ФАЗОИМПУЛЬСНЫЙ ДЕМОДУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H03K9/04 

Изобретение относится к импульсной технике, предназначено для демодулирования модулированных по фазе импульсов импульсных последовательностей и может быть использовано в импульсных следящих приводах с фазовым управлением.

Известен фазоимпульсный детектор, содержащий два счетчика, две двустабильные схемы (триггеры), два цифроаналоговых преобразователя, аналоговое вычитающее устройство и фильтр [1]
Недостатками этого детектора являются сложность и необходимость применения фильтра, что вносит ошибку детектирования.

Наиболее близким к изобретению является фазовый детектор, содержащий два счетчика, две схемы памяти, вычитающее устройство, аналого-дискретный преобразователь и фильтр [2]
Недостатком этого детектора является существенная ошибка, вносимая фильтром.

Цель изобретения повышение точности демодулирования модулированных по фазе импульсов.

Для этого в фазоимпульсный демодулятор, содержащий первый и второй счетчик импульсов, введены блок сравнения, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый и второй блоки интегрирования и селектор наибольшего из сигналов, причем группы входов первого и второго чисел блока сравнения соединены с выходами соответственно первого и второго счетчиков импульсов, выход "большие" блока сравнения соединен с первыми входами первого и второго элементов И, инверсный выход "больше" блока сравнения соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, выход первого двоичного разряда второго счетчика импульсов соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, инверсный выход нового двоичного разряда и второго счетчика импульсов соединен с вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И соединен с управляющим входом первого блока интегрирования, выход второго элемента И соединен с управляющим входом второго блока интегрирования, выход третьего элемента И соединен с установочным входом первого блока интегрирования, выход четвертого элемента И соединен с установочным входом второго блока интегрирования, информационные входы первого и второго блоков интегрирования соединены с третьим информационным входом демодулятора, выходы первого и второго блоков интегрирования соединены соответственно с входами селектора наибольшего из сигналов, выход которого является выходом демодулятора.

На фиг. 1 приведена структурная схема фазоимпульсного демодулятора; на фиг. 2 структурная схема блока сравнения; на фиг. 3 структурная схема второго счетчика импульсов; на фиг. 4 структурная схема блока интегрирования; на фиг. 5 структурная схема селектора наибольшего из сигналов; на фиг. 6 временные диаграммы сигналов на входах и выходах фазоимпульсного демодулятора; на фиг. 7 структурная схема первого счетчика импульсов; на фиг. 8 структурная схема импульсного следящего привода, в который входит фазоимпульсный демодулятор.

Фазоимпульсный демодулятор (фиг. 1) содержит первый и второй счетчики 1 и 2 импульсов, информационные входы счетчиков импульсов являются первым и вторым информационными входами демодулятора, а установочные входы счетчиков импульсов установочными входами демодулятора, блок 3 сравнения, первый, второй, третий и четвертый элементы И 4-7, первый и второй блоки 8 и 9 интегрирования и селектор 10 наибольшего из сигналов. Группы входов первого и второго чисел блока 3 сравнения соединены с выходами соответственно первого и второго счетчиков 1 и 2 импульсов, выход "больше" блока 3 сравнения соединен с первыми входами первого и второго элементов И 4 и 5, инверсный выход "большие" блока 3 сравнения соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И 6 и 7, выход первого двоичного разряда второго счетчика 2 импульсов соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И 4 и 6, инверсный выход первого двоичного разряда второго счетчика 2 импульсов соединен с вторыми выходами второго и четвертого элементов И 5 и 7, выход первого элемента И 4 соединен с управляющим входом первого блока 8 интегрирования, выход второго элемента И 5 соединен с управляющим входом второго блока 9 интегрирования, выход третьего элемента И 6 соединен с установочным входом первого блока 8 интегрирования, выход четвертого элемента И 7 соединен с установочным входом второго блока 9 интегрирования, информационные входы первого и второго блоков 8 и 9 интегрирования соединены с третьим информационным входом демодулятора, выходы первого и второго блоков 8 и 9 интегрирования соединены с входами селектора 10 наибольшего из сигналов, выход которого является выходом устройства.

Фазоимпульсный демодулятор работает следующим образом.

На установочные входы счетчиков 1 и 2 импульсов (фиг. 1) поступают импульсы (фиг. 6 а), устанавливающие счетчики импульсов в нулевые состояния.

Эти импульсы вырабатываются преобразователями 23 и 24 углов поворота задающей и принимающей осей импульсного следящего привода в котором применен демодулятор (фиг. 7). На счетные выходы счетчиков 1 и 2 импульсов поступают импульсы двух импульсных последовательностей (фиг. 6 в, г). Они вырабатываются, например, преобразователями 23 и 24 углов поворота задающей и принимающей осей импульсного следящего привода, вращающихся в одном и том же направлении, при прохождении осями квантованных дискретных углов поворота. Первый и второй счетчики 1 и 2 импульсов считают количество импульсов импульсных последовательностей, поступающих на их счетные входы после поступления импульсов на их установочные входы. В импульсном следящем приводе эти количества пропорциональны углам поворота задающей и принимающей осей импульсного следящего привода. Схемой 3 сравнения сравнивается количество импульсов, сосчитанных первым счетчиком 1 импульсов с количеством импульсов, сосчитанных вторым счетчиком 2 импульсов. Если первое число, пропорциональное углу поворота задающей оси, больше второго, пропорционального углу поворота принимающей оси, то блок 3 сравнения выдает на выходе "больше" "1", а в остальных случаях "0". На инверсном выходе "больше" выдаются соответственно "0" и "1". В линейном режиме работы фазоимпульсного демодулятора после импульса первой импульсной последовательности поступает соответствующий по порядку импульс второй импульсной последовательности так, как это показано на фиг. 6 в и 6 г. При поступлении импульса первой импульсной последовательности равенство нарушается и блок 3 сравнения на выходе "больше" выдает "1". При поступлении импульса второй импульсной последовательности числа на выходах блока 3 сравнения становятся равными и блок 3 сравнения на выходе "больше" выдает "0". На выходе "больше" блока 3 сравнения вырабатывается сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов, показанных на фиг. 6 д, на фиг. 6е на инверсном выходе. Длительность этих импульсов равна интервалу времени между импульсами и пропорциональна фазе импульсов, так как согласно определению фазы ϕ импульсов импульсной последовательности
ϕ 2π˙t/T 2πft, где t длительность импульсов на выходе блока 3 сравнения;
T период;
f частота следования импульсов.

Из этого соотношения следует f˙t ϕ/2π.

На прямом выходе первого двоичного разряда второго счетчика 2 импульсов вырабатываются прямоугольные импульсы с амплитудой "1" (фиг. 6 ж), длительность которых равна периоду следования импульсов T второй импульсной последовательности, в паузах вырабатывается "0". На инверсном выходе первого двоичного разряда второго счетчика 2 импульсов вырабатываются инвертированные прямоугольные импульсы (фиг. 6 з). На выходе первого элемента И 4 вырабатываются прямоугольные импульсы, длительность которых равна длительности импульсов на прямом выходе блока 3 сравнения, с пропусками через период следования импульсов второй импульсной последовательности (фиг. 6 и). На выходе второго элемента И 5 вырабатываются импульсы такой же формы (фиг. 6 м), но в периодах, следующих после импульсов на выходе первого элемента И 4 (фиг. 6 и). Импульсы на выходе первого элемента И 4 и на выходе второго элемента И 5 вырабатываются поочередно (фиг. 6 и, м). На выходе третьего элемента И 6 вырабатываются прямоугольные импульсы с амплитудой "1" (фиг. 6 к), длительность которых равна длительности пауз между импульсами на прямом выходе блока 3 сравнения (фиг. 6 д). Импульсы вырабатываются с пропусками через период следования импульсов второй импульсной последовательности перед импульсами с выхода первого элемента И 4 (фиг. 6 и). На выходе четвертого элемента И 7 вырабатываются прямоугольные импульсы амплитудой "1" (фиг. 6 н), длительность которых равна длительности пауз между импульсами на прямом выходе блока 3 сравнения (фиг. 6 а). Импульсы вырабатываются с пропусками через период следования импульсов второй импульсной последовательности перед импульсами с выхода второго элемента И 5 (фиг. 6 м). Импульс с третьего элемента И 6 (фиг. 6 к) устанавливает сигнал на выходе первого блока интегрирования 8 на нуль (фиг. 6 л). По окончании импульса на управляющий вход первого блока 8 интегрирования поступает импульс продолжительностью t с выхода первого элемента И 4 (фиг. 6 и). Первый блок интегрирования интегрирует сигнал, пропорциональный частоте f опорной, например первой импульсной последовательности, поданный на третий информационный вход фазоимпульсного демодулятора (фиг. 6 л). По окончании импульса с выхода первого элемента И 4 интегрирование заканчивается и напряжение на выходе первого блока 8 интегрирования не изменяется до следующего импульса с выхода третьего элемента И 6 (фиг. 6 к). Амплитуда сигнала U ₁ на выходе первого блока 8 интегрирования (фиг. 6 л) пропорциональная фазе ϕ импульсов второй импульсной последовательности относительно импульсов первой импульсной последовательности, что следует из следующих выражений.

Напряжение U на третьем информационном входе фазоимпульсного демодулятора пропорционально частоте f следования импульсов U=K1˙ f, где K1 коэффициент пропорциональности. Амплитуда напряжения U1 на выходе первого блока 8 интегрирования
U1 K2 K1·fdt K1·K2 fdt где K2 коэффициент передачи первого блока 8 интегрирования; t время интегрирования, равное длительности импульса на выходе первого элемента И 4. Известно, что частота следования f= ω/2π где ω скорость изменения фазы, связанная с фазой ϕ соотношением.

ϕ ω·dt
Получаем
U1 ωdt K·ϕ где K K1·K2/2π
Импульсы четвертого элемента И 7 (фиг. 6 н) устанавливают второй блок 9 интегрирования в нулевое состояние (фиг. 6о), после чего на его управляющий вход поступает импульс с второго элемента И 5 (фиг. 6 м). Блок 9 интегрирования интегрирует сигнал, пропорциональный частоте импульсов опорной импульсной последовательности, поданный на третий информационный вход фазоимпульсного демодулятора (фиг. 6о). По окончании импульса с выхода второго элемента И 5 (фиг. 6 м) интегрирование прекращается и сигнал на выходе второго блока 9 интегрирования не изменяется (фиг. 6 о). Амплитуда сигнала на выходе второго блока 9 интегрирования U2 так же, как это показано для амплитуды сигнала на выходе первого блока 8 интегрирования, пропорциональна фазе импульсов (фиг. 6 о). Селектор 10 наибольшего из сигналов передает на выход фазоимпульсного демодулятора наибольший из сигналов U 1, или U 2. Поскольку сигналы U 1 и U 2 вырабатываются блоками 8 и 9 интегрирования поочередно и сбрасываются в нулевое состояние только по окончании изменения сигнала на выходе другого блока интегрирования, то сигнал на выходе селектора 10 наибольшего из сигналов и на выходе фазоимпульсного демодулятора вырабатывается непрерывно и, как показано выше, пропорционален фазе импульсов (фиг. 6 п).

Если импульсные последовательности на входах демодулятора расфазированы более чем на один импульс и с выхода блока 3 сравнения в течение нескольких периодов поступает сигнал "0", то импульсы на его выходе отсутствуют, сигналы на выходах первого элемента И 4 и второго элемента И 5 принимают значение "0", а сигналы с выходов третьего и четвертого элементов И 6 и 7 поступают в виде прямоугольных импульсов и устанавливают первый и второй блоки интегрирования в "0". Напряжение на выходе демодулятора устанавливается в ноль. В импульсном следящем приводе (фиг. 8) этот случай возникает при отставании задающей оси (на фиг. 8 "Вход"), с преобразователя 23 угла поворота которой поступает первая импульсная последовательность, от принимающей оси (на фиг. 8 "Вход"), с преобразователя 24 угла поворота которой поступает вторая импульсная последовательность. Отсутствие напряжения на выходе демодулятора 25 и выходе усилителя 26 в этом случае вызывает торможение и остановку двигателя 27, вращающего принимающую ось, что и требуется для согласования вращения.

В другом случае, если на выходе блока 3 сравнения в течение нескольких периодов непрерывно поступает сигнал "1", то сигналы на выходе третьего и четвертого элементов И 6 и 7 принимают значение "0", первый и второй блоки 8 и 9 интегрирования не сбрасываются. При этом напряжения на выходах интеграторов и на выходе демодулятора возрастают и ограничиваются их допустимыми значениями. В импульсном следящем приводе этот случай возникает при отставании принимающей оси от задающей оси на несколько дискретных углов поворота осей. Сигнал с выхода демодулятора 25 вызывает ускоренное вращение двигателя 27, вращающего принимающую ось. В результате этого процесса количество импульсов, подсчитанных первым и вторым счетчиками 1 и 2 импульсов выравниваются, импульсы первой и второй импульсных последовательностей начинают поступать поочередно так, как показано на фиг. 6 в, г, а сигнал на выходе демодулятора 25 принимает такое значение, при котором двигатель 27 вращает принимающую ось с частотой, равной частоте вращения задающей оси.

Блок 3 сравнения (фиг. 2) содержит сумматор 11 и группу элементов НЕ 12 по одному элементу НЕ на каждый разряд счетчика 2 импульсов, входы первого слагаемого сумматора 11 является входами первого числа блока 3 сравнения, входы элементов НЕ 12 являются входами второго числа блока 3 сравнения, выходы элементов НЕ 12 соединены с входами второго слагаемого сумматора 11, инверсный и прямой выходы старшего разряда сумматора 11 являются прямым и инверсным входами блока 3 сравнения 3. Блок 3 сравнения, выполненный по функциональной схеме фиг. 2, предназначен для сравнения кодов углов поворотов задающей и принимающей осей импульсного следящего привода (фиг. 8). При этом емкость первого счетчика 1 импульсов такова, что обеспечивает счет импульсов в пределах одного оборота, т. е. 360^о, задающей оси импульсного следящего привода. Емкость счетчика 2 импульсов такая же и обеспечивает счет импульсов в пределах одного оборота принимающей оси. Код числа "00.00" соответствует нулевому углу поворота, а также углам, кратным 360^о. Код "10.00", записанный старшим разрядом слева, соответствуют углу поворота 180^о или разности углов поворота в 180^о.

Блок 3 сравнения (фиг. 2) работает следующим образом. На вход первого слагаемого сумматора 11 поступает код первого числа с выходов первого счетчика 1 импульсов. Код второго числа с второго счетчика 2 импульсов поразрядно инвертируется группой элементов НЕ 12, на выходах которых вырабатывается обратный код второго числа. При равенстве первого и второго чисел на выходах блока 3 сравнения, на выходах суммы сумматора 11 вырабатывается код "11.11" в результате сложения прямого и обратного кодов одного и того же числа. Если первое число превышает второе на число, меньше чем "10.00", то в результате суммирования на выходе старшего разряда сумматора 11 будет сигнал "0". В фазоимпульном следящем приводе это соответствует режиму, когда задающая ось опережает принимающую ось не более чем на 180^о. Если же первое число превышает второе на число, большее или равное числу "10.00, то на выходе старшего разряда сумматора 11 выдается сигнал "1". В фазоимпульсном следящем приводе это соответствует режиму, когда падающая ось опережает принимающую на угол более 180^оС или задающая ось отстает от принимающей оси на угол менее 180^о. Следовательно, сигнал "0" на выходе старшего разряда сумматора 11 вырабатывается, если угол поворота задающей оси больше, чем угол принимающей оси, но не более чем на 180^о и "1" в остальных случаях. Сигнал инверсного выхода старшего разряда сумматора 11 является сигналом "больше" блока 3 сравнения.

Второй счетчик 2 импульсов (фиг. 3) содержит одноразрядные счетчики 13 и 14, соединенные в многоразрядный счетчик с емкостью, равной количеству импульсов импульсных последовательностей, поступающих на его информационный вход в интервале между импульсами на установочном входе. Установочные входы одноразрядных счетчиков 13 и 14 соединены с установочным выходом счетчика 2 импульсов. Выходы одноразрядных счетчиков 13 и 14 являются выходами счетчиков импульсов. Прямой и инверсный входы первого двоичного разряда выведены с одноразрядного счетчика 13.

Первый счетчик 1 импульсов (фиг. 7) выполнен так же, как и второй, но прямой и инверсный выходы первого двоичного разряда, выходы счетчика 1 импульсов дополнительно не выведены.

Первый и второй счетчики 1 и 2 импульсов (фиг. 3) работают следующим образом. Установочные импульсы устанавливают одноразрядные счетчики в "0". Импульсы импульсных последовательностей на информационных счетных входах вызывают последовательное увеличение числа, выдаваемого кодом с выходов счетчика импульсов. Перед поступлением очередного установочного импульса счетчик полностью заполняется и вырабатывает код "11.11", после чего сбрасывается в "00.00". Емкость счетчика, т. е. количество импульсов, которое он может сосчитать, раза 2n, где n число разрядов. В фазоимпульсном следящем приводе емкость счетчика выбирается такой, чтобы обеспечить требующуюcя величину дискретности по углу поворота. Например, если счетчик содержит 12 разрядов, то емкость счетчика равна 4096 импульсов, что обеспечивает величину дисконта 5,3'.

Первый блок 8 интегрирования (фиг. 4) содержит задающий элемент 15, первый и второй ключи 16 и 17, операционный усилитель 18 с емкостной отрицательной обратной связью. Вход задающего элемента 15 является информационным входом блока 8 интегрирования, вход второго ключа 17 является установочным входом блока 8 интегрирования. Задающий элемент 15 и выходы первого ключа соединены последовательно с первым входом операционного усилителя 18, выходы второго ключа 17 соединены с вторым и третьим входами операционного усилителя 18, выход которого является выходом блока 18 интегрирования.

Блок 8 интегрирования (фиг. 4) работает следующим образом. На информационный вход задающего элемента 15 подается сигнал, пропорциональный частоте следования опорной, например первой импульсной последовательности, поступающий с преобразователя 28 частоты следования импульсов в напряжение, на вход которого поступает первая импульсная последовательность, а выход подключен к третьему информационному входу демодулятора. При постоянной частоте следования импульсов на третий информационный вход демодулятора 25 подается постоянное напряжение и преобразователь частоты импульсов в напряжение может отсутствовать. Импульс на установочном входе открывает второй ключ 17, замыкающий и разряжающий емкость операционного усилителя 18 с емкостной обратной связью, на выходе напряжение отсутствует. Импульс на управляющем входе открывает первый ключ 16. Операционный усилитель 18 с емкостной обратной связью интегрирует сигнал, поданный на информационный вход. По окончании импульса на управляющем входе первый ключ 16 запирается и напряжение на выходе операционного усилителя 18 с емкостной обратной связью не изменяется, после чего цикл повторяется. Второй блок 9 интегрирования выполнен и работает аналогично.

Селектор 10 наибольшего из сигналов (фиг. 5) содержит первый и второй диоды 19 и 20, резистор 21 и буферный элемент 22. Первые выводы диодов 19 и 20 являются входами селектора 10 наибольшего из сигналов. Вторые выводы диодов, включенных в направлении проводимости входных сигналов, соединены с резистором 21 и входом буферного элемента 22, выход которого является выходом селектора наибольшего из сигналов.

Селектор 10 наибольшего из сигналов работает следующим образом. Если сигнал на первом входе больше, чем на втором, то отпирается первый диод 19, а второй диод 20 запирается. Через первый диод 19 сигнал поступает на вход буферного элемента 22, например эмиттерного повторителя. Если сигнал на втором входе больше, чем сигнал на первом входе, то отпирается второй диод 20, а первый диод 19 запирается и буферный элемент передает сигнал со второго входа.

В предложенном фазоимпульсном демодуляторе демодулирование фазомодулированных импульсов производится двумя каналами, работающими поочередно, через период. Каждый из каналов выдает через селектор наибольшего из сигналов сигнал до тех пор, пока не закончится процесс демодулирования в другом канале. Поэтому сигнал на выходе устройства непрерывный, а не дискретный, и в отличие от прототипа не требует фильтрации, что повышает точность демодулирования по сравнению с прототипом.

Использование: в импульсных следящих приводах с фазовым управлением. Сущность изобретения: демодулятор содержит счетчики 1 и 2 импульсов, блок 3 сравнения, элементы И 4-7, блоки 8 и 9 интегрирования и селектор 10 наибольшего из сигналов. 8 ил.

ФАЗОИМПУЛЬСНЫЙ ДЕМОДУЛЯТОР, содержащий первый и второй счетчики импульсов, информационные входы которых являются первым и вторым информационными входами демодулятора, а установочные входы установочными входами демодулятора, отличающийся тем, что в него введены блок сравнения, первый четвертый элементы И, первый и второй блоки интегрирования и селектор наибольшего из сигналов, причем группы входов первого и второго чисел блока сравнения соединены с выходами соответственно первого и второго счетчиков импульсов, выход "Больше" блока сравнения соединен с первыми входами первого и второго элементов И, инверсный выход "Больше" блока сравнения соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, выход первого двоичного разряда второго счетчиков импульсов соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, инверсный выход первого двоичного разряда второго счетчика импульсов с вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И с управляющим входом первого блока интегрирования, выход второго элемента И с управляющим входом второго блока интегрирования, выход третьего элемента И с установочным входом первого блока интегрирования, выход четвертого элемента И с установочным входом второго блока интегрирования, информационные входы первого и второго блоков интегрирования соединены с третьим информационным входом демодулятора, выходы первого и второго блоков интегрирования соответственно с входами селектора наибольшего из сигналов, выход которого является выходом демодулятора.