ЦИФРОВОЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H03H11/20 

Изобретение относится к технике дискретного регулирования фазового сдвига и может использоваться в системах автоматического измерения и связи.

Для цифрового регулирования фазы импульсов обычно применяются устройства, принцип действия которых основан на пересчете импульсов опорного генератора. К таким устройствам относится цифровой управляемый фазовращатель по авторскому свидетельству СССР N 1223343, кл. H 03 H 11/20, который состоит из опорного генератора, двух каналов деления частоты, запускаемых по фронту и спаду входного сигнала, и выходного триггера. Модуль деления частоты в обоих каналах деления частоты задается блоком управления. Точность фазового сдвига в данном аналоге определяется шагом квантования фазы, равным опорному периоду, и не всегда приемлема.

Известно также устройство для дискретной регулировки фазы по авторскому свидетельству СССР N 1450079, кл. H 03 H 11/20, которое включает опорный генератор, соединенный через делитель частоты в виде счетчика импульсов с входом блока задержки на основе регистра сдвига и группы логических элементов, выполняющих в совокупности функции мультиплексора. Для цифрового управления фазовым сдвигом предусмотрены также сумматор, коммутатор и выходные триггер с элементом ИЛИ. Цифровой код фазы поступает одновременно на дешифратор в блоке задержки и на сумматор, соединенный другой группой своих входов с выходами счетчика импульсов. В данном аналоге достигается расширенный диапазон регулирования фазы, однако дискретность регулирования фазы, а вместе с ней и точность ограничена опорным периодом.

Среди известных наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является цифровой фазовращатель, описанный в статье: Ноэль Боутин. Фазовый манипулятор с разрешающей способностью 22,5^o. - Электроника, 1980, N 10, с. 63. Устройство-прототип содержит опорный генератор, соединенный через делитель частоты с информационным входом регистра сдвига, выходами подключенного к соответствующим информационным входам мультиплексора, и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ служит выходом устройства, его первый вход присоединен к выходу мультиплексора, а второй вход вместе с адресными входами мультиплексора являются входами цифрового кода фазы. Тактовый вход регистра сдвига подключен к выходу опорного генератора.

Недостатком устройства-прототипа является его низкая точность, составляющая 22,5^o. Точность принципиально может быть повышена за счет увеличения разрядности регистра сдвига и мультиплексора, однако путь сопряжен с повышением частот опорного генератора, что не всегда возможно в принятом элементом базисе. Таким образом в устройстве-прототипе ограничен и частотный диапазон выходных сигналов.

Целью настоящего изобретения является повышение точности фазового сдвига без повышения опорной частоты.

Указанная цель достигается за счет разбиения опорного периода на множество равных субинтервалов путем замены однофазного опорного генератора на мультифазный генератор импульсов, а также благодаря введению в устройство вторых мультиплексора и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, обеспечивающих управляемый выбор той или иной фазы мультифазного генератора импульсов в качестве фазы тактовых импульсов регистра сдвига.

Цифровой фазовращатель в соответствии с настоящим изобретением содержит мультифазный генератор импульсов, одним из выходов соединенный через делитель частоты с информационным входом регистра сдвига, выходами подключенного к информационным входам первого мультиплексора, и первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ служит выходом устройства, один вход присоединен к выходу первого мультиплексора, а другой вход вместе с адресными входами первого мультиплексора образуют входы старших разрядов цифрового кода фазы. Все выходы мультифазного генератора импульсов соединены с соответствующими информационными входами второго мультиплексора, у которого выход через второй элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с тактовым входом регистра сдвига. При этом оставшийся вход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и адресные входы второго мультиплексора образуют группу входов младших разрядов цифрового кода фазы.

В предпочтительном варианте реализации мультифазный генератор импульсов выполняется в виде инвертора, охваченного обратной связью через секционированную линию задержки, отводы которой служат выходами мультифазного генератора импульсов (см., например, статью: Чулков В.А. Дискретно-фазовая автоподстройка частоты в устройстве синхронизации данных. - Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1990, вып. 13). Если секционированную линию задержки построить на последовательной цепочке электронных управляемых элементов задержки, то появляется дополнительная возможность стабилизации или плавного регулирования опорного периода.

На чертеже показана электрическая функциональная схема цифрового фазовращателя согласно настоящему изобретению.

В показанной на чертеже схеме цифрового фазовращателя один из выходов мультифазного генератора 1 импульсов через делитель 2 частоты соединен с информационным входом регистра 3 сдвига и выходным зажимом 4 опорного сигнала нулевой фазы. Выходы регистра 3 сдвига присоединены к соответствующим информационным входам первого мультиплексора 5, который выходом соединен с выходным зажимом 6 сдвинутого по фазе сигнала через первый элемент 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Оставшийся вход первого элемента 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и адресные входы первого мультиплексора 3 присоединены к соответствующим входным зажимам 8 старших разрядов цифрового кода фазы. Все выходы мультифазного генератора 1 импульсов подключены к соответствующим информационным входам второго мультиплексора 9, который своим выходом через второй элемент 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ присоединен к тактовому входу регистра 3 сдвига. Оставшийся вход второго элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и адресные входы второго мультиплексора 9 соединены с соответствующими входными зажимами 11 младших разрядов цифрового кода фазы.

В представленной схеме вход делителя 2 частоты подключен к первому выходу мультифазного генератора 1 импульсов, однако в практическом устройстве на конкретной элементной базе вход делителя 2 частоты можно присоединить и к другому выходу того же мультифазного генератора 1 импульсов для согласования задержек в цепях распространения сигналов с тем, чтобы при нулевом цифровом коде на входных зажимах 8, 11 цифрового кода фазы сигналы на выходных зажимах 6 и 4 оказались в нужном фазовом отношении. Кроме того, для обеспечения полного совпадения фаз сигналов на выходных зажимах 6 и 4 при указанных условиях в отдельных цепях, например между выходом делителя 2 частоты и выходным зажимом 4, могут включаться дополнительные элементы задержки, используемые по своему прямому назначению. Указанные возможные усовершенствования не имеют принципиального значения.

Мультифазный генератор 1 импульсов можно выполнить по известной схеме в виде инвертора, охваченного обратной связью через секционированную линию задержки, отводы которой образуют совокупность выходов генератора. Сигналы на этих выходах смещены по фазе с шагом πN, где N - число выходов, причем максимальное смещение достигает π. При использовании согласованной электромагнитной линии задержки период опорных сигналов получается неизменным, точность значения периода определяется технологической точностью изготовления линии задержки. Применение электронной секционированной линии задержки, каждая секция которой выполнена в виде симметричного электронного элемента задержки (см. , например: Колесов С.А., Бовырин В.В. Управляемые схемы задержки на интегральных микросхемах. - Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1985, вып. 9, с. 126, рис. 1), расширяет возможности мультифазного генератора 1 импульсов в части стабилизации и регулирования частоты.

Пусть цифровой фазовращатель имеет n зажимов, по которым осуществляется управление фазой с помощью n-разрядного цифрового двоичного кода. Из общего числа n входных зажимов групп n₁ зажимов 11 предназначена для подачи n₁ младших разрядов, а группа n₂ зажимов 8 - для подачи n₂ старших разрядов цифрового кода фазы. Тогда первый мультиплексор 5 должен иметь (n₂-1) адресных и информационных входов, а второй мультиплексор 9-(n₁-1) адресных и информационных входов. Делитель 2 частоты выполняется при этом в виде n₂-разрядного двоичного счетчика с модулем счета , разрядность регистра 3 сдвига выбирается равной (n₂-1). Положим для определенности n₁ = n₂ =4, n = n₁ + n₂ = 8, как изображено на чертеже.

Цифровое регулирование фазы осуществляется в следующем порядке. Мультифазный генератор 1 импульсов вырабатывает на своих выходах импульсные последовательности типа "меандр" с фазовым шагом Если считать фазу импульса на первом выходе за нулевую, то фаза импульса на последнем выходе будет меньше π на указанную величину ΔΦ₁ фазового шага. Заметим, что недостающие для образования полной в пределах периода совокупности фаз импульсы с фазами в диапазоне π...(2π-Φ) благодаря симметричной форме импульсов на выходах мультифазного генератора 1 импульсов можно получить простым инвертированием последних. После выбора вторым мультиплексором 9 одного из выходов мультифазного генератора 1 импульсов в соответствии со значением младших разрядов цифрового кода фазы на зажимах 11-3, 11-2 и 11-1 при единичном значении четвертого разряда этого кода на зажиме 11-4 инвертирование производится вторым элементом 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Таким образом, в зависимости от содержания младших четырех разрядов цифрового кода фазы на группе зажимов 11 фаза импульса на тактовом входе регистра 3 сдвига может регулироваться в пределах 0 ... 2 π с шагом ΔΦ₁.
Делитель 2 частоты, снабжаемый опорными импульсами нулевой фазы, формирует на выходном зажиме 4 опорные сигналы типа "меандр" с расширенным в периодом. Эти сигналы поступают на информационный вход регистра 3 сдвига и последовательно перемещаются по разрядам регистра по тактам, задаваемым импульсами с выхода второго элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Так как тактовые импульсы сдвинуты по отношению к сигналам на зажиме 4 на N₁ΔΦ₁ (N₁ - двоичное число на зажимах 11), то соответствующий фазовый сдвиг по отношению к сигналам на зажиме 4 имеют сигналы на первом выходе регистра 3 сдвига. Указанный фазовый сдвиг, приведенный к периоду сигналов на зажиме 4, составляет величину в раз меньшую, чем тот же сдвиг тактовых сигналов, приведенный к их первому периоду.

Шаг фазового сдвига выходных сигналов регистра 3 сдвига в единицах их периода составляет Выбор того или иного выхода осуществляется первыми мультиплексором 5 и элементом 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в соответствии со значением двоичного числа на группе входных зажимов 8 аналогично тому, как производится выбор фазы мультифазного генератора 1 импульсов вторыми мультиплексором 9 и элементом 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Таким образом старшие разряды цифрового кода фазы определяют задержку выходного сигнала на зажиме 6 в единицах, равных ΔΦ₂ периодов мультифазного генератора 1 импульсов, а младшие разряды цифрового кода фазы на группе зажимов 11 определяют задержку того же выходного сигнала в единицах ΔΦ₁ фазовой субшкалы отсчета мультифазного генератора 1 импульсов. При этом Поэтому результирующий фазовый сдвиг сигналов на выходном зажиме 6 относительно опорных сигналов нулевой фазы на выходном зажиме 4 составляет

где - полный цифровой код фазы на обеих группах входных зажимов 8 и 11.

По сравнению с прототипом и другими аналогами шаг квантования фазы в цифровом фазовращателе при одинаковой опорной частоте уменьшен в раз, т. е. в такое же количество раз повышена точность регулирования фазы. Так, если в прототипе получен шаг квантования фазы, равный 22,5^o, то в предлагаемом устройстве при n₁ = n₂ = 4 он снижен до 1,4^o.

Цифровой фазовращатель (ЦФ) предназначен для измерительных, связных и управляющих систем с частотной и фазовой модуляцией. ЦФ содержит мультифазный генератор импульсов (МГИ) 1, через делитель частоты 2 и регистр сдвига (RG) 3 связанный с группой информационнных входов первого мультиплексора (MX) 5. MX 5 и выходной первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7 осуществляют под управлением старших разрядов цифрового кода фазы фазовый сдвиг с шагом ΔΦ₂. Дополнительно введенные вторые MX 9 и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10 осуществляют фазовый сдвиг тактовых импульсов RG 3, а вместе с ними и выходных сигналов с шагом ΔΦ₁≪ ΔΦ₂ в соответствии с содержанием младших разрядов цифрового кода фазы. Значение ΔΦ₁ определяется шагом квантования фазы в МГИ 1. Технический результат: повышение точности цифрового регулирования фазы за счет дополнительного разбиения опорного периода на ряд равных интервалов с образованием фазовой субшкалы отсчета. 1 ил.

Цифровой фазовращатель, содержащий опорный генератор, соединенный через делитель частоты с информационным входом регистра сдвига, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам первого мультиплексора, и первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, у которого выход служит выходом цифрового фазовращателя, один вход присоединен к выходу первого мультиплексора, а другой вход вместе с адресными входами первого мультиплексора являются входами цифрового кода фазы цифрового фазовращателя, отличающийся тем, что опорный генератор выполнен в виде мультифазного генератора импульсов, выходы мультифазного генератора импульсов соединены с соответствующими информационными входами второго мультиплексора, при этом выход второго мультиплексора соединен с тактовым входом регистра сдвига через второй элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, оставшийся вход которого и адресные входы второго мультиплексора являются дополнительными входами цифрового кода фазы цифрового фазовращателя.