Цифровой фазометр

 

Использование: радиоизмерительная техника, измерение сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами. Сущность изобретения: устройство содержит две входные шины, два усилителя-ограничителя , АЦП фаза-код, накопительный сумматор , сумматор, выходную шину, мультиплексор, блоки выбора поправки, блоки вычисления поправок, блок обнуления , выход синхронизации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

rsi)s G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4946262/21 (22) 17.06.91 (46) 30.04.93, Бюл, ¹ 16 (71) Львовский научно-исследовательский радиотехнический институт (72) В.Г.Елисеев, Ю.В.Галкин, Л.B.×èðêîâà и Е.Я.Ваврук (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 610029, кл. G 01 R 25/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР

¹ 879495, кл, G 01 R 25/00, 1981.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радиолокации и радионавигации для изме- . рения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами при наличии узкополосной аддитивной помехи, Цель изобретения — повышение точности определения сдвига фаз.

Сущность изобретения заключается в разделении измерений эа интервал накопления на измерения. приводящие к ошибке из-за разрыва фазы в точке 0 — 360, и не приводящие к такой ошибке. и в последующей компенсации ошибки. вносимой первой группой измерений, Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием блоков выбора поправки и вычисления поправок, а также их связей.

Сравнение заявляемого устройства с другими аналогичными устройствами показывает, что введение новых блоков и их связей дает воэможность значительно повысить точность определения сдвига фаз при небольших отношениях сигнал/шум.,. 5U, 1812521 А1 (54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР (57) Использование: радиоиэмерительная техника, измерение сдвига фаэ между двумя синусоидальными сигналами. Сущность изобретения; устройство содержит две входные шины, два усилителя-ограничителя, АЦП фаза-код, накопительный сумматор, сумматор, выходную шину, мультиплексор, блоки выбора поправки, блоки вычисления поправок, блок обнуления, выход синхронизации, 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.

Цифровой фазометр содержит первую 1 и вторую 2 входные шины, соединенные соответственно со входами первого и второго усилителей-ограничителей 3 и 4, выходы которых соединены со входами АЦП фаза-код

5, выходы которого соединены со входами накопительного сумматора 6, сумматор 7, выходную шину 8, мультиплексор 9, а также блоки выбора поправки 10 и вычисления поправок 11, входы которых соединены с выходом АЦП фаза-код 5, с шиной ТАКТ, с тактовым входом АЦП фаза-код 5, с тактовым входом накопительного сумматора 6 и с тактовым входом блока обнуления 12, выход которого соединен с собственным входом обнуления, с выходом синхронизации

13 и со входами обнуления накопительного сумматора 6, блока выбора поправки 10 и блока вычисления поправок 11, выходы последних двух соединены соответственно с управляющими и информационными входами мультиплексора 9, выходы которого соединены со второй группой входов сумматора 7, первая группа входов которого

1812521 соединена с выходами накопительного сумматора 6, а выходы — с выходной шиной 8.

Кроме того, в цифровом фазометре блок выбора поправки 10 выполнен в виде набора дешифрэторов и счетчиков, причем входы всех дешифраторов соединены с выходом АЦП фаза-код 5. а выходы — с входами разрешения с ета соответствующих счетчиков, счетные входы которых соединены с шиной ТАКТ, а выходы — с соОтветствующими входами управления мультиплексора 9.

Кроме того, в цифровом фазометре блок вычисления поправок 11 выполнен э виде набора дешифраторов и счетчиков. выходы последних из которых соединены с информационными входами мультиплексора Q, счетные входы — с шиной ТАКТ, а входы разрешения счета — с выходами соответствующих дешифраторов, входы которых соединены с выходами АЦП фаза-код 5.

Цифровой фазометр работает следующим образом.

Входные сигналы со входов 1 и 2 поступают через усилители-ограничители 3 и 4 на вход АЦП фаза-код 5, на выходе которого формируется код. пропорциональный сдвигу фаз Й между входными сигналами. В накопительном сумматоре 6 производится суммирование отдельных измерений Я на интервале времени, равном 2 периодам тактовых импульсов, Тактовые импульсы формируются в усилителе-ограничителе 3 или 4, в зависимости от того. куда поступает опорный сигнал, и с выхода АЦП фаза-код 5 поступают на шину ТАКТ. Таким образом вычисляется сумма 2" отдельных измерений

Й. За интервал времени, равный периоду накопления накопительного сумматора 6, в блоке выбора поправки 10 определяется такое значение сдвига фаз О.яор., которое не принадлежит области ЛО, охватывающей все возможные измерения Я, отличающиеся друг от друга на величину, не превышающую лаксимально допустимого разброса hp (hp < 360 ). Интервал накопления определяет блок обнуления 13; который может быть выполнен в аиде счетчика (например, 530

ИЕ17), выход старшего разряда которого формирует сигнал обнуления как самого счетчика, так и других блоков схемы. Блок выбора поправки 10 можно выполнить в виде набора дешифраторов и счетчиков.

Спектр всех возможных значений Я разбивается с помощью дешифраторов на несколько секторов. Счетчики определяют число измерений Я, входящих в выбранные сектора; зэ интервал накопления за счет того, что логический уровень на выходе дешифратора. разрешающий считывание тактовых импульсов. появляется только при попадании отдельного измерения 0> в сектор, определяемый данным дешифратором. Характер распределения отдельных измерений 9 по секторам, как будет показано ниже, дает возможность разделить все отдельные измерения за период накопления на измерения, приводящие к ошибке, связанной с наличием точки разрыва фазы 0—

360О, и измерения, не приводящие к подобной ошибке, Тактовые импульсы, синхронизирующие работу накопительного сумматора 6, блока выбора поправки 10, блока вычисления поправок 11 и блока обнуления 12, передаются из АЦП фаза-код 5, который транслирует их из усилителя-ограничителя. принимающего опорный сигнал. Блок обнуления 12 определяет интервал накопления, равный 2 тактовых импульсов, посредством формирования сигнала обнуления.

При этом предлагается следующая схема разбиения нэ сектора, Ширина каждого

25 сектора должна составлять 180 . Тогда лишь по одному выходу счетчика. определяющего количество измерений О .попавших в выбранный сектор, можно оценить: больше половины измерений Я попало в этот сектор, 30 или меньше половины. Так единичный уроr-1 вень на 2 выходном разряде счетчика свидетельствует о том, что число измерений 0,, попавших в выбранный сектор, превышает величину 2 /2, то есть превышает половину измерений Й за интервал накопления. Нулевой уровень на 2" 1 выходном разряде счетчика свидетельствует об обратном.

Теперь рассмотрим, какое количество и какое взаимное..расположение секторов не40 обходимо для однозначного определения бк.прр. при условии минимальных аппарэ-. турных затрат. Эти вопросы связаны с максимально допустимым разбросом Лр значений Я из-за воздействия шумов. В ка45 честве примера приведем следующую таблицу {табл. 1) где h,0- максимальная зона разброса измерений Я относительно истинного значе0 ния сдвига фазы 0 ;

Л- зона, не охватываемая зоной Л9

К вЂ” целое число зон h, укладывающихся в диапазоне 360О;

6<.пор. точки раздела областей значений Я на область 1 (область значений Я от о

0 до Ок.nop., приводящих к ошибке из-за наличия точки разрыва фазы 0 — 360 и область 11 (область значений 0 от О . ор, до

360О. не приводящих к ошибке).

1812521

Число К определяет минимальное количество значений О„.noð,, а IAI- максимальное расстояние между соседними Ок.пор

При выполнении этих условий для любого истинного значения сдвига фаз Оп всегда найдется такое Ок,«p., которое не будет охвачено разбросом Л О, что и необходимо для разделения всех значений Ol на области

1и11.

Для однозначного определения Л О(а, значит, и О .nop.) предлагается разбиение всего диапазона значений Q на К/2 секторов шириной 180 и сдвинутых друг относительно друга на величину Ill, причем первый сектор предлагается сместить нэ

IhI/2 относительно О,против часовой стрелки. Такое смещение первого сектора .. обусловлено выбором первого значения

Ок.пор,, равным О, при котором к значению, вычисленному накопительным сумматором

6, не потребуется добавления корректирующей поправки. Это позволяет уменьшить число узлов, определяющих величины поправок. с К штук до К-1 в блоке вычисления поправок 11. Для наглядности проведенных рассуждений приведем таблицу для

hр = 7 л/4 (габл, 2). Такое значение Ьр требует наличия 4 секторов (К/2 = 4, табл. 1), которые обозначим следующим образом:

С1С (л/8, 3 л/8), С2 = (Зл/8, 5 л/8), СЗЯ5 л/8, 7 л/8), С4е(7 л/8, 9л/8), В табл. 2 йули и единицы в строках С1, С2, СЗ и С4 свидетельствуют. больше (единица)

-. или меньше (нуль) половины измерений О попало в данный сектор. Табл. 2 наглядно демонстрирует однозначнооть соответст вия кода на выходах четырех счетчиков, определяющих количество измерений О,, попавших в соответствующие четыре сектора С1, С2. СЗ и С4, одному значению О . р.

Это значение дк.пор. и определяет границу раздела областей значений Q на области 1 и 11.

Для компенсации ошибки, вносимой измервниямй Я, попавшими в область 1 (0, Й .вор.), необходимо к каждому из этих значений О .добавить 360 . Эта операция эквимаентма переносу точки разрыва фазы 0—

366 в гочку 6 .пор, а так как @.«р. не принадлежит области Ьд, то в результате такого преобразования удается избавиться от ошибок, связанных с наличием разрыва фаЗЫ.

В предлагаемом устройстве компенсация ошибки накопительного сумматора 6 осущЕствляется путам добавления к его результфту величины пк 360, где пк — число отдельных измерений 9, попавших в область 1(0, Ar..nop.), Так как 9<,прр, может принимать несколько значений, в зависимости от величины Лр (табл. 1), то, следовательно, необходимо и несколько счетчиков для определения пк, Так, при Лр = 7л/8, О,,пор, мо5 жет принимать 8 значений (табл, 1), которые определяют семь областей 1: (О, л/4), (О, л/2), (0,3 л/4), (О, л), (0,5 л/4), (0,3 л/2), (0,7

a/4). Следовательно, необходимо 7 счетчиков. каждый из которых будет определять

10 число пк измерений Оп попавших в свою область. В зависимости от О,,пор, добавля.ется одна из семи поправок, Блок выбора поправки 10 позволяет определить Й<,п0р., что, в свою очередь, одно15 значно определяет, какую из поправок через мультиплексор 9 подать на вторые входы сумматора 7, Величина всех возможных поправок определяется в блоке вычисления поправок 11, который предлагается

20 выполнить в виде набора дешифраторов на все возможные области (О, Oic.nap.) и такого же количества счетчиков для определения

ng, Результат с выхода накопительного сумматора 6 поступает на первые входы сумматора 7. Код же числа пк подается на вторые входы, причем таким образом, чтобы младший разряд числа и, соответствовал разряду с ценой 360 . То есть на выходе

30 ñóììàòîðà 7 получается результат

2 -

Г

Og =, Г 8j+ïê.360 =о

Откинув от него r младших разрядов, пол35 учим искомую среднюю оценку сдвига фаз

О= Oz/2", Предложенная структура построения цифрового фазометра позволяет значительно повысить точность определения дпри небольших отношениях сигнал/шум за счет добавления поправок, компенсирующих ошибку усреднения, возникающую вследствие наличия точки разрыва фазы Π— 360 .

Для определения предполагаемого эко45 номического эффекта от внедрения предложенного фазометра сравним его с базовым устройством ШПИР. 461314.001, в котором реализован прототип. Рассмотрим случай, когда выход АЦП фаза-код четырехразряд50 ный, число выборок за интервал накопления не превышает 16. а дисперсия случайной величины Й составляет GO=at/6. В этом случае для реализации устройства по структурной схеме прототипа потребуется 24 микросхемы. При этом максимальная ошибка д определения сдвига фаз Осоставит:

1 д1 I =сгО/16+Ьр, Р =180/

/16 6+45 0,067 =5 град, 1812521

Таблица 1

В предлагаемом варианте для реализации устройства с допустимым разбросом

Ьр = 2 x/3 потребуется 16 микросхем, Причем максимальная ошибка д составит;

1 дг = аф16+ 6„. V> =

=180/616+18010 =3 град, где Р > и Pz — вероятности отклонений измеренных значений Q от истинного значения сдвига фаз на величину превышающую

А(И и Ь рг соответственно, при заданной дисперсии о =.л/6. Величины Р1 и Pz определены по таблице приложения 1.

Из сборника "Обмен опытом в радиопромышленности" известно соотношение:

Т2/Т1 Б2/Б1 ЙК 4с2)С1 (1) где К вЂ” коэффициент, устанавливающий нижний порог эффективности, который можно принять равным единице;

С2, Т2, Б2 и С1, Т1, Б1 — стоимости, точности и быстродействия базового и предлагаемого устройств соответственно..

Согласно формуле (1) определим эквивалентную стоимость С2 базового образца при достижении им параметров предлагаемого устройства;

С2" = (Т2!Т1)) Б2 С1/Б1 =

= (5/3) 1 24 = 67 р

Здесь отношение Б2/Б1 принято равным 1. так как по быстродействию предлагаемое . устройство не уступает базовому, а С1 определено как С1 = 18 Сср, где Сср — средняя стоимость микросхем (принята Сср = 1,5 р).

Экономический эффект теперь можно определить по формуле:

Э = С2" — С1 = 67 — 27 = 40 р/шт

Формула изобретения

1, Цифровой фазометр, содержащий первую и вторую входные шины. соединен. ные соответственно с входами первого и второго усилителей-ограничителей. выходы которых соединены с входами аналого-цифрового преобразователя (АЦП) фаза-код, выходы которого соединены с входами накопительного сумматора, сумматор, выходную шину, мультиплексор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в

5 него введены блоки выбора поправки и вычисления поправок, входы которых соединены с выходом АЦП фаза-код, с шиной "Такт", с тактовым входом АЦП фаза-код. с тактовым входом накопительного сумматора и с

10 тактовым входом блока обнуления, выход которого соединен с собственным входом обнуления, выход которого соединен с собственным входом обнуления, с выходом синхронизации и с входами обнуления нако15 пительного сумматора, блока выбора поправки и блока вычисления поправок, выходы последних двух соединены соответственно с управляющими и информационными входами мультиплексора, выходы

20 которого соединены с второй группой входов сумматора, первая группа входов которого соединена с выходами накопительного сумматора, а выходы — с выходной шиной.

2. Фазометр по и. 1, о т л и ч а ю щ и й25 с я тем, что блок выбора поправки выполнен в виде набора дешифраторов и счетчиков, причем входы всех дешифраторов соединены с выходом ALLA фаза-код, а выходы — с входами разрешения счета соответствую30 щих счетчиков, счетные входы которых соединены с шиной "Такт", а выходы — с соответствующими входами управления мультиплексора..

3. Фазометр по и, 1, о т л и ч а ю щ и й35 с я тем, что блок вычисления поправок выполнен в виде набора дешифраторов и счетчиков, выходы последних из которых соединены с информационными входами мультиплексора, счетные входы — с шиной

40 "Такт", а входы разрешения счета — с выходами соответствующих дешифраторов, входы которых соединены с выходами АЦП фаза-код.

1812521

Таблица 2

Составитель А. Старостина

Техред М,Моргентал Корректор С. Юско

Редактор

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

Заказ 1574 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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