример реализации сумматора-дешифратора изображен на фиг.5.

Код, соответствующий. количеству. прошедших целых квантов, поступает из регистра 12 в умножитель 20, где он умножается на постоянную величину, равную 2n (количество счетных долей периода квантующих импульсов). Полученное число суммируется в сумматоре 21 с количеством отсчитанных долей в прошедшей части незавершенного кванта, которое поступает из регистра 15, и передается в дешифратор 22.

В дешифраторе код, соответствующий суммарному количеству отсчитанных долей кванта, преобразуется в код разности фаз. Запись результата в вы-. ходной регистр 23 производится по команде из ключевого элемента 11.

Формирователь импульсов исследуемого сигнала обеспечивает длитель1499264 ность импульсов, меньшую длительности счетной доли кванта (т.е. Тq@ /2и).

Вершина"импульса может соответство- вать как логической "1", так и логическому "0" в зависимости от выбран5 ной реализации ключевого элемента 4 и регистров 12 и 15 (фиг. !). На временных диаграммах(фиг.2 и 4) принято для определенности, что вершина импульса соответствует логическому нулю.

Ключевой элемент 4 (фиг,1) должен пропускать импульс от формирователя 2 только при значении сигнала на выходе формирователя 1 опорного полупериода, соответствующего запертой линии 16. На временной диаграмме фиг.4 этому состоянию отвечает логическая "1" в точке 6 .

Счетчик 9 квантующих импульсов производит счет по переходам от логического нуля к логической единице, причем в зависимости от сигнала на управляющих входах ведется либо счет импульсов, либо запись кода, поданного на его информационные входы.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, т.е. при отсутствии сигналов U,и 11 на входах коммутатора 3, на выходе 5 (фиг.1, 2, 4) формирователя 1 имеет место уровень логической единицы (высокий уровень), соответственно на прямых выходах элементов ИЛИ-HF/ÈËÈ 17.117.п также будут иметь место уровни логической единицы, а на их инверсных — уровни логического нуля. Состо. яние коммутатора 3 зависит от состоя- 40 ния триггера 5 выделения знака. При этом возможны два варианта состояния: первый, когда на выходе триггера 5 и н имеет место потенциал логической 1 и напряжение U) поступает на АорМН рователь 1 через выход в.точке г! в виде опорного напряжения, а Ug — на формирователь 2 через выход в точке

:8 в качестве исследуемого напряжения; второй, когда на выходе триггера 5 имеет место потенциал логического "0", и напряжение U поступает на формирователь 2 в качестве исследуемого, а напряжение Uq — на форМирователь 1 в качестве бпорного.

Работа устройства описывается двумя возможными случаями.

В первом случае коммутатор 3 вклю; чен по . в ари анту 1; напряжение от ст ает по фазе от Г, менее чем на 180 (во всех пояснениях имеeòñÿ в виду установившийся режим). С появлением сигнала U.. и Ur, на выходе Ь устанавливается меандр с частотой опорного сигнала. Отрицательный фронт и далее низкий уровень меандра (уровень логического нуля) с выхода блока

1 формируется низкий уровень на прямом выходе элемента ИЛИ-HF./ИЛИ 17 ° 1 и разрешает формирование низких уров- . ней на прямых выходах элементов 17.217.(ь;-1) линии 16. Низкий уровень с первого выхода элемента 17.1 с задержкой 5t, = — — на элементе 18.1

Ту и задержки (где Т к — период квантующих импульсов, n — - количество формирующих элементов 17) поступает на вход элемента 17.2 и формирует низкий уровень на его прямом выходе и высокий (логическая "1") — на инверсном выходе 24.1, Далее низкий уровень проходит вдоль линии из элементов 18.2-17.3-18.3-17,4...- 18.п-117.п с задержкой в каждой группе элементов 18-17 на ту же величину а высокий уровень проходит с задержкой д в элементе 19 на второй вход элемента 17.1 и запирает его, формируя на его прямом выходе снова высокий уровень. Сумма задержек т должна быть равна -- . В частном слу2 чае, изображенном на фиг.1, !! С» +

Тк

+ gt

Следует отметить, что элемент 19 задержки может быть подключен к инверсному выходу любого другого элемента 17, Достаточно только, чтобы выполнялись условия тк + mat

2 где m — номер элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 17, выход которого соединен с дополнитель+ ным элементом 19 задержки, и

m(2

Сформировавшийся высокий уровень распространяется по цепочке 17"18-17 с теми же задержками, что и низкий.

В результате последовательных смен низкого и высокого уровней на инверсных выходах 24.1-24.и устанавливаются сигналы, временная диаграмма которых изображена на фиг.3 для

1499264

15 запись информации. В регистр 12.эа20 писывается целое число квантов, про-.

40

55 случая n - "5, m = I.Их период равен периоду квантующего сигнала. Эти сигналы существуют до тех пор, пока на выходе Q формирователя 1 поддер5 живается уровень логического нуля (низкий уровень), т.е. в первый полупериод рабочей частоты.

С выхода 24.1 квантующий сигнал поступает на счетный вход счетчика 9, наращивающего содержимое по переходам от логического "0" к логической "I", т.е. по положительным фронтам. Поскольку первый положительный фронт появляется одновременно с фронтом опор-, ного полупериода, количество импуль- сов, отсчитанное счетчиком 9, на единицу превышает количество прошед» ,ших целых квантов фазы. Для устранения такого эффекта, а также для исключения воздействия возможных помех, счетчик 9 обнуляется перед:t каждым циклом счета. Чтобы это обеспечить, отрицательный фронт инвертированного опорного полупериода с формирователя 1 соответствующий моменту окончания генерации квантую" щих импульсов) задерживается в элементе 7 на интервал времени, несколько меньший опорного полупериода, и подается в формирователь 8, в кото ром создается импульс с фронтом, совпадающим с фронтом пришедшего . меандра, и такой длительности, чтобы его срез (момент t< на фиг.2) опережал положительный фронт опорного полупериода на инверсном выходе формирователя 1 менее, чем на период кванта, Т (фиг.2, сигнал в точке ). Этот импульс подается на управляющие входы счетчика

9 и разрешает запись сигналов с информационных входов счетчика, на ко-: торых постоянно установлены уровни логического нуля. Так как разрешение приходит раньше первого положительного фронта, то этот фронт обнуляет счетчик, и счет начинается со второго фронта. Следовательно, в счетчике отсчитывается точное количество прошедших целых квантов. Интервалы, меньшие кванта, контролируются по сигналам с выходов 24.1-24.п, Распре" деление этих сигналов во: времени изображено на фиг.3. Если фиксировать одновременно сигналы, со всех выходов 24.1-24.п одновременно, то они образуют и-разрядный код, который меняется во времени с шагом

T„> /2п (фиг.З, на которой приведены сигналы в виде логических уровней, а коды записаны колонками в таблице в нижней части рисунка для случая п = 5). Следовательно, значение кода в промежутке между отсчитываемыми фронтами квантующих импульсов определяют прошедшую к моменту отсчета долю текущего квантующего периода с разрешающей способностью Тgg/2n.

В момент t ai (фиг.2), соответствующий отрицательному переходу через ноль исследуемого сигнала Гиссд на выходе формирователя 2 формирует", ся короткий импульс (на фиг.1 и 2 диаграмма в точке Яс) ° Этот импульс дает команду .в регистры 12 и 15 на шедшее до прихода команды на запись информации, а в регистр IS — код, соответствующий величине доли неэавершившегося кванта (по сигналам

24.1-24.n) .

Информация от обоих регистров под" водится к сумматору-дешифратору 14.

В нем количество целых периодов суммируется с величиной доли последнего незавершившегося кванта, преобразу- . ется в код разности фаз и запоминается.

Разрешение на запоминание (обновление) информации на выходе сумматора-дешифратора 14 поступает с выхода

3 формирователя 1 через формирователь

6. Формирователь 6 формирует импульс в момент t» (фиг.2) отрица- тельного перехода через ноль сигнала на выходе 2 . По отношению к прямому выходу формирователя 1 это будет импульс в момент перехода через нуль опорного сигнала в положительном направлении. Этот импульс проходит через подготовленный ключ 11 и дает команду в сумматор-дешифратор

I4 на запоминание информации.

Подготовка второго ключевого элемента il осуществляется триггером

10, который по импульсу с выхода g формирователя 8 устанавливается в состояние логической ")".

Временные диаграммы процессов в фазометре изображены на фиг.2.

Во втором случае коммутатор 3 включен по варианту 1, но напряжение

0 опережает Uq по Фазе не более, чем на 180 (фиг.4). Тогда блоки 1,17

18,19,8 и 9 работают также, как и в

14992б4

35 случае 1, но импульс с формирователя

2 (команда на фиксацию значения раз" ности фаз) приходит тогда, когда уровень логического нуля опорного полу5 периода на выходе Ь формирователя 1: уже сменился уровнем логической еди-у ницы. Этот уровень поступает на ключевой элемент 4, подготавливает его к работе, и когда на выходе мс форми.рователя 2 появляется импульс, он проходит через элемент 4 на вход триггера 5. Выходной сигнал триггера

5 изменится с "1" на "0", и коммутатор 3 переключится по варианту 2. 15

При этом нулевой логический сигнал с выхода триггера 5 будет воспринят на информационном выходе как знак плюс (исследуемый сигнал опережает опорнь|й) . 20

При переключении коммутатора 3 уровень логической "1" на выходе в формирователя 1 сменится на логический "0". Из-за инерции коммутатора 3 и элементов управления эта смена мо- 25 жет произойти с запозданием и тем самым внести погрешность в следующий за этим цикл измерений. Чтобы исключить подобное явление, допол.нительный сигнал с элемента 4 через 30 второй элемент 13. задержки (с задержкой, несколько меньшей длитель- . ности половины периода меандра) пере" водит триггер 10 в состояние логичес." кого нуля, то есть запирает второй ключевой элемент 11. Тем самым запрещается прохождение команды на заЙись (смену) информации на выходе сумматора-дешифратора 14 до следую. щего нормального" (без переключе- 40 ния) измерительного цикла.

Из описания работы фазометра вид-. но, что как при опережении первого сигнала на входе вторым, так и при его отстаивании на выходе устройства 45 будет иметь место информация о величине и знаке разности фаз.

Положительный эффект предлагаемот го устройства состоит в том, что одновременно повышается точность определения разности фаз и обеспечивается измерение фазового сдвига за один период опорного сигнала, что повышает быстродействие. При этом при прочих равных условиях увеличение точности не связано с уменьшением быст

Родействия.

Использование когерентного кван" тующего сигнала полностью,исключа-. ет дополнительную погрешность из-за

I несинхронности квантунхцего сигнала и заполняемого им временного интервала, соответствующего углу сдвига фаз. Интервал между моментом прихода команды на измерение и срезом последнего кваитующего сигнала контролируется фиксацией кода с выходов линии. Поэтому уменьшается также погрешность из-за некратности периода кванта длине измеряемого интервала.

Формула изобретения

1(ифровой фазометр, содержащий формирователь опорного полупериода и формирователь импульсов исследуемого сигнала, входы которых подсоединены к соответствующим выходам коммутатора входных сигналов, первый выход формирователя опорного полупериода и выход формирователя импульсов исследуемого сигнала соответственно соединены с входами ключевого элемента, выход которого соеди-. нен с входом триггера выделения знака, выход последнего соединен с уп-., равляющим входом коммутатора входных сигналов и является знаковым информационным выходом, второй выход формирователя опорного полупериода подключен к входу формирователя импульсов инвертированного опорного сигнала, формирователь импульсов разрешения обнуления, выходом подключенный к первому входу управляющего триггера, выход которого подключен к первому входу второго ключево" го элемента, первый и второй регистры, первый и второй элементы задержки и счетчик квантующих импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстI родействия, в него дополнительно введены сумматор-дешифратор, квантующая линия задержки, состоящая из и+1 элементов ИЛИ, между первым выходом каждого из которых и первым входом последующего включения и квантующих элементов задержки, и дополнительного элемента задержки, 1 включенного между вторым входом первого элемента ИЛИ и выходом одного из последующих элементов ИЛИ квантующей линии задержки, первый вход пер.вого элемента ИЛИ и вторые входы всех остальных элементов ИЛИ под1499264

Состою

Е Ченчи ключены к первому выходу формирователя опорного полупериода, а вторые выходы элементов ИЛИ подключены к входам второго регистра,. первый вход которого соединен со счетным входом счетчика квантующих импульсов, уп- . равляющий вход которого соединен с первым входом управляющего триггера, а информационные выходы которого через первый регистр подключены к первым информационнМм входам сумматора-дешифратора, к вторым информационным входам которого подключены информационные выходы второго регистра, второй выход формирователя опорного полупериода соединен через

М< .„у g)f c, Фиа1 первый элемент задержки с входом формирователя импульсов разрешения обнуления, выход формирователя импульсов исследуемого сигнала подключен к уп" равляющим входам первого и второго регистров, выход первого ключевого элемента через второй элемент задержки подключен к второму входу управляющего триггера, выход формирователя импульсов инвертированного опорного сигнала подключен .к второму входу второго ключевого элемента, вы" ход которого соединен с управляющим входом сумматора-дешифратора, инфор" мационные выходы которого являются входами цифрового фазометра.

1499264

1а гаг

° ы

° ° °

° 1 °

° ФЭ

° ФЮ. ЮБ

Моби норде тнии

Ю1

И2

ИЯ

264

ЖХ

1499264 . фцр J Зиад

Составитель Ю. Макаревич

Редактор С, Патрушева Техред А,Кравчук Корректор Т. Малец

Заказ 4686/43 Тирах 713 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент". г.укгород, ул. Гагарина,101