ФАЗОМЕТР С ГЕТЕРОДИННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ Российский патент 2004 года по МПК G01R25/00 H03D13/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения разности фаз пары сигналов и ее изменений во времени, что актуально при создании лазерных виброметров и иных устройств, где малые высокочастотные изменения фазы несут информацию об исследуемых процессах.

Известны фазометры различных конструкций, также называемые фазовыми детекторами, которые формируют сигнал, пропорциональный средней разности фаз двух прямоугольных логических сигналов. Например, известен фазометр, схема которого приведена на фиг.1, включающий два ограничителя, источник тока, перемножитель на ключах, нагрузку, выходной повторитель [Буга Н.Н. и др. Радиоприемные устройства. (Учебник для вузов) - М.: Радио и связь, 1986, с. 159 и 160] . Фазометр работает следующим образом. Входные сигналы гармонической формы, проходя через ограничители, приобретают форму прямоугольных импульсов длительностью, равной половине периода. Перемножитель на ключах коммутирует ток таким образом, что он протекает по нагрузке только при совпадении знака обоих сигналов, а в случае их несовпадения ток минует нагрузку. В результате через нагрузку протекает ток, пропорциональный логическому произведению входных сигналов. Этот ток имеет вид импульсов, частота следования которых равна частоте входных сигналов, а длительность пропорциональна разности их фаз. Среднее значение этого тока пропорционально разности фаз. Этот сигнал выделяется повторителем.

Недостаток описанного фазометра состоит в том, что он не позволяет измерять с высокой точностью малые высокочастотные приращения разности фаз. Это связано с необходимостью преобразования гармонического сигнала в прямоугольные импульсы, управляющие ключами, для чего служат ограничители. Эта операция вносит существенные шумы фазы, которые ограничивают чувствительность фазометра. Для качественной работы устройства требуется большой уровень сигнала и малый уровень шумов, причем даже небольшие шумы на входе ограничителей, далеко отстоящие по полосе от частоты входного сигнала, вызовут заметные шумы фазы сигналов на их выходах.

Наиболее близким к заявляемому устройству является фазометр, схема которого изображена на фиг. 2, включающий два канала последовательно включенных входных цепей и средств выделения разностной частоты, выполненных как последовательно соединенные смесители и избирательные усилители, гетеродинный генератор - времязадающее средство, низкочастотный фазометр - измеритель интервалов времени [В.И. Винокуров, С.И. Каплин, И.Г. Петелин. Электрорадиоизмерения. - М. : Высшая школа, 1986, с.173]. В описании фазометра указано, что при необходимости преобразование частоты может быть многократным, то есть двухканальных каскадов понижения частоты, образуемых гетеродинным генератором, смесителями и избирательными усилителями, может быть несколько, в этом случае они включаются последовательно.

Этот фазометр работает следующим образом. Входные сигналы U₁ и U₂ высокой частоты ω имеют вид:
U₁(t) = A•cos(ω₁t+ϕ₁),
U₂(t) = A•cos(ω₁t+ϕ₂).
Требуется измерить разность фаз Δϕ = ϕ₂-ϕ₁.
С этой целью входные сигналы U₁ и U₂ поступают через входные цепи на смесители, где смешиваются с сигналом от гетеродинного генератора U_Г, то есть умножаются на этот сигнал вида
U_Г(t) = cos(ω_Гt).
В результате формируются сигналы V₁ и V₂ разностной частоты Δω = ω₁-ω_Г, которые выделяются избирательными усилителями и поступают на низкочастотный фазометр (фиг. 3). Если оба канала идентичны, то фазовые соотношения между входными и выходными напряжениями сохраняются:
V₁(t) = Acos(Δωt+ϕ₁),
V₂(t) = Acos(Δωt+ϕ₂).
Избирательные усилители необходимы для удаления компонент суммарной частоты, которые также формируются смесителями. Низкочастотный фазометр - измеритель интервалов времени измеряет интервал времени между фронтами импульсов, поступающих на его входы. С этой целью, как правило, формируются прямоугольные импульсы R₁ и R₂ по фронтам каждого из этих сигналов (фиг.3). Эти импульсы отмечают начало и конец интервала, который заполняется высокочастотными счетными импульсами I_сч, количество которых подcчитывается и дает отсчет разности фаз Δϕ на данном интервале усреднения.

В данном случае разность фаз двух сигналов Δϕ определена как доля длительности между двумя одинаковыми значениями фазы двух сигналов Δt в длительности периода Т разностной частоты Δω:
Δϕ = Δt/T = ΔtΔω/2π.

Эта доля с понижением частоты от ω до Δω сохраняется, а поскольку период частоты Т понижается, то подлежащий измерению интервал Δt увеличивается, что позволяет повысить точность измерения.

Таким образом, точность измерения разности фаз, усредненной за большой интервал, достигается достаточно высокой.

Недостаток этого фазометра также состоит в том, что он не позволяет измерять с достаточно высокой точностью спектр малой высокочастотной компоненты δϕ в условиях большой низкочастотной компоненты ϕ_НЧ. Информация об изменениях фазы во времени теряется, фазометр позволяет получить только дискретные отсчеты значений разности фаз Δϕ, усредненной за один период частоты Δω (то есть на интервале Т). Если эта частота высокая, то фазометр имеет низкую точность, если эту частоту понижать, то информация поступает не достаточно часто.

Иными словами, методика измерения фазы основывается на измерении временных интервалов между моментами, когда результирующие сигналы разностной частоты Δω принимают нулевые значения. Измерение временных интервалов осуществляется подсчетом количества импульсов высокой частоты F_ВЧ, которая заполняет эти интервалы.

Таким образом, описанный фазометр не обладает достаточной точностью измерения малых высокочастотных девиаций фазы δϕ.
Например, для измерения фазы с погрешностью не более δ=0,01% от периода разностной частоты Δω частота заполнения F_ВЧ измеряемого интервала должна быть в 10000 раз выше этой частоты (F_ВЧ>10⁴•Δω). Допустим, частота заполнения равна F_ВЧ= 10⁸ Гц, тогда разностная частота равна 10⁴ Гц, результаты отсчета поступают со скоростью 10⁴ отсчетов в секунду. В этом случае, согласно теореме Котельникова, верхняя граница спектра приращений фазы, который может быть измерен, составляет половину этой частоты, то есть f_В=0,5•10⁴ Гц. То есть имеет место соотношение вида
f_В/δ<0,5•F_ВЧ,
то есть нельзя при фиксированной F_ВЧ одновременно поднять точность измерения и расширить полосу измеряемых фазовых девиаций.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности непрерывного измерения спектра малых высокочастотных компонент девиаций фазы δϕ.
Для решения поставленной задачи предлагается фазометр, содержащий два средства выделения разностной частоты, выполненных в форме двух идентичных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с общим времязадающим средством, тактирующим их работу, и устройством сбора и обработки данных.

Таким образом, задача точного измерения временных соотношений по одному пороговому уровню (нулевому) заменяется задачей точного измерения значений сигнала с точной привязкой их ко времени измерения. Информативность результата измерения резко повышается, что позволяет повысить точность и (или) расширить полосу частот, т.е. преодолеть соотношение неопределенности вида (1).

Фазометр показан на фиг.4. Он содержит два идентичных АЦП, времязадающее средство и средство сбора и обработки данных. Фазометр не содержит входных цепей, кроме тех, что входят в состав АЦП. Поскольку известно, что всякая дополнительная входная цепь вносит фазовые шумы, особенно индуктивные цепи, принимающие радиочастотную помеху из эфира, следовательно, предлагаемый фазометр не имеет дополнительных фазовых шумов.

Принцип действия фазометра основан на стробоскопическом эффекте. Частота ω₂ получения отсчетов аналогового сигнала с помощью АЦП точно известна и с некоторой точностью в заданное целое число k раз превышает частоту этого сигнала. Это позволяет получить отсчеты разностной частоты, не применяя гетеродинный генератор, смесители и избирательные усилители.

Фазометр работает следующим образом.

Пусть входные сигналы имеют вид
U₁(t) = A•cos(ω₁t+ϕ₁),
U₂(t) = A•cos(ω₁t+ϕ₂),
а отсчеты следуют с интервалом τ = 2π/ω₂, где частота получения отсчетов равна ω₂ = kω₁+Δω. Сигнал U₁ преобразуется следующим образом.

Если t₀=0, время получения текущего отсчета равно t₁ = i•2π/ω₂, значение этого отсчета в этот момент имеет вид
U₁(t_i) = A•cos(ω₁•i•2π/ω₂+ϕ₁).
Подставив ω₁ = k^-1(ω₂-Δω), получим


С учетом t_i = i•2π/ω₂ получаем

В предположении, что темпы изменения амплитуды и фазы существенно ниже несущей периода частоты, можно утверждать, что вид сигнала незначительно меняется за время, соизмеримое с несколькими периодами. Тогда при k=1 вторым слагаемым под аргументом косинуса можно пренебречь, поскольку оно дает сдвиг фазы каждого последующего отсчета ровно на один период по сравнению с фазой предыдущего отсчета.

Таким образом, мы сразу получаем цифровые отсчеты сигнала разностной частоты Δω со сдвигом фазы который необходимо измерить.

При k>1 мы получаем за один период k отсчетов разностной частоты.

Если k - четное число, то одна половина этих отсчетов сдвинута относительно другой полвины на половину периода, и мы можем, инвертируя их значения, как бы осуществить тем самым обратный сдвиг на половину периода, а результаты отсчетов усреднить попарно с первой половиной отсчетов. Если в сигнале присутствует постоянное смещение, оно, таким образом, устраняется,
Пусть, например, k= 2. Тогда, введя обозначения для четных и нечетных значений аргумента, i_Ч=2n; i_НЧ=2n+1, получим:
U₁(t₀) = A•cos(ϕ₁).




To есть мы получаем две различные последовательности отсчетов, которые взяты вдвое реже и имеют постоянный фазовый сдвиг между собой на половину периода, а значит, вторая последовательность меняет знак на противоположный в сравнении с первой последовательностью. Простым инвертированием нечетных результатов отсчета мы можем получить одну последовательность отсчетов на разностной частоте при этом отсчеты будут следовать вдвое чаще, то есть с изначальной частотой взятия отсчетов.

При k=3 получается последовательность отсчетов, которую можно разделить на три отдельные последовательности, сдвинутые относительно друг друга на треть периода разностной частоты. При k=4 получим четыре последовательности со сдвигом фаз на четверть периода, а инвертированием каждого третьего и четвертого отсчета получим две последовательности со сдвигом на четверть периода.

Этот пример проиллюстрирован на фиг.5. На первый АЦП поступает высокочастотный сигнал U₁. Отсчеты происходят с частотой, определяемой выходным сигналом времязадающего устройства U₃. Каждый канал фазометра осуществляет четыре отсчета высокочастотного сигнала за один период этого сигнала, точки отсчетов обозначены маркерами. Если эту последовательность разделить на четыре последовательности, то каждая из них дает отсчеты гармонической функции разностной частоты со своим фазовым сдвигом (линии W₁, V₁, W₂, V₂). Сдвиг фазы каждой последующей линии равен четверти периода, поэтому линия W₂ сдвинута на половину периода по сравнению с линией W₁ и повторяет эту же функцию с противоположным знаком. Аналогично, линии V₁ и V₂ отображают взаимно инверсные функции. Поэтому программным путем можно слить линии W₁ и W₂ в одну (обозначим ее W₁), а линии V₁ и V₂ в другую (V₁), соответственно синхронную и квадратурную компоненты так называемого аналитического сигнала, то есть сигнала, представленного его проекциями на две ортогональные оси. Для сигнала такого вида
W₁ = sin[Δω+ϕ₁(t)], V₁ = cos[Δω+ϕ₁(t)]
определены понятия мгновенной частоты ω₁(t) и мгновенной фазы ϕ₁(t) [Френкс Л. Теория сигналов - М.: Сов. радио, 1974, 344 с]. Эти величины могут быть вычислены из исходных величин и их производных - dW₁/dt и dV₁/dt.

А именно:

Аналогично действует второй канал, формирующий из сигнала U₂ пару сигналов W₁ = sin[Δω+ϕ₁(t)], V₁ = cos[Δω+ϕ₁(t)], для которой справедливы такие же соотношения:

Описанным выше путем можно определить мгновенную частоту каждого из сигналов, то есть производную от мгновенной фазы. Интегрированием по времени разности этих сигналов можно получить сигнал, пропорциональный высокочастотной компоненте текущей разности фаз δϕ.
Таким образом, описанный фазометр позволяет измерять с высокой точностью спектр малых высокочастотных компонент текущей разности фаз δϕ.
Описанный фазометр может быть применен для измерения фазы одного сигнала во времени. С этой целью может быть использован любой из каналов, а второй канал не применяется и может отсутствовать.

На фиг.1 приведена схема фазометра-аналога.

На фиг.2 приведена схема фазометра-прототипа.

На фиг.3 приведена диаграмма сигналов фазометра-прототипа.

На фиг.4 приведена схема предлагаемого фазометра.

На фиг.5 приведена диаграмма сигналов фазометра при k=4.

В качестве устройства сбора и обработки данных может быть применена персональная ЭВМ, в качестве двух АЦП с входными цепями и с времязадающим устройством может быть использована звуковая плата, входящая в состав современных персональных ЭВМ или встраиваемая в более старые модели. Для этого достаточно, чтобы несущая частота ω₁ парного сигнала U₁, U₂ была близка (но не равна) частоте ω₂ взятия отсчетов звуковой платы, умноженной на целое число. Если это не так, то достаточно применить каскад понижения частоты (например, на микросхеме МС3361), как показано на фиг.6, если это условие выполняется, то этот каскад не требуется. Таким образом, вся операция измерения фазы может быть осуществлена на стандартной звуковой плате, включенной специальным (нестандартным) образом, с применением на входе каскада понижения частоты и с соответствующим программным обеспечением.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения разности фаз пары сигналов и ее изменений во времени, что актуально при создании лазерных виброметров и иных устройств, где малые высокочастотные изменения фазы несут информацию об исследуемых процессах. Достигаемый технический результат - повышение точности непрерывного измерения спектра малых высокочастотных компонент девиации фазы δϕ. Фазометр содержит времязадающее устройство, по крайней мере, пару средств выделения разностной частоты, каждое из которых выполнено в форме аналого-цифрового преобразователя, средство сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты, включающий времязадающее средство и, по крайней мере, пару средств выделения разностной частоты, отличающийся тем, что он содержит средство сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз, а каждое средство для выделения разностной частоты выполнено в форме аналого-цифрового преобразователя, связывающего с названным средством сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз входы фазометра, причем выход времязадающего средства соединен с тактовыми входами аналого-цифровых преобразователей и со входом средства сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз, а аналого-цифровой преобразователь выполнен таким образом, что несущая частота входных сигналов с некоторой точностью в заданное целое число раз превышает частоту получения их отсчетов с его помощью.2. Фазометр по п.1, отличающийся тем, что аналого-цифровые преобразователи, времязадающее средство и средство сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз выполнены в виде персональной ЭВМ, снабженной звуковой платой.3. Фазометр по п.2, отличающийся тем, что его вход снабжен каскадом понижения частоты, состоящим из гетеродинного генератора и двух идентичных смесителей с фильтрами низких частот на выходе, причем вторые входы смесителей соединены с выходом гетеродинного генератора, а частота упомянутого генератора выбирается такой, что частота на выходе времязадающего средства близка к разности между несущей частотой входных сигналов и частотой гетеродинного генератора, умноженной на целое число.