Аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз

 

Союз Советсннк

Социалистических

Рес убпнк

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ нл 955519 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву 9 788376 (22) Заявлено 130381 (21) 3260738/18-21 с присоединением заявки М— (23) Приоритет— (51) М. Кл.з

Н 03 К 13/20

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 325 (088. 8) Опубликовано 300882, Бюллетень М 32

Дата опубликования описания 300882 (72) Авторы изобретения

10.A. Смагин, Н.П. Смирнова, Е..Ф. Трифонов и М.П. Шадрин

Пензенский завод-ВТУЗ прн заводе ВЭМ (фнлВНП

Пензенского политехнического институт (71) Заявитель. к

З (54) АНАЛОТЪ-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

СДВИГА ФАЗ

Изобретение относится к аналогоцифровой технике и может быть использовано в устройствах преобразования сдвига фаз двух электрических сигналов в цифровой код.

По основному авт. св. 9 788376 известен аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз, содержащий генератор образцовой частоты, .два ключа периода и временного сдвига, два формирователя исследуемых сигналов, блок выбора режима, двоичный делитель частоты, состоящий из двух счетчиков и элементов И, блок функционального преобразования частотного сигнала, содержащий двоичный умножитель частоты, счетчик результата и блок задания начальных точек аппроксимации, причем выходы формирователей подключены к входам блока выбора режима, входы обоих ключей соединены с выходом генератора образцовой частоты, а управляющие входы — с первым и вторым выходами блока выбора режима, а выходы— соответственно с входами первого и второго счетчиков, входы элементов И соединены с выходами первого счетчика, выходы = с входами второго счетчика, а управляющие входы — соответственно с третьим выходом блока выбора режима и выходом второго счетчика, вход блока функционального преобразования».частотного сигнала соединен с выходом второго счетчика f1) .

Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон преобразования в код малых сдвигов фаз из-за большой погрешности дискретности при цифровом измеренйи короткого интервала времени "„ °

Цель изобретения — расшиерение диапазона преобразования в сторону малых сдвигов фаэ при обеспечении требуемой погрешности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз, содержащий первый и второй, счетчики, два формирователя, выходы которых подключены к входам блока выбора режима, два ключа периода и временного сдвига, входы которых соединены с выходом генератора образцовой частоты, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходами блока выбора режима, а выходы— соответственно с входами первого

ЗО и второго счетчиков, входы пер955519

25 вых элементов И соединены с выходами, первого счетчика, выходы — с входами второго счетчика, .а управ- 1 ляющие входы — соответственно с третьим выходом блока выбора режима и выходом второго счетчика, и 5 блок функционального преобразования частотного сигнала, вход которого соединен с выходом второго счетчика, введены счетчик тактов, реверсивный счетчик, вторые эле- 10 менты И, формирователь импульсов и три триггера, входы первого и второго триггеров соединены с выходами входных формирователей, выходы их подключены к входам третьего триггера, причем выход первого триггера через счетчик тактов и формирователь иглпульсов соединен с блоком выбора режима и управляющим входом вторых элементов И, выходы последних подключены к входам первого счетчика, а входы через реверсивный счетчик — к выходам третьего триггера, выход генератора,образцовой частоты соединен с третьим входом реверсивного счетчика.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 — графики зависимости g„ =f(Ò„); на фиг. 3— временные диаграммы era работы.

Аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз содержит генератор 1 образцовой частоты, формирователи 2 и 3 импульсов исследуемого и опорного сигналов, триггеры .4. — 6, ключ 7 временного сдвига, блок 8 выбора З5 режима, ключ 9 периода, счетчик 10 тактов, формирователь 11 импульсов, реверсивный счетчик 12, вторые элементы И 13, двоичный делитель 14 частоты, состоящий иэ первого счет- 40 чика 15, первых элементов И 16, второго счетчика 17, а также блок 18 функционального преобразования частотного сигнала, состоящий из двоичного умножителя 19 частоты, блока 20 45 задания начальных точек аппроксимации и счетчика 21 результата.

Работа устройства при измерении малых сдвигов фаз основана на и цифровых измерениях сопрокасающихся интервалов времени (Т„ + х) и (1 х- „) и вычитании последних из первых. Считая значение nt„известным в функции его величины, осущес 1влявт аппроксимацию гиперболичесп 1. х кой зависимости „ = Т экспоненх циальными участками.

При преобразовании в код больщих сдвигов фаз осуществляют цифровое измерение одного интервала ь „„ и, 60 с гитая известным в функции его величины, производят аппроксимацию гиперболической зависимости экспоненциальными участкаМ 65 ми, т.е. работа преобразователя в этом случае аналогична работе известного преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии ключи 7 и 9 закрыты, счетчики 12, 15 и 17 находятся в нулевом состоянии, в управляющий счетчик двоичного углножителя

19 частоты записывается некоторое число г1, определяемое диапазоном и точностью аппроксимации, в счетчик21 результата заносится число N „, соответствующее максимальному значению измеряемого сдвига фаз q „ .

На входы формирователей 2 и 3 импульсов поступают напряжения исследуемого U„ и опорного Uo сигналов. На выходе этих формирователей вырабатываются управляющие импульсы, время появления которых синфазно с моментами переходов напряжений Ох и Ор через нуль (фиг. 3a,б).

При преобразовании малых сдвигов фаз в код блок 8 выбора режима закрывает клвч 7 временного сдвига на весь цикл измерения ц„, а в счетчик 10 тактов записывает дополнительный код числа п, т.е. (М-п), где M — числовая емкость с четчика 10 тактов, а n — число периодов усреднения и зависит от требуемой погрешности измерения 1 „, оно равно 2", 2 3

2, 2, ..., 2

В течение первого такта работы преобразователя производят усреднение и цифровых измерений интервалов времени „ . В этом случае при поступлении импульса напряжения U c выхода формирователя 2 по счетному входу срабатывает первый триггер 4 и на его нулевом выходе появляется

"1" (фиг. Зв). С приходом импульса напряжения Ор с выхода формирователя

3 по счетному входу срабатывает второй триггер 5 и на его единичном выходе появлется "0" (фиг. Зг). Передним фронтом импульса триггер 4 перебрасывает в "1" третий триггер 6, а передним фронтом импульса триггера 5 он возвращается в исходное состояние (фиг. Зд). Триггер б управляет суммирукщим и вычитающим входами реверсивного счетчика 12. В течение времени

Т„+ „ реверсивный счетчик 12 работает на сложение и суммирует импульсы генератора 1 образцовой частоты (фиг. Зд). В реверсивном. счетчике 12 фиксируется число импульсов, равное г14 (х <х) 0 где f = /t — частота генератора 1

1 р р образцовой частоты.

В течение интервала Т„ †".„ реверсивный счетчик 12 работает нл вычи955519 тание и из него вычитается число импульсов, равное

N2 (Тк l«)

Следовательно, за два периода

Т„ исследуемого сигнала О« в реверсйвном счетчике 12 фиксируется число импульсов, равное (2) 4 2 или с учетом выражений (1) и (2) х

3а и периодов исследуемого сигнала в реверсивном счетчике фиксируется число, равное

Импульсы частоты Г поступают на вход блока 18 функционального преобразователя частотного сигнала. В качестве узла, воспроизводящего экспоненциальную частоту в функции

=n „ ° f,. . (3)

Число и фиксируется счетчиком 10 тактов путем суммирования выходных импульсов триггера 4. Так как в счетчике 10 тактов записано число (М-n), то при поступлении и импульсов сигнала U1, на выходе счетчика 10 тактов появляется импульс переполнения. По импульсу переполнения формирователь 11 импульсов вырабатывает импульс длительности х а со на управляющий вход вторых элемейтов

И 13 для переписи содержимого реверсивного счетчика 12 в первый счетчик

15, а также на блок 8 выбора режима для начала второго такта работы, в течение которого за интервал Т - сх производится аппроксимация гиперболической зависимости g „= n « / 1 « .

Для этой цели блок 8 выбора режима открывает ключ 9 периода на время (Т„ — „) и импульсы образцового генератора 1 через этот ключ поступают во второй счетчик 17 (фиг. Зе).

При поступлении во второй счетчик

17 числа импульсов частоты f< равного N, на его выходе формируется импульс частоты f, который поступает на двоичный умножитель 19 частоты. Одновременно по этому импульсу через первые элементы И 16 число .N из первого счетчика 15 в обратном коде переписывается во второй счетчик 17, т.е. в последний заносится число. (й -й ), где Йо — числовая емкость каждого из счетчиков 15 и

17. Следовательно, на выходе двоичного делителя 14 частоты формируется импульс с частотой 1 = о/ й„ (.

Учитывая выражение (3) частота

/ л

1 и "х ° времени t, используется .двоичный умножитель 19 частоты, охваченный отрицательной обратной связью, частота импульсов на выходе которого определится как

/ где и „- числовая емкость управляющего счетчика двоичного умножителя, с — текущее время.

Импульсы частоты f(t) с двоичного умножителя 19 частоты (фиг. Зж) в течение интервала Т„ -. „ поступают на входы счетчика 21 результата.

Число импульсов, зафиксированное счетчиком 21 результата, к концу интервала T — 1„ представляется следующим образом:

f5

10 в функции его величины, осуществляют аппроксимацию гиперболической зависимости „ = " экспоненциальными участками. Для этой цели блок 8 выбора режима выдает запрещающий сигнал на формирователь 11 импульсов и открывает ключ 7 временного сдвига на интервал 7 «, пропорциональный измеряемому сдвигу фаз, ц „ . За время открытого состояния клича 7 на вход счетчика 15 поступает число импульсов й-„ - 2ь„fo.,Одновре55

20 йвы» =йма«с — f (t) dt«

Подставив в это соотношение значение частоты f(t) из выражения (4), получим т, <

При накоплении в счетчике 21 результата заранее заданного числа

З0 импульсов, соответствующих одной из начальных точек аппроксимации, блок

20 задания начальных точек аппроксимации переводит двоичный умножи: х

Г тель 19 в новое состояние NH, соот35 ветствующее началу аппроксимирования нового участка гиперболической функции Чх = ." ..Из выражения (5) виЯ о, что выбирая соответствующим образом значения N««î„ñ и Nñè можно получать код сдвига фаз непосредственно в градусах или радианах. Путем переноса запятой в счетчике 21 результата влево на k=log

45 Поэтому окончательный результат цифрового кода равен измеряемому значению сдвига фаз qt„ .

При измерении бсщьших сдвигов фаз производят однократное измерение в

50 течение одного периода Т« интервала ьх, а затем в течение промежутка

T„ — х, считая интервал ь„ известным

955519 менно с закрытием ключа 7 блок

6 выбора режима вырабатывает сигнал на открытие ключа 9 периода и сигнал на первые элементы И 16, по которому число и из первого счетчика 15 переписывается в обратном "5 коде во второй счетчик 17.

Дальнейшая работа преобразователя аналогична работе при измерении малых сдвигов фаэ. В этом случае измерение сдвига фаз » производит- !О ся за один период исследуемого сигнала, что позволяет уменьшить динамическую погрешность измерения „.

Таким образом, при измерении малых,сдвигов фаэ 9„ повышается точность измерения 9, за счет уменьшения погрешности дискретности, так как осуществляется цифровое измерение интервалов (Tq i„ (Tx — <„), а не интервала „ а Т„.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз по авт. св. Р 788376, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона преобразования в сторону малых сдвигов фаэ, в него введены счетчик тактов, реверсивный счетчик, вторые элементы И, формирователь импульсов и три триггера, входы первого и второго триггеров соединены с выходами входных формирователей, выходы их подключены к входам третьего триггера, причем выход первого триггера через счетчик тактов и формирователь импульсов соединен с блоком выбора режима и с управляющим входом вторых элементов И, выходы последних подключены к входам первого счетчика, а входы через реверсивный счетчик — к выходам третьего триггера, выход генератора образцовой частоты соединен с третьим входом реверсивного счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 788376, кл. Н 03 К 1133/ 2 00, 30.01.79.