ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01R25/08 

Изобретение относится к устройствам измерений разности начальных фаз сигналов в присутствии переменной фазовой составляющей, имеющей периодический характер, в частности в системах связи, использующих ретранслятор, входящего в состав аппаратуры искусственного спутника Земли, размещенного на геостационарной орбите.

Известно устройство, описанное в патенте РФ 1661671, кл. G 01 R 25/08, опубл. 07.07.91.

Устройство содержит два усилителя-ограничителя, косинусный и синусный фазовые детекторы, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два компаратора, блок элементов 2И, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), элемент совпадения, элемент задержки, блок регистровой памяти, при этом выходы усилителей-ограничителей соединены с косинусным и синусным фазовыми детекторами, первый выход верхнего плеча косинусного детектора соединен с первым входом компаратора, сигнальным входом первого АЦП, опорным входом второго АЦП, а его второй выход нижнего плеча соединен с вторым входом компаратора, опорным входом первого АЦП, сигнальным входом второго АЦП, первый и второй выходы синусного фазового детектора, соединены соответственно с первым и вторым входом компаратора, третьи стробирующие входы компараторов соединены между собой входом "Запуск" устройства, входами "Запуск" АЦП, выходы компараторов соединены с соответствующими старшими адресными входами ПЗУ, младшие адресные входы которого соединены соответственно с выходами блока элементов 2И, информационные входы АЦП соединены соответственно с входами блока элементов 2И, так что первые информационные выходы АЦП соединены с первым и вторым входами первого элемента 2И, а n-е выходы - с первыми и вторыми входами n-го элемента 2И, выходы "Готовность данных" АЦП соединены с первым и вторым входами элемента совпадения, выходом подключенного к входу элемента задержки, выход которого соединен с входом записи данных блока регистровой памяти, выходы ПЗУ соединены с соответствующими входами данных блока регистровой памяти, выходы которого являются выходами устройства.

Недостаток устройства состоит в следующем. Устройство относится к классу усредняющих устройств, представляющих результат измерения в виде среднего значения измеряемой величины за измерительное время. Такие устройства предназначены для измерения величины, сохраняющей постоянство за измерительное время. Если в составе измеряемой величины есть составляющая, зависящая от времени, то в результат измерения будет входить также среднее значение этой составляющей, т. е. измерение будет произведено с большой погрешностью.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является получивший широкое распространение цифровой фазометр с постоянным измерительным временем, описанный в книге М.К. Чмых. Цифровая фазометрия. - М.: Радио и связь, 1993, с. 9.

Устройство содержит двухканальный преобразователь сдвиг фазы - интервал времени, первый элемент И, генератор импульсов, формирователь, второй элемент И, элемент ИЛИ, времязадающий узел, третий элемент И, счетчик, причем к первому входу преобразователя сдвиг фазы - интервал времени подключен источник опорного напряжения, а к второму - источник напряжения с измеряемым фазовым сдвигом, первый выход преобразователя сдвиг фазы - интервал времени подключен к первому входу первого элемента И, второй выход преобразователя сдвиг фазы - интервал времени подключен к первому входу второго элемента И, выход элемента ИЛИ соединен с первым входом третьего элемента И, генератор импульсов соединен с формирователем, первый выход которого подключен параллельно к второму входу первого элемента И, и времязадающему узлу, а второй выход формирователя соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ, выход времязадающего узла соединен со вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к счетчику. В следующем ниже описании первый элемент И, второй элемент И, и элемент ИЛИ объединены в один элемент 2И/ИЛИ, что не является принципиальным, но способствует лучшему пониманию работы устройство поскольку соответствует современной элементной базе. Элемент 2И/ИЛИ в формуле изобретения внесен в ограничительную часть, как общий с наиболее близким к предлагаемому техническому решению.

Недостаток устройства состоит в том, что в ряде случаев необходимо произвести разновременное измерение разности начальных фаз двух колебаний в присутствии достаточно медленно меняющейся периодической составляющей фазы, например при проведении фазовых измерений в системе связи через спутник, расположенный на геостационарной орбите. Реальная орбита спутника несколько отличается от гипотетически круговой, поскольку имеет ненулевой эксцентриситет и имеет наклонение. Относительно неподвижного земного наблюдателя спутник перемещается по замкнутой траектории, очертанием напоминающей цифру "8" с периодом одни сутки. Это приводит к тому, что спутник удаляется и/или приближается относительно поверхности Земли, т.е. изменяется расстояния в течение времени измерения Т_изм. Отсюда следует, что фазовая компонента принимаемого сигнала содержит не только постоянную измеряемую разность начальных фаз ϕ_x, но и ϕ_п - медленно меняющуюся переменную составляющую, вызванную перемещением спутника за измерительное время. В общем виде фаза Ψ принимаемого сигнала зависит от времени t:
Ψ(t) = ϕ_x±Vt, (1)
где V - скорость измерения переменной составляющей. Переменная составляющая существенно искажает результат измерения искомой величины ϕ_x, или другими словами, снижает точность измерения разность начальных фаз.

Однако расчеты показывают, что в любых позициях спутника независимо от мгновенного значения скорости его движения в двух смежных измерительных интервалах при времени измерения порядка Т_изм≈(1... 10) с переменная составляющая, выраженная в градусах набега фазы, не превышает значений (0,01... 0,001)^o, что позволяет считать ее линейной величиной. Это обстоятельство позволяет исключить переменную составляющую из результата измерения с точностью (0,01... 0,001)^o, что вполне удовлетворяет требованиям практики. Пусть в первом измерительном цикле результат измерения, когда скорость изменения переменной составляющей в формуле (1) положительна:
Ψ1 = ϕ_x+ϕ_п, (2)
а во втором:
Ψ2 = ϕ_x+2ϕ_п. (3)
Тогда Ψ2-Ψ1 = ϕ_п, что позволяет получить интересующее значение:
ϕ_x = Ψ1-ϕ_п
или
ϕ_x = Ψ1-(Ψ2-Ψ1) = 2Ψ1-Ψ2. (4)
Когда скорость изменения переменной составляющей в формуле (1) отрицательна, то выражения (2, 3) видоизменятся:
Ψ1 = ϕ_x+ϕ_п,
Ψ2 = ϕ_x+ϕ_п/2.
Тогда
ϕ_x = Ψ2-(Ψ1-Ψ2) = 2Ψ2-Ψ1. (5)
Выражения (4, 5) являются основой для реализации устройства.

Предлагаемым изобретением достигается технический результат - повышение точности измерения разности начальных фаз.

Для достижения названного технического результата предлагается цифровой фазометр, содержащий двухканальный преобразователь сдвиг фазы - интервал времени, к первому входу которого подключен источник опорного напряжения, а к второму - источник напряжения с измеряемым фазовым сдвигом, элемент 2И/ИЛИ, первый вход которого подключен к первому выходу двуканального преобразователя сдвиг фазы - интервал времени, а второй вход подключен к второму выходу двухканального преобразователя сдвиг фазы - интервал времени, первый элемент И, первым входом подключенный к выходу элемента 2И/ИЛИ, формирователь, который первым выходом подключен к третьему входу элемента 2И/ИЛИ, а вторым выходом подключен к четвертому входу элемента 2И/ИЛИ, генератор квантующих импульсов, времязадающий узел, вход которого подключен к первому выходу формирователя, а выход подключен к второму входу первого элемента И, счетчик, вход которого подключен к выходу первого элемента И, согласно изобретению дополнительно введены первый элемент ИЛИ, к первому входу которого подключен внешний сигнал "Пуск", RS-триггер, S вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу генератора квантующих импульсов, а второй вход подключен к выходу RS-триггера, выход второго элемента И подключен к входу формирователя, счетчик количества измерительных циклов, выход которого подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, второй элемент ИЛИ, выход которого параллельно подключен к входу R RS-триггера и к входу счетчика количества измерительных циклов, элемент задержки, формирователь импульса конца второго измерения, выход которого параллельно подключен к второму входу второго элемента ИЛИ и к входу элемента задержки, формирователь импульса конца первого измерения, первый выход которого параллельно подключен к входу формирователя импульса конца второго измерения и к первому входу второго элемента ИЛИ, вход формирователя импульса конца первого измерения подключен к выходу времязадающего узла, буферный регистр, первый вход которого подключен к второму выходу формирователя импульса конца первого измерения, а второй вход к второму выходу счетчика, блок сравнения, коммутатор, первый выход счетчика параллельно подключен к первому входу блока сравнения и первому входу коммутатора, а выход буферного регистра подключен параллельно к второму входу блока сравнения и третьему входу коммутатора, выход блока сравнения подключен к второму входу коммутатора, вычислительный блок, вход "а" которого подключен к первому выходу коммутатора, вход "б" подключен к второму выходу коммутатора, третий вход вычислительного блока подключен к выходу элемента задержки, выход вычислительного блока является выходом устройства.

В отличие от известного в предлагаемом устройстве введены первый элемент ИЛИ, к первому входу которого подключен внешний сигнал "Пуск", RS-триггер, S вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу генератора квантующих импульсов, а второй вход подключен к выходу RS-триггера, выход второго элемента И подключен к входу формирователя, счетчик количества измерительных циклов, выход которого подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, второй элемент ИЛИ, выход которого параллельно подключен к входу R RS-триггера и к входу счетчика количества измерительных циклов, элемент задержки, формирователь импульса конца второго измерения, выход которого параллельно подключен к второму входу второго элемента ИЛИ и к входу элемента задержки, формирователь импульса конца первого измерения, первый выход которого параллельно подключен к входу формирователя импульса конца второго измерения и к первому входу второго элемента ИЛИ, вход формирователя импульса конца первого измерения подключен к выходу времязадающего узла, буферный регистр, первый вход которого подключен к второму выходу формирователя импульса конца первого измерения, а второй вход к второму выходу счетчика, блок сравнения, коммутатор, первый выход счетчика параллельно подключен к первому входу блока сравнения и первому входу коммутатора, а выход буферного регистра подключен параллельно к второму входу блока сравнения и третьему входу коммутатора, выход блока сравнения подключен к второму входу коммутатора, вычислительный блок, вход "а" которого подключен к первому выходу коммутатора, вход "б" подключен к второму выходу коммутатора, третий вход вычислительного блока подключен к выходу элемента задержки, выход вычислительного блока является выходом устройства. Введение вышеописанных элементов позволит исключить переменную составляющую, вызванную движением спутника за измерительное время, т.е. повысить точность измерения разности начальных фаз.

На чертеже представлена структурная схема заявляемого цифрового фазометра.

Предлагаемый цифровой фазометр содержит: двухканальный преобразователь сдвиг фазы - интервал времени 1, элемент 2И/ИЛИ 2, первый элемент И 3, счетчик 4, блок сравнения 5, коммутатор 6, вычислительный блок 7, формирователь 8, времязадающий узел 9, формирователь импульса конца первого измерения 10, буферный регистр 11, генератор квантующих импульсов 12, второй элемент И 13, формирователь импульса конца второго измерения 14, элемент задержки 15, первый элемент ИЛИ 16, RS-триггер 17, второй элемент ИЛИ 18, счетчик количества измерительных циклов 19.

Предлагаемый цифровой фазометр работает следующим образом. Двухканальный преобразователь сдвиг фаз - интервал времени 1 является двухполупериодным преобразователем. На Входы 1 и 2 преобразователя 1 поступают синусоидальные напряжения, сдвиг фаз между которыми предстоит измерить. На первом выходе преобразователя 1 формируется прямоугольный импульс, передний фронт которого привязан к положительному нулевому переходу колебания на Входе 1, а задний фронт - к аналогичной точке колебания на Входе 2 преобразователя. На втором выходе преобразователя 1 имеет место другой прямоугольный импульс, привязанный аналогичным образом к отрицательным нулевым переходам колебаний на Входах 1 и 2 преобразователя. Эти прямоугольные импульсы принято называть фазовыми интервалами. Генератор квантующих импульсов 12 формирует бесконечную последовательность импульсов. Из последовательности квантующих импульсов, прошедших через второй элемент И 13, на выходах формирователя 8 формируются две последовательности, сдвинутые на половину периода одна относительно другой. Фазовые интервалы квантуются в элементе 2И/ИЛИ 2. Подсчет количества импульсов, прошедших на выход элемента 2И/ИЛИ 2 производится счетчиком 4 за измерительное время (например, 1 с), которое формируется из квантующей последовательности времязадающим узлом 9, который, в сущности, представляет собой счетчик импульсов. Подсчет импульсов за постоянное время измерения производится с помощью первого элемента И 3. Если задать емкость счетчика времязадающего узла, равной 360/10^m (m - целое), то число импульсов, подсчитанное счетчиком 4, будет равно Ψ10^m.

Как описано выше, исключение детерминированной переменной составляющей производится на основании обработки результатов двух измерений, следующих одно за другим. Это производится следующим путем. Импульс внешнего сигнала "Пуск" проходит через первый элемент ИЛИ 16 и устанавливает RS-триггер 17 в единичное состояния, в результате чего квантующие импульсы проходят через второй элемент И 13 на вход формирователя 8. С этого же момента начинает формироваться измерительное время путем заполнения счетчика времязадающего узла 9. В момент завершения измерительного цикла в счетчике 4 накапливается число импульсов, пропорциональное измеряемому сдвигу фаз ψ1. В момент окончания первого измерительного цикла на выходе формирователя импульса конца первого измерения 10 появляется импульс "конец первого измерительного цикла". Под действием этого импульса значение ψ1 будет переписано в буферный регистр 11 из счетчика 4. Импульс "конец первого измерительного цикла" проходит через второй элемент ИЛИ 18, сбрасывает RS-триггер 17 в нулевое состояние, записывает 1 в счетчик количества измерительных циклов 19 и через первый элемент ИЛИ 16 вновь устанавливает RS-триггер 17 в единичное состояние. Начинается второй измерительный цикл. Емкость счетчика количества измерительных циклов 19 равна 2, поэтому в момент окончания второго измерительного цикла счетчик количества измерительных циклов 19 обнуляется, что обеспечивается импульсом "конец второго измерительного цикла" с выхода формирователя импульса конца второго измерения 14. В этот момент в счетчике 4 накапливает результат второго измерения ψ2. В блоке сравнения 5 происходит выявление одного из условий ψ1>ψ2 или наоборот. В результате сравнения на управляющий вход коммутатора 6 поступает сигнал, значения ψ1 и ψ2 на выходы коммутатора так, чтобы всегда обеспечивалось неравенство а>б. Это необходимо для корректного вычисления искомой величины ϕ_х. После небольшой задержки, вносимой элементом задержки 15, вычислительный блок 7 производит вычисление по формуле
ϕ_x = 2a-б,
где a = ψ1, если ψ1>ψ2, то б = Ψ2 и a = ψ2, если ψ1<ψ2,, то б = ψ1 как это предусматривается выражениями (4, 5).

Таким путем исключается переменная составляющая, вызванная движением спутника за измерительное время, т.е. повышается точность измерения разности начальных фаз.

Применение данного изобретения дает возможность, исключать переменную составляющую, вызванную движением спутника за измерительное время, т.е. повышать точность измерения разности начальных фаз.

Изобретение относится к устройствам измерений разности начальных фаз сигналов в присутствии переменной фазовой составляющей, имеющей периодический характер, в частности в системах связи, использующих ретранслятор, входящий в состав аппаратуры искусственного спутника Земли, размещенного на геостационарной орбите. Технический результат заключается в повышении точности измерения разности начальных фаз. Согласно изобретению цифровой фазометр содержит двухканальный преобразователь сдвиг фазы - интервал времени, элемент 2И/ИЛИ, первый элемент И, счетчик, формирователь, генератор квантирующих импульсов. Введение в фазометр блока сравнения, коммутатора, вычислительного блока, времязадающего узла, формирователя импульса конца первого измерения, буферного регистра, второго элемента И, формирователя импульса конца второго измерения, элемента задержки, первого элемента ИЛИ, RS-триггера, второго элемента ИЛИ, счетчика количества измерительных циклов 19 позволяет исключить переменную составляющую, вызванную движением спутника за измерительное время, т.е. повысить точность измерения разности начальных фаз. 1 ил.

Цифровой фазометр, содержащий двухканальный преобразователь сдвиг фазы - интервал времени, к первому входу которого подключен источник опорного напряжения, а ко второму - источник напряжения с измеряемым фазовым сдвигом, элемент 2И/ИЛИ, первый вход которого подключен к первому выходу двуканального преобразователя сдвиг фазы - интервал времени, а второй вход подключен ко второму выходу двухканального преобразователя сдвиг фазы - интервал времени, первый элемент И, первым входом подключенный к выходу элемента 2И/ИЛИ, формирователь, который первым выходом подключен к третьему входу элемента 2И/ИЛИ, а вторым выходом подключен к четвертому входу элемента 2И/ИЛИ, генератор квантующих импульсов, времязадающий узел, вход которого подключен к первому выходу формирователя, а выход подключен ко второму входу первого элемента И, счетчик, вход которого подключен к выходу первого элемента И, отличающийся тем, что в него введены первый элемент ИЛИ, к первому входу которого подключен внешний сигнал "Пуск", RS-триггер, S-вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу генератора квантующих импульсов, а второй вход подключен к выходу RS-триггера, выход второго элемента И подключен к входу формирователя, счетчик количества измерительных циклов, выход которого подключен ко второму входу первого элемента ИЛИ, второй элемент ИЛИ, выход которого параллельно подключен к входу R RS-триггера и входу счетчика количества измерительных циклов, элемент задержки, формирователь импульса конца второго измерения, выход которого параллельно подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ и входу элемента задержки, формирователь импульса конца первого измерения, первый выход которого параллельно подключен к входу формирователя импульса конца второго измерения и первому входу второго элемента ИЛИ, вход формирователя импульса конца первого измерения подключен к выходу времязадающего узла, буферный регистр, первый вход которого подключен ко второму выходу формирователя импульса конца первого измерения, а второй вход - ко второму выходу счетчика, блок сравнения, коммутатор, первый выход счетчика параллельно подключен к первому входу блока сравнения и первому входу коммутатора, а выход буферного регистра подключен параллельно ко второму входу блока сравнения и третьему входу коммутатора, выход блока сравнения подключен ко второму входу коммутатора, вычислительный блок, вход "а" которого подключен к первому выходу коммутатора, вход "б" подключен ко второму выходу коммутатора, третий вход вычислительного блока подключен к выходу элемента задержки, выход вычислительного блока является выходом устройства.