Способ измерения фазового сдвига между двумя гармоническими сигналами и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано для измерения фазового сдвига гармонических сигналов в широком диапазоне частот. Цель изобретения - повышение точности измерения фазового сдвига. Способ измерения фазового сдвига включает формирование фиксированного временного интервала, формирование прямоугольных импульсов с длительностью, пропорциональной фазовому сдвигу заполнение сформированных прямоугольных импульсов счетными импульсами и их подсчет за фиксированный временной интервал, измерение периода входного сигнала и запоминание его, далее в течение импульса, пропорционального фазовому сдвигу, суммирование счетных импульсов с весом линейно увеличивающегося кода в течение одного периода измеряемого сигнала от начала измерения и в течение импульса, пропорционального фазовому сдвигу, суммирование счетных импульсов с весом линейно убывающего кода в течение одного периода сигнала. Устройство содержит формирующие блоки 1 и 2, преобразователь 3 фазы в интервалы времени, генератор 4 импульсов, времязадающий блок 5, блок 6 квантования, измерительный счетчик 7, преообразователь 8 периода в код, блок 9 управления, элемент И 10, управляемый делитель 11, реверсивный счетчик 12, сумматор 13, регистр 14. Цель достигается введением преобразователя с весовой функцией, характеристика которого эквивалентна характеристике фильтра с коэффициентом передачи, равным постоянной величине на частоте ω=0, и коэффициентом передачи, близким к нулю, на частотах, кратных частоте измеряемого сигнала, что позволяет значительно уменьшить погрешность измерения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

272 А1

<,9 ЯО (у!)з G 01 R 25/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

H А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4456256/24-2 (22) 07,07.88 (46). 30.09.90. Бюл. 1! 36 (71} Красноярский .политехнический институт (72) С.В. Чепурных и M.Ê. Чмых (53) 621.373.077{088.8) (56) Цифровые методы измерения сдвига фаз. Новосибирск, !979, с. 33-34.

Там же, с. 25, рис. ° !9. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА МЕЖДУ ДВУМЯ ГАРМОНИЧЕСКИМИ СИГНАЛАИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ .(57) Изобретение может быть использовано. для измерения фазового сдвига гармонических сигналов н широком диа2 пазоне частот. Цель изобретения — по- . вьппение точности измерения фазового сдвига. Способ измерения фазового < сдвига включает. формирование фиксированного временного интервала, формирование прямоугольных импульсов с длительностью, пропорциональной фазовому сдвигу, заполнение сформированных прямоугольных импульсов счетными импульсами и их подсчет за фиксированный временной интервал, измерение периода входного сигнала и запоминание его далее в течение импульса, пропорционального фазовому сдвигу, суммирование счетных импульсов с весом линейно увеличивающегося кода в течение одного периода измеряемого сигнала от на1596272

40 чала измерения и в течение импульса, пропорционального фазовому сдвигу;. суммирование счетных импульсов с весом линейно убывающего кода в течение одного периода сигнала. Устройство со, держит формирующие блоки 1 и 2, преобразователь 3 фазы в интервалы времени, генератор 4 импульсов, времязадающий блок 5, блок 6 квантования, измери- 1р тельный счетчик 7, преобразователь 8 периода в код, блок 9 управления, элемент И 10, управляемый делитель 11, Изобретение относится к электрорадиоизмерениям и может быть использо- 20 вано для измерения фазового сдвига гармонических сигналов в широком диапазоне частот с высокой точностью и высоким быстродействием.

Целью изобретения является повыше- 25 ние точности измерения.

На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит формирующие 30 блоки 1 и 2, преобразователь 3 фазы в интервалы времени, входи которого соединены с выходами формирующих блоков 1,2, генератор 4 импульсов с подключенным к нему времязадающим блоком 5, блок 6 квантования, входы которого соединены с генератором 4 импульсов и выходом преобразователя 3 фазы в интервалы времени, измерительный счетчик 7, преобразователь 8 периода в код, блок 9 управления и последовательно соединенные элемент

10 И, управляемый делитель 11,ревер-, сивный счетчик 12, сумматор 13 и регистр 14, выходная шина которого соединена со вторым входом сумматора 13, а старший разряд с тактовым входом измерительного счетчика 7, первый вход преобразователя 8 периода в код соединен с выходом формирующего блока 2, второй вход — соответственно с выходом генератора 4 импульсов и .первым входом элемента 10 И, третий вход - с первым выходом блока 9 управления, первый выход - со входами установки управляемого делителя 11, вре55 мязадающего блока 5, регистра 14, измерительного счетчика 7 и первым входом блока 9 управления, второй выход— реверсивный счетчик 12, сумматор 13, регистр 14. Цель достигается введением преобразователя с весовой функцией, характеристика которого эквивалентна характеристике фильтра с коэффициентом передачи, равным постоянной величине на частоте в=0, и коэффициентом передачи, близким к нулю, на частотах, кратных частоте измеряемого сигнала, что позволяет значительно уменьшить погрешность измерения, 4 з.п. ф-лы, 1 ил. с кодовыми входами управляемого делителя 11, второй вход блока 9 управления соединен с первым выходом времязадающего блока 5 и входом установки реверсивного счетчика 12, выход которого дополнительно соединен с третьим входом блока 9 управления, четвертый вход которого соединен со вторым выходом времязадающего блока 5 и входом управления реверсивного счетчика 12, а второй выход блока 9 управления— со вторым входом элемента 10 И, выход блока 6 квантования соединен со входом записи регистра 14.

Преобразователь 8 периода в код содержит два D-триггера 15 и 16, три дополнительных элемента 17-19 И, счетчик 20 периода, элемент 21 задержки и формирователь 22 коротких импульсов, выход которого является первым выходом преобразователя 8 периода в код, вторым выходом которого является кодовая шина счетчика 20 периода, первым входом " входы синхронизации D-триггеров 15 и 16, вторым входом — первый вход второго дополнительного элемента 18 И, третьим входом - первый вход третьего дополнительного элемента 19 K и вход элемента 21 задержки, выход которого соединен с D-входом первого

D-триггера 15, инверсный выход которого соединен со вторым входом третьего .дополнительного элемента 19 И, а прямой выход — с D-входом второго

D-триггера 16 и первым входом первого дополнительного элемента 17 И, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго D-триггера 16, а вы" ход - со входом формирователя 22 коротких импульсов и со вторым входом второго дополнительного элемента

72 6 лена в виде линейного фильтра с частотной характеристикой Ф(М), определяемой преобразованием Фурье от весовой функции 8(й) т„

Ф(()) f g(t)e dt (3)

Сигнал S(t) можно представить в виде (7) Ф(ы=-О) =т„, 40 ч „; — т — — Sî,Ф(=0)=360 — T = (Р (8)

-и и равна измеряемому фазовому сдвигу (1). Гармонические составляющие сигнала S(t) соответствуют частотам, кратным частоте измеряемого сигнала

50 (,,1 2Г

На этих частотах значения частотной характеристики Ф((А)) равны нулю, Благодаря этому погрешность будет равна

55 JIlo

При практическойреализации во многих случаях вес линейно увеличивающего. ся кодаи веслинейно убывающегокода

5 15962

18 И, выход которого соединен с тактовым входом счетчика 20 периода, вход установки которого соединен с выходом третьего дополнительного элемента

19 И.

Блок 9 управления содержит дешифратор 23, вход которого является третьим входом блока 9 управления, два элемента 24, 25 ИЛИ, входы первого элемента 24 ИЛИ соединены с выходами дешифратора 23, а входы второго элемента 25 ИЛИ являются первым ивторым входами блока 9 управления, управляемый триггер 26, входы которого подключены к выходам элементов 24, 25

ИЛИ, а прямой выход является вторым выходом блока 9 управления, и четвертый дополнительный элемент 27 И, первый вход которого соединен с инверсным выходом управляемого триггера 26, второй вход является четвертым входом блока 9 управления, а выход - первым выходом блока 9 управления.

Времязадающий блок 5 содержит последовательно соединенные пятый дополнительный элемент 28 И, времязадающий делитель 29, выход которого является первым выходом времязадающего блока 5, и второй управляемый триггер 30

30, второй вход которого является . входом установки времязадающего блока 5, инверсный выход — вторым выходом времязадающего блока 5, прямой выход соединен со вторым входом пято-. 35

ro дополнительного элемента 28 И, первый вход которого является первым входом времязадающего блока 5, Способ осуществляют следующим образом.

В общем виде результат измерения

I можно представить в виде И

$ g(t).S(t)dt, ())

45 где Т„- время измерения;

S(t) — прямоугольные импульсы единичной амплитуды с длительностью t =(q /360 )T и периоlP дом Т; (() — измеряемый фазовый сдвиг; т - период измеряемого сигнала;

g(t) — весовая функция

t/Т для 04t(T, дл" Т ти (1+ — — — ) для Т

Т)

T Т

Как видно из (1), измерительная .часть фазометра может быть представs(t)=s +4s(t), (4) где S — постоянная составляющая S (Т), равная

S() Й (/Т, (5)

4 Б (С) - переменная составляющая S (t)

Результат измерения можно представить в виде составляющей, соответствующей истинному значению измеряемого фазового сдвига, равной произведению постоянной составляющей S на значе() ние частотной характеристики на частоте(()=0 и составляющей, соответствующей погрешности и определяемой суммой произведений гармонических составляющих переменной части S(t) на значения частотной характеристики Ф(()) на соответствующих частотах.

Подставляя (2) в (3), получим следующее выражение для модуля частотной характеристики измерительного тракта фазометра Ф(ы) (Т - — — — — „— — (6)

sin(u T/2 з пс()ти/2 ч (dò/2 ыт„; 2

Значение частотной характеристики на частоте и=О т. е, составляющая, соответствующая истинному значению измеряемого фазового сдвига, определяется

1596272 целесообразно изменять в дискретные моменты времени с некоторым шагом ДТ.

Вместо идеальной линейной функции в этом случае будет иметь место ступен5 чато-аппроксимированная линейная функция. Число интервалов аппроксимации будет равно

1* Т/dT.

Для такой функции S(e) частотная характеристика эквивалентного фильтра определяется выражением

1 -j /2 s inuSl ц /2, -1® О- 1 /Ф

1 02

Значение частотной характеристики на частотах гармонических составляющих измеряемого сигнала cd cd равно

-уюте

1 sin пИ Гч/2 1-е ,) . т —; — (11)

Как видно из (ll), значения частотной характеристики в частотных точках ы =и cd, равны нулю, кроме точек, 25 кратных cd=lcd,, т.е. равных цу =ш1и, где m=1 2,3... В этих точках максимальное значение частотной характеристики равно

20 (12) 30

Ф (cd=ncd, ) =2/Ьп1

Если просуммировать произведение значений Ф (cv=ncd,) на амплитуды спектральных составляющих сигнала S(t) с учетом размерности, то получим „„„,=90/К1. . (13)

Таким образом, как видно из (13), при ступенчато-изменяющейся весовой функции g(t) погрешность имеется, но 40 она уменьшается в 1 раза.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Входные сигналы поступают на входы формирующих блоков 1 и 2. Формирующие 45 блоки 1 и 2 обычно выполняются в виде усилителей-ограничителей, т.е. на их выходе формируются прямоугольные импульсы, фронты и срезы которых привязаны к переходам входных сигналов через нулевой уровень. Прямоугольные импульсы с выходов формирующих блоков

1 и 2 поступают на преобразователь 3 фазы в интервалы времени, осуществляющий преобразование измеряемого фазового сдвига в эквивалентные инТервалы времени по положительным и отрицательным нуль-переходам исследуемых сигналов. В блоке 6 квантования временные интервалы заполняются счетными импульсами частотой f „ от генератора 4 импульсов. Времязадающий блок 5 под действием импульсов генератора 4 импульсов формирует фиксированный интервал времени Tö, равный T Ê/f где К - коэффициент деления времязадающего делителя 29. Величина коэффициента К определяет размерность отсчета фазового сдвига. Счетные импульсы, поступающие из блока 6 квантования на вход записи регист- . ра 14, вызывают накопление измерительной информации с весом, определяемым кодом реверсивного счетчика 12. Это происходит в связи с тем, что на входе данных регистра 14 имеет место выходной код сумматора 13, представляющий из себя суммарный код регистра 14 и реверсивного счетчика 12. К старшему разряду регистра 14 подключен измерительный счетчик 7, осуществляющий окончательное накопление результирующего кода. Изменение веса данных измерения происходит под действием импульсов, поступающих с выхода управляемого делителя 11 на тактовый вход реверсивного счетчика 12. На тактовый вход управляемого делителя

11 через элемент 10 И поступают импульсы,с генератора 4 импульсов. Коэффициент деления управляемого делителя 11 задается счетчиком 20 периода преобразователя 8 периода в код таким образом, чтобы за период входного сигнала на выходе управляемого делителя 11 имело место 1 импульсов. Это достигается следующим образом. По сиrналу конца времяиэмерительного цикла (логическая единица), поступающему с выхода элемента 27 И блока 9 управления, и под действием импульсов сигнала на выходе формирующего блока ?, поступающих на первый вход преобразователя 8 периода в код, срабатывают D-триггеры 15 и 16. Появление единичного потенциала на выходе второго D-триггера 16 относительно первого.D-триггера 15 сдвинуто на период сигнала. Б результате этого на выходе первого дополнительного элемента

l7 имеет место импульс длительностью, соответствующей периоду сигнала. Сформированный интервал времени заполняется во втором дополнительном элементе 18 И импульсами генератора 4 импульсов, а полученная таким образом пачка импульсов подсчитывается счет1596272

10 чиком 20 периода. Структура этого счетчика включает делитель на 1 и счетчик, выходная шина которого подключается к кодовому входу управляе5 мого делителя 11, Начальная установка счетчика осуществляется сигналом с выхода третьего дополнительного элемента 19 И, имеющим место перед появлением счетных импульсов счетчика 20 периода, в паузе между измерениями. Минимальная длительность этого сигнала ограничена величиной задержки элемента 21 задержки. По завершении процесса измерения кода периода с помощью формирователя 22 коротких импульсов производится начальная установка управляемого делителя 11, регистра 14, измерительного счетчика 7, запуск первого управляемого триггера 26 блока 9 управления и второго управляемого триггера 30 времязадающего блока 5. Указанные триггеры переключаются в единичное состояние, определяющее начало цикла изме- 25 рения. Пятый дополнительный элемент

28 И открывается, и на тактовый вход времязадающего делителя 29 начинают поступать импульсы генератора 4 импульсов, начиная формировать фиксиро- 30 ванный интервал времени Тд. Одновременно через открытый элемент 10 И на вход управляемого делителя 11 начинается поступление импульсов генератора 4 импульсов. Управляемый делитель целесообразно выполнить на реверсивных счетчиках (например, 1533ИЕ7 ), работающих в вычитающем режиме. При этом выход переноса счетчика нужно подключить ко входу управления записью информации кодовых входов. Указанная структура управляемого делителя 11 позволяет обеспечить прямое управление его коэффициентом деления кодом счетчика 20 периода. Начальное 45 состояние управляемого делителя 11 устанавливается нулевым, в связи с чем первый же импульс на тактовом входе управляемого делителя 11 приводит к появлению импульса на его вы50 ходе и предустановке его разрядов в состояние, соответствующее коду перио" да. Начальное состояние реверсивного счетчика 12 также нулевое, что соответствует его состоянию в конце предыдущего измерительного цикла. В течение времени формирования фиксированного интервала времени Tä режим счета реверсивного счетчика 12 — сум" мирующий, что определяется соот .гствующим потенциалом на его уира«л иощем входе, Поскольку одновргмеиг с началом цикла измерения на тактовый вход реверсивного счетчика 12 поступает импульс с выхода управляемого делителя 11, то начальный вес данных измерения соответствует коду един пы.

В дальнейшем в течение периода сигнала код реверсивного счетчика l2 и;нейно возрастает от 1 до 1. По достижении кода реверсиьного счетчика 12 числа 1 срабатывает дешифратор 23 олока 9 управления и через элемент 2» ИХП1 на динамический вход установки в ноль управляемого триггера 26 поступает переключающий перепад напряжения.

Переключение указанного триггера приводит к закрытию элемента 10 И и постоянству кода 1 реверсивного счетчика 12 до конца фиксирава moro интервала времени. Завершение фиксированного интервала времени определяется переполнением времязадающего целителя 29. При этом происходит переключение в ноль второго управляемого триггера 30, что в свою очередь приводит

-к закрытию пятого дополнительного элемента 28 И и смене реямма счета реверсивного счетчика 12 на вычитающий. Одновременно реверсивный счетчик 12 предустанавливается в состояние, соответствующее коду 1-1. Ероме этого, через элемент ИЛИ 25 происходит переключение управляемого триггера 26 в состояние логической единицы,. в связи с чем элемент 10 И открывается и начинается формирование линейно убывающего кода. По достижении нулевого кода реверсивного счетчика

12 срабатывает дешифратор 23, что приводит к переключению управляемого триггера 26 в ноль. Процесс измерения завершается, что фиксируется четвертым дополнительным элементом 27 И.

Технико-экономический эффект способа и устройства для pro осуществления заключается в уменьшении погрешности дискретного преобразования на низких частотах, что приводит к повышению точности измерения, а следовательно, расширению диапазона рабочих частот и повышению быстродействия, Формула и з о б р е т е н и я

1. Способ измерения фазового сдвига между двумя гармоническими сигна1596272

12 лами, в котором формируют фиксированный временной интервал и прямоугольные импульсы с длительностью, пропорциональной фаэовому сдвигу, заполняют сформированные прямоугольные импульсы счетными импульсами и подсчитывают их за фиксированный временной интервал, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерения, дополнительно измеряют период входного сигнала и запоминают

его, далее в течение импульса, пропорционального фазовому сдвигу, суммируют счетные импульсы с Весом линейно увеличивающегося кода в течение одного периода измеряемого сигнала от начала измерения и после конца стандартного временного интервала в течение импульса, пропорционального фазовому сдвигу, суммируют счетные импульсы с весом линейно убываю" щего кода, в течение одного периода сигнала.

2. Устройство для измерения фазо- 25 вого сдвига между двумя гармоническими сигналами, содержащее два формирующих блока, входы которых являются входами устройства, преобразователь фазы в интервалы времени, входы которого соединены с выходами формирующих блоков, генератор импульсов с подключенным к нему времяэадающим блоком, блок квантования, входы которого соединены соответственно с выходами преобразователя фазы в интервалы времени и генератора импульсов, и измерительный счетчик, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство 4О снабжено преобразователем периода в код, блоком управления и последова" тельно соединенными элементом совпадения, управляемым делителем, реверсивным счетчиком, сумматором и реги- 45 стром, выходная шина которого соединена с вторым входом сумматора, а старший разряд - с тактовым входом измерительного счетчика, первый вход преобразователя периода в код соединен с.выходом второго формирующего блока, второй вход " соответственно с выходом генератора импульсов и

r.åðâbtì входом элемента совпадения, третий вход — с первым входом блока

i5 управления, первый выход — с входами установки управляемого делителя, времязадающего блока, регистра, измерительного счетчика и первым входом блока управления, второй выход — с кодовыми входами управляемого делителя, второй вход блока управления соединен с первым выходом времязадающего блока и входом установки реверсивного счетчика, выход которого дополнительно соединен с третьим входом блока управления, четвертый вход которого соединен с вторым выходом времязадающего блока и входом управления реверсивного счетчика, а второй выход — с вторым входом элемента совпадения, выход блока квантования соединен с входом записи регистра.

3. Устройство по п. 2, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что преобразователь периода в код содержит два

D-триггера, три дополнительных элемента совпадения, счетчик периода, элемент задержки и формирователь коротких импульсов, выход которого является первым выходом преобразователя периода в код, вторым выходом которого является кодовая шина счетчика периода, первым входом — входы синхронизации

D-триггеров, вторым входом - первый вход второго дополнительного элемента совпадения, третьим входом " первый вход третьего дополнительного элемента совпадения и вход элемента задержки выход которого соединен с 0-входом первого D-триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом третьего дополнительного элемента совпадения, а прямой выход — с D-входом второго D-триггера и первым входом первого дополнительного элемента совпадения, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго

D-триггера, а выход — с входом формирователя коротких импульсов и с вторым входом второго дополнительного элемента совпадения, выход которого соединен с тактовым входом счетчика периода, вход установки которого соединен с выходом третьего дополнительного элемента совпадения.

4. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит дешифратор, вход кото" рого является третьим входом блока управления, два элемента ИЛИ, входы первого элемента ИЛИ соединеьы с выходами дешифратора, а входы второго являются первым и вторым входами блока управления, управляемый триггер, входы которого подключены к выходам элементов ИЛИ, а прямой выход явля13

1596272

14!

Составитель И. Катанова

Редактор Н. Горват Техред Л.Олийнык Корректор Н. КоРоль

Заказ 2907 Тираж 549 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101 ется вторым выходом блока управления, и четвертый дополнительный элемент совпадения, первый вход которого соединен с инверсным выходом управляе-: мого триггера, второй вход является

5 четвертым входом блока управления, а выход — первым выходом блока управления.

5. Устройство по п.2, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что времязадающий блок содержит последовательно соединенные пятый дополнительный элемент совпадения, времязадающий делитель, выход которого является первым выходом времязадающего блока, и второй управляемый триггер, второй вход которого является входом установки времяэадающего блока, инверсный выход — вторым выходом врвмязадающего блока, прямой выход соединен с вторым входом пятого дополнительного элемента совпадения, первый вход которого является первым входом времяэадающего блока.