Цифровой компенсационный фазометр

 

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано в ультразвуковой и звуковой дальнометрии, где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радиоимпульсов, которые разнесены во времени относительно друг друга. Решаемая задача - повышение точности измерения кумулятивного фазового сдвига радиоимпульсных сигналов - достигается введением двух вычитателей 3 и 4, двух мультиплексоров 12 и 13, узла 15 сравнения и задатчика 14 чисел в компенсационный фазометр, который содержит два канала 1 и 2, два ФНЧ 10 и 11, нуль-индикатор 6, синтезатор 7, вычислитель 8, цифровой индикатор 9, аналоговый коммутатор 5. Первый канал 1 и ФНЧ 11 включены на первом входе нуль-индикатора 6. Второй канал 2, коммутатор 5 и второй ФНЧ 10 включены на втором входе нуль-индикатора. Каналы управляются выходными сигналами синтезатора 7 частоты, а коммутатор 5 - сигналом с выхода вычислителя 8. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU „„1597766 (51)5 G 01 R 25/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР,(21) 4443571/24-21 (22) 20.06.88 (46) 07.10.90. Бюл. N 37 (71) Конструкторское бюро "Шторм"при

Киевском политехническом институте им.50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) А.И.Фендриков (53) 621.317.77 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 759980, кл. G 01 R 25/08, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Р 1472844, кл. С 01 R 25/08, 1987. (54) ЦИФРОВОЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ФАЗОМЕТР (57) Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано в ультразвуковой и звуковой дальнометрии, где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радио2 импульсов, которые разнесены во вре- мени относительно друг друга. Решаемая задача — повышение точности измерения кумулятивного фазового сдвига радиоимпульсных сигналов— достигается введением двух вычитателей 3 и 4, двух мультиплексоров

12 и 13, узла 15 сравнения и задатчика 14 чисел в компенсационный фазометр, который содержит два канала

1 и 2, два ФНЧ 10 и 11, нуль-индикатор 6, синтезатор 7, вычислитель 8, цифровой индикатор 9, аналоговый коммутатор 5. Первый канал 1 и ФНЧ 11 включены на первом входе нуль-индикатора 6. Второй канал 2, коммутатор

5 и второй ФНЧ 10 включены на втором входе ну. †.ь-индикатора. Каналы управляются выходньпчи сигналами синтезатора 7 частоты, а коммутатор 5 — сигналом с выхода вычислителя 8. 2 ил. !

1597766

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в гидроакустике, дефектоскопии, дальнометрии и других областях науки и техники, . где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радиоимпульсных сигналов (радиоимпульсов), которые разнесены либо смещены во времени друг относительно друга.

Цель изобретения — повышение точности, На фиг.1 приведена структурная схема цифрового компенсационного фазометра; на фиг.2 — передаточная характеристика фазометра.

Цифровой компенсационный фазометр содержит два идентичных канала 1 и

2, вычитатели 3 и 4, коммутатор 5, нуль-индикатор 6, синтезатор 7, вычислитель 8, цифровой индикатор 9, 1 фильтры 10 и 11 нижних частот (ФНЧ), мультиплексоры 12 и 13, задатчик 14 кодов и узел 15 сравнения, Каждый канал 1(2) имеет сигнальный вход

1.1 (2.1), первый 1.2(2,2) и второй

1.3 (2.3) управляющие входы и выход

1 .4(2.4). Синтезатор 7 частоты имеет три входа 7.1-7.3 и четыре выхода

7.4-7.7. Вычислитель 8 имеет входы

8.1-8.3 и выходы 8.4 и 8.5. Узлы фаэометра соединены следующим образом. Вход 1.1 канала 1 соединен с входом 8 .1, вход 2. 1 — с входами

7.3 и 8.2, входы 1.3 и 2.3 — с выходом 7,5 синтезатора 7, выход 7.4 с входом 1.2, выход 7.6 — с входом

2.2, выход 7.7 — с входом 8.3 вычислителя 8, выход 8.5 — с объединенными первыми входами вычитателя 3 и узла 15 сравнения, выход 8.4 — с первым входом вычнтателя 4, выход вычитателя 4 — с .входом цифрового индикатора 9, выход вычитателя 3 — с управляющим входом коммутатора 5, выход коммутатора 5 — с входом ФНЧ 10, вы45 ход 1.4 — с входом ФНЧ 11, входы нульиндикатора 6 — с выходами ФНЧ 10 и

11, выходы нуль-индикатора 6 — с входами 7 ° 1 и 7.2, выходы 2.4 — с входами коммутатора 5, первый выход задатчика 14 — с первым входом мультиплексора 12, второй выход задатчика

14 — с первым входом мультиплексора

13, третий выход задатчика 14 — с вторым входом узла 15 сравнения, чет- 55 вертый выход задатчика — с вторыми входами мультиплексоров 12 и 13 и узла 15, выходы мультиплексоров

12 и 13 — с вторыми входами соответственно вычитателей 3 и 4, выход узла 15 сравнения — с управляющими входами мультиплексоров 3.4.

Каналы 1 и 2 практически представляют собой регулируемую частотой многоотводную линию задержки (ЛЗ) в виде линейки последовательно соединенных приборов с зарядовой связью (ПЗС). Выходы многоотводной ЛЗ и ее входы являются выходами и входами канала 2. Управляющие входы 1.2 и

2.2 предназначены для регулировки задержки, а входы 1.3 и 2.3 — для пр еобра зов ания частоты сигнала заполнения радиоимпульсов, поступающих на входы 1.1 и 2.1 каналов.

Число Б„отводов (выходов) канала 2 задает максимально возможный измеряемый фазовый сдвиг — в соответствии с 2ii N, Число N можно интерпретировать как число целых периодов Т=1/F, которое может быть записано в линию задержки ПЗС типа, образующую канал фазометра. Синтезатор 7, выполненный на основе умножителя и делителей частоты, формиЭ рует на выходах 7.4, 7.6 и 7.5 импульсные сигналы частот f =К,Г, =К Р, fo=K o Е соответственно (здесь F — частота заполнения радиоимпульса на входе 7,3)..Введенные вычитатели 3 и 4, мультиплексоры 12 и

13, задатчик 14 и узел 15 выполняют простейшие арифметические и логические функции: вычитания двух чисел (вычитатели 3 и 4), сравнения двух чисел (узел 15), коммутации одного иэ двух чисел на один выход (мультиплексоры 12 и 13). Задатчик 14 зада- ет коды чисел 1,2Т- и N, соответственно на первом, втором и третьем выходах (здесь N число отводов канала 2) .

Фаэометр работает следующим образом.

Основной отличительной особенностью фаэометра является то, что полная компенсация фазового сдвига входных сигналов фазометра выполняется на частоте f тактового сиг1 нала канала 1 большей, чем частота

f тактового сигнала канала 2. Поскольку крутизна передаточных характеристик каналов фаэометра обратно пропорциональна частоте тактового сигнала, то точность фаэометра повышается за счет уменьшения погрешнос1597766 ти, обусловленной нестабильностью частот f. u f (1)азометр измеряет кумулятивный фазовый сдвиг двух радиоимпульсов, т„е..фазовый сдвиг g =2пР(с -t )+(р, 1 где F — частота заполняющих радиоимпульсы колебаний t u t — моЭ 2 менты времени, совпадающие с началом огибающих соответственно первого и второго радиоимпульсов; (р = уразность начальных фаз второго и первого радиоимпульсов соответственно.

Процесс измерения содержит два такта. В первом такте выполняется "грубая" компенсация фазового сдвига, а во втором такте (после момента t )—

"тонкая" компенсация (,) . Первый (опережающий) и второй радиоимпульсы поступают на входы и ер вог о и вт ор or o каналов соответственно, если t « >t, °

Под действием второго радиоимпульса в синтезаторе 7 на выходах 7.4, 7.6 и 7. 5 вырабатываются последовательности импульсов соответственно частот Е, =K„F, Е =К«Р и f =f /К„, где

К,, К, К вЂ” целые числа, прич ем . числа К«и К „являются взаимно простыми, например К =К +1, а К,=К „,=К в течение первого такта и К „) К в течение второго такта.

В первом такте под действием импульсов f„-K „,.F первый радиоимпульс, распространяясь в канале 1, к моменту t будет расположен в первых и его разрядах. Числу и соответствует, например, N -й отвод канала 2, так как каналы по числу разрядов идентичны. Число N определяется в вычитателе 8 путем квантования интервала (t -t >) импульсами с частотой заполнения первого радиоимпульса.

Кроме того, в вычислителе 8 определяется разность N =И „-N. Число N с выхода 8.5 вычислителя поступает на узел сравнения и через вычитатель 3— на управляющий вход коммутатора 5.

С помощью узла 15 сравнения число N сравнивается с числом N „(÷èñëî N поступает на второй вход узла сравнения от задатчика 14) . Выходной логический сигнал узла сравнения принимает значение "0", если М =И,, либо

"1", если М < N . С помощью мультиплексора 12 под действием выходного сигнала узла 15 сравнения коммутиру-( ется на его выход одно из чисел (00 либо 01), постоянно присутствующих на первом и четвертом выходах

25 п« п1ъ

+ 2||(— — — — -) .

К К, 30

В первом такте разность в круглых скобках равна нулю, так как К |),=К <.

Поэтому при С=1 (.) = (-2 н . Таким

40 образом, в первом такте выполнена

"грубая" компенсация фазового сдвига

В этом случае (1) (О, что указывает на наличие перекомпенсации, поскольку в результате большей за45 держки импульса первый импульс стал

его опережать.

Во втором такте выполняется компенсация оставшейся части (| = g-2 1| путем изменения частоты f Посколь50 ку V (О, то нуль-индикатор 6 по одному из выходов вырабатывает импульсный сигнал, под действием которого увеличивается частота f на вы1 ходе 7.4 и увеличивается число К на

55 выходе 7. 7 синтезатора 7. Разность фаз задержанных радиоимпульсов начинает уменьшаться, поскольку уменьшается задержка первого импульса. Как только она станет равной нулю, что

20 задатчика 14. Обозначим выходное число мультиплексора 12 через С. Тогда с помощью вычитателя 3 формируется разность N =N -С. Под действием числа N коммутатор устанавливается в положение, при котором N>-й выход канала 2 подключен к входу ФНЧ 10.

Далее в первом такте, начиная с момента и, второй радиоимпульс под действием импульсов частоты f с выхода 7.6 синтезатора записывается и продвигается в канале 2 от входа к его N>-му выходу 2.4. Таким образом, в каналах фазометра исходные радиоимпульсы под действием тактовых импульсов частот f, и f« задерживаются на времена соответственно

t„=n )) f и "в и ) f«, rpe n1=nîN,— число разрядов в канале 1; и =n N число разрядов в канале 2 от входа до Мэ-ro выхода. Разность фаз задержанных радиоимпульсов равна

|||=2||У(Е -t, )+21|Р(С, -t 1. )+ Ч =(||о+

Если принять в %TO n() -K < чтобы упростить дальнейшие формулы, то, подставляя и =К N =K (N,-N-С) и принимая во внимание, что и „=K "N,, получим

q ад+2 в (— — — - — ) — N-cj.. (2)

Г п1 и

1597766 соответствует полной компенсации, регулярное поступление импульсов рассогласования с указанного выхода прекращается. При этом частота f фиксируется, а К, на выходе 7.7 син1 тезатора 7 принимает значение, например, К,(т ° е. Ко, =К ) .

Подставляя в (2) К,=К,, ч =О получаем расчетное выражение

-iii<=2iI t(— > — — -) — М) -2fiC

Г и п1

К, К1

= 1+0-2ИС. (3)

Вычислитель 8 работает в соответствии с (3), определяя (у . Из (3) следует, что значение фазового сдвига на выходе 8.4 вычислителя отличается от истинного на 2liC. Коррекция а+на 27l C выполняется с помощью о задать:ика 14, мультиплексора 13 и вычитателя 4 следующим образом. Число 2 с второго выхода задатчика поступает на мультиплексор 13. С по- 25 мощью узла 15 сравнения вырабатывается сигнал управления мультиплексором 4. Под действием выходного сигнала узла 15 сравнения мультиплексор подключает на второй вход вычитателя . 30

4 либо число 2 н (если N< (N,), либо

О (если N =N ). Рассматриваемому случаю соответствует первое. С помощью вычитателя 4 формируется разность у" -27, равная измеряемому фао 35 зовому сдвигу у, которая индицируется индикатором 9. На этом работа фаэометра в первом режиме заканчивается. Всякое изменение сдвига фаз входных радиоимпульсов фазометра приводит к изменению К< и N описанным образом, а следовательно, и к изменению показания цифрового индикатора 9.

Во втором режиме процесс компенсации фазового сдвига происходит аналогично, но на более низкой промежуточной частоте Fo-F. Преобразование частоты заполнения исходных радиоимпульсов выполняется стробоскопическим способом под действием коротких импульсов частоты F поступающих с выхода 7 ° 5 синтезатора 7.

Кривые на фиг.2 поясняют .описанный процесс компенсации для конкретных соотношений чисел, входящих в (2), 55 а именно: . когда кумулятивные фазы радиоимпульсов равны ч,=24О, ы =768 (что соответствует.t, 0, tg=2/F, (p, =24, =48О) К =й /Г =15; число разрядов в каналах и =45; число отводов в канале 2 N 3. Фазы задержанных радиоимпульсов к концу первого такта работы фазометра отображены на фиг.2 точкой А для первого и точкой Б для второго радиоимпульса и т.д.

Выполняемая в течение второго такта

"тонкая" компенсация фазового сдвига задержанных радиоимпульсов отображена на фиг.2 стрелками от точки А до точки С по линии, соответствующей передаточной характеристике канала, с учетом зависимости +=2f((и, /f Ордината точки равна фазе задержанного второго радиоимпульса, а абсцисса равна значению К„. .Введенные дополнительно вычитатели, мультиплексоры, узел сравнения и задатчик кодов обеспечивают фазометру возможность повышения точности при увеличении значений кумулятивного фазового сдвига, если N — о > 3. о . т 2 юг

Для этого в задатчике кодов вместо кодовых чисел 2II и "1" устанавливают в целое число раз большие значения, но не более чем в (N-1) раз.

В этом случае по результату измерения фазового сдвига определяют число N, затем увеличивают коды на выходах "2 и "1" в a(раз и производят дополнительное измерение фазово го сдвига. При этом в формуле (3) вместо коэффициента С надо брать коэффициент Ы С, что соответствует повышению точности в соответствующее число раз.

Формула изобретения

Цифровой компенсационный фазометр, содержащий первый и второй каналы, коммутатор, два фильтра нижних частот и последовательно соединенные нуль-индикатор, синтезатор и вычислитель, а также цифровой индикатор, причем аналоговые входы коммутатора подключены к выходам второго канала, первый фильтр нижних частот включен между выходом коммутатора и первым входом нуль-индикатора, второй фильтр нижних частот включен между выходом первого канала и вторым входом нульиндикатора, первый и второй выходы синтезатора .подключены к первым тактовым входам соответственно первого и второго каналов, третий выход синтезатора подключен к вторым входам

159 7766

10 2

2Т д 5 7 г vz. Z первого и второг ные вхо ы о каналов сиг нальючены соотвх оды кот ор ых и од клю ветственно к первому и второму сигнальным входам в входами ф ь|числителя и азометра о т л и являются щийС я тем, что с е личаю— ния что, с целью повышея точности вв едены задатчик кодов т ели пер

ый и второй вычитапервый и вт орои мультиплексоры и узел сравнения п со 10 я, причем первый вычитатель входом подключен к первому выходу вычислителя еля, а выходом — к входу цифрового индикат вычитатель входом катора, второй ом подключен к вто ому выходу вычислит оро- 15 ителя, а выходом — к кодовым входам коммут татора, вторые входы первого о и второго вычитателей подсоединены к в выходам соответственно первого и вто р or o мул ьтипл е к с ор ов первый вхо з д у ла сравнения подключен

t я, первый к второму выходу вычислителя и второй выходы задатчика а кодов подсоединены к пе в р ым входам соответственно пе вог р о и второго мультиплексоров а т по ретии выход зачатчика кодов дсоединен к второму входу узла сравнения чет вертыи выход задатчика кодов по с д оединен к объединенным вто ым р входам мультиплексоров а выход зла у сравнения подключен к объединенным управлян ÷, н .им входам мультиплексоров.