Цифровой фазометр

 

Изобретение может быть использовано для построения высокочастотных фазоизмерителей. Цель изобретения - расширение частотного диапазона в сторону высоких частот . Устройство содержит блоки 1 и 2 стробирования, стабилизаторы 3 и 4 уровня, преобразователи 5 и 6 частоты, фильтры 7 и 8, нуль-индикатор 9, меру 10 фазовых сдвигов , цифровой индикатор 11, аналогоцифровой преобразователь 12, преобразователь 13 частота-код, блок 14 микропроцессорной обработки, цифроаналоговые преобразователи 15 и 16, управляемый генератор 17 и формирователь 18 стробирующих импульсов. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s 6 01 R 25/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4818451/21 (22) 23.04.90 (46) 07.07.92. Бюл. М 25 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В.Н.Шпилька (53) 621.317.77 (088,8) (56) Патент США 1ч1 3334305, кл. 328-151, 1967.

Авторское свидетельство СССР

М 759980, кл. G 01 R 25/08, 1978. (54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР (57) Изобретение может быть использовано для построения высокочастотных фазоизмерителей. Цель изобретения — расширение частотного диапазона в сторону высоких частот, Устройство содержит блоки 1 и 2 стробирования, стабилизаторы 3 и 4 уровня, преобразователи 5 и 6 частоты, фильтры 7 и

8, нуль-индикатор 9, меру 10 фазовых сдвигов, цифровой индикатор 11, аналогоцифровой преобразователь 12, преобразователь 13 частота-код, блок 14 микропроцессорной обработки, цифроаналоговые преобразователи 15 и 16, управляемый генератор 17 и формирователь 18 стробирующих импульсов. 3 ил.

1746326

20

30 обработки.

45

55

Изобретение относится к фаэоизмерительной технике и может быть использовано, при создании высокоточных цифровых фаэометров для широкого диапазона высоких частот, Известные фазометры, работающие в диапазоне высоких частот, например ФК212 СССР, модель 8405А фирмы HEWLETTPACKARD США, содержат стробирующие устройства, управляемый генератор стробирующих импульсов и систему фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора, выполняющие стробоскопические преобразование временного масштаба входных сигналов, а также усилители-ограничители и триггерный преобразователь фазового сдвига преобразованных сигналов во временной интервал.

Недостатком таких фаэометров является их низкая точность. Кроме того, при работе фазометра в широком диапазоне частот требуется ручная настройка и контроль работы системы фазовой автоподстройки частоты.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой фазометр. содержащий включенные последовательно в каждом канале блока стробирования, анапого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, а также систему формирования стробирующих импульсов, состоящую из делителя час тоты, цифроаналогового преобразователя, генератора пилы, компаратора и формирователя стробирующих импульсов, выполняющих линейное преобразование временного масштаба входных сигналов и вычитание измеряемого и компенсирующего фазовых сдвигов. Соединенные между собой нуль-индикатор, мера фазовых сдвигов и цифровой индикатор обеспечивают создание прецизионного значения компенсирующего фазового сдвига, равного измеряемому, и индикацию результатов измерения.

Недостатком такого фазометра является ограничение верхней границы диапазона частот десятками мегагерц(п рактически достигнута верхняя граница диапазона частот

200 кГц в фаэометре Ф5131). Кроме того, один из входных сигналов поступает на делитель частоты, поэтому фаэометр имеет различные входные импедансы по каналам, что приводит к дополнительным погрешностям включения при измерении фазового сдвига.

Цель изобретения — расширение частотного диапазона входных сигналов фазометра в сторону высоких частот, Цель достигается тем, что в фазометр, содержащий два блока стробирования, первые входы которых являются входами фаэометра, вторые входы подключены к выходу формирователя стробирующих импульсов, фильтры. выходы которых подключены через нуль-индикаторов и меру фазовых сдвигов у к цифровому индикатору, аналого-цифровой и два цифроаналоговых преобразователя дополнительно введены управляемый генератор. блок микропроцессорной обработки, преобразователь частота-код, два стабилизатора уровня и два преобразователя частоты, причем выход каждого блока стробирования через последовательно соединенные стабилизатор уровня и первый вход преобразователя частоты подключен к входу фильтра, вторые входы преобразователей частоты подключены к выходам меры фазовых сдвигов, входы блока микропроцессорной обработки через параллельно включенные аналого-цифровой преобразователь и преобразователь частота-код подключены к выходу одного из блоков стробирования, а его выходы через параллельно включенные цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемого генератора, выход которого подкл юче н к входу форм ировател я стробирующих импульсов.

На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового фазометра; на фиг. 2 — пример выполнения блока микропроцессорной обработки и его подключение; на фиг, 3 — алгоритм работы блока микропроцессорной

Фазометр содержит блоки 1 и 2 стробирования, соединенные с входами фазометра, к выходам которых последовательно подключены стабилизаторы 3 и 4 уровня, преобразователи 5 и 6 частоты. фильтры 7 и

8, выходы которых через нуль-индикатор 9 и через меру 10 фазовых сдвигов соединены с цифровым индикатором 11, выходы меры 10 фазовых сдвигов соединены также с вторыми входами преобразователей 5 и 6 частоты.

Кроме того, один из блоков стробирования соединен с параллельно включенными аналого-цифровым преобразователем 12 и преобразователем 13 частота-код, выходы которых через блок 14 микропроцессорной обработки и параллельно включенные цифроаналоговые преобразователи 15 и 16 соединены с входами управляемого генератора 17, выход которого через формирователь 18 стробирующих импульсов соединен с вторыми входами блоков 1 и 2 стробирования, Блок 14 микропроцессорной обработки имеет стандартную конфигурацию и связи, 1746326

sin где К= — масштабный 0ст

55 характерные для любых микропроцессорных устройств, и содержит процессор (ЦП), оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства и устройства вводавывода (УВВ). На фиг, 2 показана такая стандартная конфигурация и для примера указаны микросхемы, которые могут использоваться при практической реализации блока 14. Соединение микросхем в процессоре приведено в известной литературе.

В постоянно запоминающем устройстве хранится управляющая программа, реализующая приведенный пример алгоритма или другой алгоритм, обеспечивающий автоматическую настройку частоты управляемого генератора 17, Коды частоты и напряжения, поступающие с аналого-цифрового преобразователя 12 и преобразователя 13 частота-код через устройства ввода-вывода, а также коды, управляющие частотой генератора 17, хранятся в оперативном запоминающем устройстве, Процессор выполняет управление блоком 14 по заданному алгоритму.

Фазометр работает следующим образом.

Входные периодические сигналы, фазовый сдвиг у х основных гармоник которых

Овх1 = U1S1n(с0вх t + Px), Овх2 = U2sln õ 1 необходимо измерить, поступает на входы блоков 1 и 2 стробирования, на вторые входы которых поступают короткие импульсы с

ЧаСтОтОй С0с, И фИКСИруЮт В ОбЕИХ КаНапаХ фаэометра мгновенные значения (производят выборки) входных сигналов, При этом основные гармоники входных сигналов преобразуются в сигналы вида

Опч1= О1КСоэ((Г0,х - m Вс )С+ АР+ AP), Опч2 = U2Kcos((c0sx m гдст)с + AP, коэффициент;

Лу) =x(N — — ) — аддитивный дополWx 0ст нительный фазовый сдвиг;

m =1,2...

Аналого-.цифровой преобразователь 12 и преобразователь 13 частота-код формируют на выходах коды, соответствующие среднему значению напряжения, например О2К, и частоты авх - m вст одного иэ выходных сигналов блока стробирования. Блок 14 микропроцессорной обработки анализирует по заданному алгоритму коды частоты и

УРовнЯ пРеобРазованного сигнала Опч2 и с

35 помощью цифроаналоговых преобразователей 15 и 16 формирует управляющие воздействия, устанавливающие чувствительность управляемого генератора 17 и изменяющие частоту его выходных импульсов. а следовательно, и частоту стробирующих импульсов таким образом, чтобы значение частоты преобразований основной гармоники входного сигнала стремилось к постоянному заданному значению, т.е, с0х — m Г0„= С0„чСОПЗ1.

Критерием преобразования именно основной гармоники является максимум среднего значения преобразованного сигнала, что исключает формирование на выходе блоков 1 и 2 стробирования сигналов промежуточной частоты и ч, полученных в результате преобразования высших гармоник . входных сигналов, при котором обеспечиваЕтСя УСЛОВИЕ Вч = I (0вх — m Г0ст, где = 2,3... — номер гармоники входного сигнала.

При изменении частоты аЪх в широких пределах (" " > 100) значение m изменяс0вхмин ется также в широких пределах, поэтому для повышения точности регулирования и т используется изменение чувствительности характеристики преобразования управляемого генератора 17 в зависимости от значения m. Это также позволяет автоматически настраивать управляемый генератор 17 в широком диапазоне частот входных сигналов.

Алгоритм работы блока 14 микропроцессорной обработки приведен на фиг. 3.

Максимальная крутизна преобразования частоты, а следовательно, и крутизны управления генератора 17 равна

S = = 1 (при m = 1).

Ласт

+Wx

При увеличении m крутизна уменьшается. В приведенном алгоритме (фиг.3) вначале устанавливается максимальная крутизна управления частотой генератора 17 (S = 1) и производится изменение частоты генератОра 17 От астмин = Ивхмин - Впч дО С0стмвхс=

= 2 С0вхмин - апч, АНаЛИЗИруя ЗНаЧЕНИя ПрОмежуточной частоты апч, а точнее монотонность изменения этой частоты, уменьшается крутизна управления частотой генератора 17 до получения монотонной зоны (второй замкнутый цикл алгоритма).

Получение монотонной зоны свидетельствует о правильном выборе значения m в выражении

Wx П1 с0ст =с0пч °

Таким образом, не требуется измерять крутизну управления частотой генератора

1746326

17, хотя принципиально такая возможность есть. Между управляющим кодом, например цифроаналогового преобразователя

16 и крутизной (чувствительностью) генератора 17, существует однозначная зависимость, Алгоритм управления предполагает скачкообразное увеличение крутизны до максимального значения (S = 1); если не выполняется условие мпч мин < ипч < г0пчмакс

В этом случае происходит переход в начало алгоритма управления и устанавливается

S - 1 (на фиг. 3 этот переход указан), Таким образом, предложенный алгоритм в процессе автоматической настройки предполагает уменьшение крутизны управления частотой генератора 17 от максимального значения до требуемого (определение m), а затем точную настройку частоты генератора 17 в режиме слежения, при которой вч- сопзт, контролируется при этом выполнение условия впчми, <

Стабилизаторы уровня формируют на выходах сигналы промежуточной частоты в,ч с постоянными средним значением напряжения Un — const, которые поступают на входы преобразователей 5 и 6 частоты. На вторые входы преобразователей 5 и 6 частоты поступают напряжения с меры 10 фазового сдвига, основные гармоники которых равны

Ом! = UMs n (й м t+ pk).

U z = U sin вм t, где p< — компенсирующий фазовый сдвиг, Фильтрами 7 и 8 их выходных сигналов преобразователей 5 и 6 частоты выделяются гармонические составляющие

Оф = Upspin((w> - вм) + р -p+ h,p)>

Оф2 = Uysln((co< - г6м)т+ Лp).

Разность фаз < выходных напряжений меры 10 фазовых сдвигов изменяется при помощи управляющих сигналов нуль-индикатора 9.

При дости)кении синфаэности напряжений на входе нуль-индикатора 9 выполняется равенство ук = p<, т.е. измеряемый фазовый сдвиг р< равен компенсирующему фазовому сдвигу р<, который и индицирует25

55 ся цифровым индикатором как результат измерения.

Меры фазовых сдвигов на основе триггерных пересчетных схем формируют прецизионные значения компенсирующего фазового сдвига с требуемой дискретностью, например 0,01О.

Таким образом, применение системы формирования стробирующих импульсов на базе блока микропроцессорной обработки совместно с аналого-цифровым преобразователем, преобразователем частота-код и цифроаналоговыми преобразователями позволяют расширить диапазон частот входных сигналов фазометра, работающего в автоматическом режиме, до десятков гигагерц, обеспечить идентичные высокие входные импедансы (входную емкость— единицы пикофарад, входное сопротивление — сотни килоом).

Формула изобретения

Цифровой фазометр, содержащий два блока стробирования, первые входы которых являются входами фаэометрэ, вторые входы подключены к выходу формирователя стробирующих импульсов, два фильтра, выходы которых подключены через нуль-индикатор и меру фазовых сдвигов к цифровому индикатору, аналого-цифровой и два цифроаналоговых преобразователя, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона в сторону высоких частот, в него введены управляемый генератор, блок микропроцессорной обработки, преобразователь частота — код, два стабилизатора уровня и два преобразователя частоты. причем выходы первого и второго блока стробирования соответственно через последовательно соединенные первый стабилизатор уровня и первый вход первого преобразователя частоты, второй стабилизатор уровня и первый вход второго преобразователя частоты подключены соответственно к входам первого и второго фильтров, вторые входы преобразователей частоты подключены к первому и второму выходам меры фазовых сдвигов, входы блока микропроцессорной обработки через аналого-цифровой преобразователь и преобразователь частота-код подключены к выходу одного из блоков стробирования, а его выходы через первый и второй цифроаналоговые преобразователи подключены к первому и второму входам управляемого генератора, выход которого подключен к входу формирователя стробирующих импульсов.

1746326

174632б

Составитель В. Шпилька

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л. Бескид

Редактор Г. Гербер

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2393 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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