Способ измерения сдвига фаз и устройство для его осуществления

 

{ 72) Автор изобретения

М.К.Чмых (7I ) Заявитель

Красноярский политехнический институт.. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА фАЗ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения сдвига фаз с повышенной точностью и помехоустойчивостью.

Известен способ измерения сдвига фаз, основанный на ортогональной обработке, заключающийся в том, что формируют квадратурные составляющие опорного сигнала, перемножают интег1О рируют и вычисляют результаты измерения (1) .

Недостатком известного способа является низкая точность измерения.

Известен также способ измерения ез сдвига фаз, заключающийся в том,что ограничивают измеряемый сигнал, формируют сдвинутые во времени импульсные последовательности, выделяют импульсы, соответствующие передним фронтам ограниченных измеряемых сигналов, совпавших с соответствующими импульсными последовательностями,умножают на коды чисел, соответствующих синусам и косинусам импульсных ,последовательностей, накапливают результаты умножения и вычисляют результат измерения (2j .

Недостаток известного способа— большая погрешность измерения.

Известно устройство для осуществления способа измерения сдвига фаз, содержащее генератор опорного напряжения, квадратурный фазовращатель, перемножители, интеграторы, блок вычисления отношения двух сигналов и тригонометрический преобразователь Г3).

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, связанная с особенностями реализации операций способа.

Известно также устройство для осуществления способа измерения сдвига фаз, содержащее ограничитель измеряемого сигнала, генератор опорного напряжения, формирователь опорных импульсных последовательностей, ре928252

35

3 версивные счетчики, постоянный запоминающий блок, перемножители, блок управления и арктангенсный вычислительный блок (4).

Недостаток известного устройствабольшая погрешность измерения особенности при больших отношениях сигнал/ шум.

Целью изобретения является повышение точности измерения, при любом lO отношении сигнал/шум.

Поставленная цель достигается тем, .что в способе измерения сдвига фаз, заключающемся в том, что ограничивают измеряемый сигнал, формируют сдвину- I5 тые во времени импульсные последовательности, умножают их на коды чисел, соответствующих синусам и косинусам импульсных последовательностей, накапливают результаты умножения и вычисляют измеренное значение фазового сдвига, опорные импульсные последовательности перемножают с ограниченным измеряемым сигналом, сформированные в результате перемножения интервалы времени заполняют счетными импульсами, количество которых подсчитывают. !

Устройство для осуществления способа, содержащее ограничитель измеряемого сигнала, генератор опорного напряжения, формирователь опорных импульсных последовательностей, реверсивные счетчики, постоянный запоминающий блок, перемножители, блок управления и вычислительный блок, причем генератор опорного напряжения соединен с входом формирователя опорных импульсных последовательностей и входом блока управления, выходы

40 реверсивных счетчиков соединены с соответствующими входами перемножителей, выходы которых соединены с входами вычислительного блока, управления соединен с входом постоянного запоминающего блока, выход которого соединен с входами перемножителей, снабжено двумя группами погическйх элементов и генератором импульсов, причем входы первой группы логических элементов соединены с выходами ограничителя измеряемого сигнала и генератора опорного напряжения, входы второй группы логических .элементов - с выходами первой группы логических элементов и выходами формирователя опорных импульсных последовательностей, а выходы.- с соответст-, вующими входами реверсивных счетчиков, другие входы которых соединены с генератором импульсов.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 — эпюры напряжений в различных точках устройства.

Устройство содержит ограничитель

1, генератор 2 опорного напряжения, формирователь 3 опорных импульсных последовательностей, логические элементы 4-6-1, - б-п,7-1, — 7-п, блок

8 управления, реверсивные счетчики

9-1, -, 9-п, 10-1, - 10 п, генератор

1t импульсов, перемножители 12 и 13, постоянный запоминающий блок 14, вычислительный блок 15, причем ограничитель 1 соединен со входами логических элементов 4 и 5, генератор 2 опорного напряжения — со вторыми входами логических элементов 4 и 5 и со входом формирователя 3 опорных импульсных последовательностей, выходы логических элементов 4 соединены со входами логических -элементов 6-1,— б-п, выходы логического элемента 5 соединены со входами логических элементов 7-1, — 7-п, логические элементы 6-1, — б-п, 7-1, — 7-и по другим входам подключены к выходам формирователя 3 опорных импульсных последовательностей 4, выходы логических элементов 6-1, — б-п, 7-1, - 7-п подключены ко входам реверсивных счетчиков 9-1,-9-п, 10-1, — 10-п, блок 8 управления подключен к логическим элементам 6- l,-б-п, 7-1,-7-п, .и генератор 11 импульсов подключен к реверсивным счетчикам 9--1,-9-п, 10-1,10-и и выходы реверсивных счетчиков

9-1,-9-п, 10-1,-10-п подключены к перемножитеяям 12 и 13, выход постоянного запоминающего блока 14 подключен к перемЮожителям 12 и 13, выходы которых подключены к вычислительному блоку.

Устройство работает следующим образом.

8ходной измеряемый сигнал поступает на ограничитель 1, с выхода ограничителя снимаются ограниченные прямоугольные импульсы (фиг. 2а).Эти импульсы подаются на логические элементы 4 и 5. Опорный сигнал формируется генератором 2 опорного напряжения, причем генератор 2 формирует квадратурмые составляющие ограниченного опорного сигнала (фиг. 2б и в).

Прямоугольные импульсы, соответствующие синусоидальной составляющей SOS(C) 92825

Для уменьшения погрешности нужно исключить из опорного сйгнала нечетные гармоники. Полностью это сделать невозможно. В данном случае с увеличением Р, их число уменьшается.

Так, при Р=t0 исключается З-я, 5-я и 7-я гармоники. При Р=14 исключается еще дополнительно 9-я и ll-я гармоники ° Исключение гармоники наглядно вытекает из спектрального разложения аппроксимированной сину- 4 соидальной функции. Следует заметить, что для осуществления способа можно использовать и иные структуры импульсных последовательаноей, но использованные в данном устройстве минимизируют обьем аппаратуры (число логических элементов и реверсивных счетчиков). Далее импульсные последовательности с выхода формирователя .3 поступают на вторую группу логичес50 ких элементов 6-1,-6-п, 7-1,-7-п.

Сигналы с выходов логических элементов 6- l,-б-п, 7- 1-7-и поступают на управление реверсивных счетчиков

9- 1 -9-и 10- 1 - 10-п, на счетные

У 1

55 входы которых подаются счетные импульсы от генератора 11 импульсов.

Реверсивные счетчики 9- 1-9-п, 10- 1- 10-п осуществляют алгебраический

5 (фиг.2в) поступают на логический элемент 5, а импульсы, соответствующие косинусоидальной составляющей

sos(t) (фиг. 2б) - на логический weмент 4. С выходов логических элементов 4 и 5 снимаются две последовательности прямоугольных импульсов, у первой (фиг. 2-4а, фиг. 2-5a) логические единицы соответствуют промежуткам совпадений полярностей входных импуль-10 сов, у второй (фиг. 2-4б, фиг.2-5б )логические единицы соответствуют промежуткам, в течение которых не совпадают полярности, импульсные последовательности с выхода логического элемен45 та 4 подаются на входы логических элементов 6- l,-б-п, с выхода логического элемента 5 - на входы логических элементов 7-1,-7-п. На дополнительные входы логических элементов 6-1, — 6-n?e импульсные последовательности подаются с формирователя 3. Данные импульсные последовательности характеризуются следующим: период опорного сигнала разбивается на P интервалов. С при- %5 вязкой к данным интервалам формируются симметричные прямоугольные импульсные последовательности.

2 6 подсчет числа импульсов, поступивших на вход в моменты действия на его управляющих входах импульсов с выходов логических элементов второй группы 6-1,-6-п, 7-1-,-7-п. Подсчет импульсов производится в течение ограниченного времени измерения, определяемого блоком 8 управления. По окончании измерения коды чисел с реверсивных счетчиков 9- 1,-9-п, 10- 1;-"

- 10-и поступают на перемножители 12 и 13, в которых осуществляется перемножение кодов чисел с реверсивных счетчиков 9-1-9-п, 10- 1-10-и на коды чисел, формируемых постоянным запоминающим блоком 14, которые соответствуют значениям синуса и косину- . са опорного сигнала в момента, соответствующие серединами опорных импульсных последовательностей. По результатам перемножения результат измерения определяется в арктангенсном вычислителе.

Способ обеспечивает измерение сдвига фаз со случайной погрешностью при воздействии нормальных шумов, близкой к минимальной, реализуемой при измерении при любом отношении сигнал/шум. Систематическая е погрешность имеет место, но она значительно меньше, чем систематическая погрешность в известном способе . Так при P=10 систематическая погрешность в известном способе при больших ото ношениях сигнал/шум более lO . При

Р=14 систематическая погрешность не превышает 0,1 при любом отношении сигнал/шум. При. увеличении числа P разбиений периода опорного сигнала на интервалы систематическая погрешность может быть уменьшена до любого минимф ьного значения. От количеств выбранного P зависит число логических узлов и реверсивных счетчиков и.

При P=10 количество п=2, при P=14-n=

=3, что вполне приемлемо при реализации способа, т.е. обеспечение погрешности на уровне O,l доле градуса не приводит к значительному усложнению устройства для осуществления способа.

Итак, технико-экономический эффект изобретения заключается в повышении точности измерения сдвига фаз и широком диапазоне отношений сигнал/шум и при воздействии помех любого вида.

При сравнении с известным способом пои выборе одинакового количества разбиений периода на временные интерва- >

928252 лы, например, Р=10 систематическая погрешность уменьшается от величины, превышающей 10 до 0,1 .

Формула изобретения

1, Способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том,что ограничивают измеряемый сигнал, формируют сдвинутые во времени импульсные последова- 10 тельности, умножают их на коды чисел, соответствующих синусам и косинусам импульсных последовательностей, накапливают результаты умножения и вычисляют измеренное значение фазового сдвига, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, опорные импульсные последовательности перемножают с ограниченным измеряемым сигналом, сформированные в ре-2о зультате перемножения интервалы времени заполняют счетчными импульсами, количество которых подсчитывают.

2. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее ограни- 25 читель измеряемого сигнала, генератор опорного напряжения, формирователь опорных импульсных последовательностей, реверсивные счетчики, постоянный запоминающий блок,перемножители,блок З0 управления и вычислительный блок, причем генератор опорного напряжения соединен с входом формирователя опорных импульсных последовательностей и входом блока управления выходы реВ 3S версивных счетчиков соединены.с соответствующими входами перемножителей, выходы которых соединены с входами вычислительного блока, блок управления соединен. с входом постоянного запоминающего блока, выход которого соединен с входами перемножителей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повь1шения точности, оно снабжено двумя группами логических элементов и генератором импульсов, причем входы первой группы логических элементов соединены с выходами ограничителя измеряемого сигнала и генератора опорного напряжения, входы второй группы логических элементов - с выходами первой группы логических элементов и выходами формирователя опорных импульсных последовательностей, а выходы — с соответствующими входами реверсивных счетчиков, другие входы которых соединены с генератором импульсов.

Источники информации, принятые во внимание. при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 174711, кл. 6 01 R 25/00,24.03 ° 64.

2. Драбкин Р.Л. Оптимальный метод измерения фазы сигнала.- "Вопросы радиоэлектроники". Сер. Х. "Техника радиосвязи", 1965, вып. 3, с. 94-104.

3. Пестряков 3.Б. Фазовые радиотехнические системы. — "Советсткое радио", М,, 1968, с. 379.

4. Драбкин Р,Л. Построение оптимального измерителя фазы.-"Вопросы электроники". Сер. Х. "Техника радио.. связи", 1967 вып. 5, с. 143-149.

928252

Составитель Н.Areeea

Редактор Т.Парфенова Техред M. Рейвес Корректор Н.Швыдкая

Закаэ 3229/56 Тираж 719 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4