Цифровой измеритель разности фаз Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 G01R25/08 

Изобретение относится к технике электрорадиоиэмерений и может быть использовано в фазометрической аппаратуре с повышенными метрологическими характеристиками.

Известно цифровое устройство для оптимального измерения фазы сигнала содержащее полосовой фильтр, генератор дискретных аргументов, соединенный с тригонометрическими блоками S in W . и cos If, которые, в свою очередь,-подсоединены к множительному блоку, один непосредственно, а второй через линию задержки, тригонометрический блок arcing,цифровой вольтметр двойного интегрирования, вход которого соединен с выходом Множительного устройства, а выход с тригонометрическим блоком arcte, причем. сигнальный вход множительного устройства подключен к выходу полосового фильтра Cll.

Недостатком указанного устройств является ухудшение его точностных характеристик при наличии помех в канале.сигнала.

Известно также устройство для .оптимального измерения фазы, представдяющее корреляционный измеритель с ортогональной обработкой сигналов , в котором реализуется алгоритм оптимального измерения фазы для синусоидальных сигналов-с известной амплитудой в условиях наличия помех в вид.е белого шума.

Устройство содержит два перемножителя, на входы которых подают измеряемый и.опорный сигналы, причем измеряемый сигнал поступает на перемножители синфазно, а опорный на один из перемножителей непосредственно., а на другой перемножитель через фазосдвигающую цепь -/2, Два интегратора, блок.деления и тригонометрический блок arctg 2 . .

Указанное устройство характеризуется недостаточной точностью в случае сигналов с неизвестной амплитудой, что. обусловлено влиянием на результат измерения разности фаз изменений амплитуды входного сигнала..

Цель изобретения - повышение точнрсти измерений, при наличии помех и расширение функциональных возможностей измерителя. .

Указанная цель достигается тем, что в цифровой измеритель разности фаз, содержащий генератор гармонического напряжения, выход которого соединен с входом фазосдвигающей цепи Jr/2, последовательно соединенные первые перемножитель и цифровой интегратор, последовательно соединенные вторые перемножитель и цифровой интегратор, блок деления, первый вход которого соединен с выходом первого цифрового интегратора

второй вход - с выходом второго ЦИФ1

рового интегратора а выход - с входом тригонометрического блока arctg,, введены последовательно соединенные первые блок преобразования частоты, блок аналого-цифров.ого преобразователя, первый дополнительный перемножитель, последовательно соединенные вторые блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования и второй дополнительный перемножитель , последовательно соединенные третьи .блок преобразования частоты и блок аналого-цифрового преобразования, а также блок суммирования, блок вычитания и блок определения отношений, причем сигнальный вход первого блока преобразования частоты соединен с сигнальным входом второго блока преобразования частоть и шиной входного сигнала, гетеродинны .входы первого и третьего блоков преобразования частоты соединены с выходом генератора гармонического напряжения, сигнальный вход третьего блока преобразования частотысоединен с шиной опорного сигнала, а гетеродинный вход второго блока преобразования частоты соединен с выходом фазосдвигающей цепи 7Г/2, вторые входы первого и вто.рого дополнительных перемноичителей соединены с выходами, соответственно первого и второго цифровых интеграторов, а. выходы - с входами блока суммирования, выход которого соединён с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока аналого-цифрового преобразования, а выход - с первыми входами первого, и второго перемножителей, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго блоков аналого-цифрового преобразования, а первый и второй, входы блока определения отношений соединены соответственно с первым и вторым входами блока деления.

На чертеже представлена схема оптимального цифрового измерителя л разности фаз.

Устройство содержит блоки 1-3 преобразования частоты, генератор 4 гармонического напряжения, фазосдвигающую цепь 5 .7/2, блоки б-ё аналогоцифрового преобразования, .перемножители 9 и 10, дополнительные перемно.жители 11 и 12, цифровые интеграторы 13 и 14, блок 15 деления, блок 16 суммирования, блок 17 .вычитания, тригонометричес.кий блок 18 aret;g- ,блок 19 определения отношений, входную шину 20 измеряемого сигнала и входную шину 21 опорного сигнала.

.Измеряемый сигнал на шине 20

. я,вляетх;я входным сигналом блоков 1

5 и 2 преобразования частоты, на которых вьвделяются сигналы- более низкой частоты, сдвинутые по фазе на ЗГ/2 образующие синфазную и ортогональную составляющие измеряемого сигнал путем подачи на гетеродинный вход блока 1 преобразования частоты сигнала с выхода генератора 4гармонического напряжения, а на гетеродинный вход блока 2 преобразования частоты выходного сигнала с фазосдвигающей цепи 5 .F/2. .ОпорЩй сигнал на шине 21 является входным сигналом блока 3 преобразования , частоты, на гетеродинный вход которого поступает сигнал с выхода гене ратора 4 гармонического напряжения. Выходы блоков 1-3 преобразования частоты соединены соответственно с входами блоков 6-8 аналогоцифрового преобразования, причем вы ход блока 6 соединен с входами перв гд Т7еремножйтёлйг::а ийервого дополнительного перемножителя 11, выход блока 7 соединен с входами . второго перемножителя 10 и второго дополнительного перемножителя 12. Выходы перемножителей 9 и 10 соединены с входами интеграторов 13 и 14 выходы которых соединены с вторыми входами дополнительных перемножителей 11 и 12, выходы которых соеди нены с входами блока 16 суммирования. Входы блока 17 вычитания соединены с выходами блока16 суммирования и блока 8, а выход - с вторыми входами перемножителей 9 и10. Выходы интеграторов 13 и 14 соединены также с входами блока 19 определения отношений и блока 15 деления, выход которого соединен с вход тригонометрического блока 18 arctg Информация тригонометрического блока 18 arctg и блока 19 определения отношений является выходной инфор мацией измерителя. В измерителе вьаполняется перенос измеряемого и опорного сигналов на более низкую частоту, выделение синфазной и ортогональной составляющих измеряемого сигнала, аналого-цифровое преобразование сигналов , определение разности цифровых значений измеряемого и опорного сигналов, определение весовых коэффициентов, пропорциональных коэффициенту корреляции мехду полученной разностью и синфазной и орто тональной составляющими измеряемого сигнала, перемножение дискретных значений синфазной и ортогональной составляющих измеряемого сигнала на полученные весовые коэффициенты, су мирование указанных составляющих и регистрации значений разности фаз и отношений амплитуд измеряемого и опорного сигналов по установившимся значениям весовых коэффициентов.

1033982 Оптимальный цифровой измеритель разности фаз работает следую13им образом. Блоки 1 и 2 преобразования частоты выполняют перенос измеряемого сигнала, поступающего по шине 20 на более низкую частоту, а также ьвмделение его синфазной и орт Ьнальной- составляющих, обес ечиваемое тем, что на гетеродйИНЬЕй вход бло.ка 1 прербр аования частоты поступает сигнал с генератора 4 гармони|Ческого сигнала, а на .гетеродинный вход блока 2 преобразования частоты - сигнал с фазосдвигающей .цепи 5 Jr/2. Блок 3 преобразования частоты выполняет перенос опорного сигнала, поступающего- по шине 21 на более .низкую частоту. Сигналы с выхода блоков 1-3 преобразования частоты с помощью блоТсов 6-8 аналого-цифрового преобразования преобразуются в цифровую форму и далее выполняется обработка информации в цифровом виде. -Код синфазной составляющей измеряемого сигнала поступает на первые входы перемножителей 9 и 11, а ортогональной составляющей измеряемого сигнала - на первые входы перемножи.телей АО втрй1е входы перемножителей 9 и, 10 nocTynaef :BEixcmr-ной сигнал блока 17 вычитания, представляющий разность кодов, опорного и измеряемог.о сигналов. Измеряеншй сигнал, поступающий на вход блока 17 вычитания, образуется путем сложения в блоке 16 суммирования кодов с выходов перемножителя 11, выполняющего обработку синфазной составляющей с 1гнала, и перемножителя 12, выполняющего обработку ортогональной составляющей сигнала. Код разности e(t;)измеряемого и опорного сигналов, получаемый на выходе блока 17 вь читания, определяется|e(ii)(ti)(ti)w2X2(t,.;, где t,- -.моменты времени, соответствующие дискретным выбор-. кам блока аналого-цифрового преобразования. )(t.4); Xl(t4)X,,u(ti).)i (2(t,,{t.)+X cos{nti.4J; Х()и XjC,-) цифровой сигнал на выхо-7 е блоков б и 7, представляющий сумму сигнала и шума соответственно синфазной и ортогональной составляюих;S2 - частота преобразованного (на ыходах блоков 1-3)измеряемого и опорного сигналов; 4, и {j - соответственно фаза изеряемого и опорного сигналов;

R(-t)- цифровой сигнал на выходе блока 8, являюищйся опорным/

W и Wj цифровой код весовых коэффициентов, вырабатываемый цифровыми интеграторами 13 и 14,

Ксщ разности g(t{)измеряемого и

oпopнoгo Sз4 ; н:aлoв умножается в умнохштеле 9 нацй овой код синфазной составляющей сигйг ца, который поступает с блока б.

На выходе умножителя 9 0« дзуется цифровой сигнал, определяемый -

E(t.)Xl(t.)R(i-)Xl(t,)-W1Xl()Xl(ti)-W2X2(t.)i xxi(t.) .,

Полученный цифровой сигнал усредняется по времени интегратором 13. На выходе интегратора 13 получим среднее значение цифрового сигнала (t)x(t,-) которое определяется выражением .

lt)Xl(t.)-R(t.)Xl(t.)-W1X1(t.)X1(t,)-W2X2(t)Xl(t. .(1

Аналогично на выходе интегратора 14 будем иметь ..

(t.)X2(t.)R(b)X2(tO-WlXl(t.)X2(t.)-W2X2(t)X2(t. . (2)

Полагая, что собственные шумы, которые можно рассматривать как помехи в .синфазной и ортогональных составляющих сигнала равны по мощности, но не, коррелированы, получим

Xl(t.)R(t.) XcXoC0344.WOR MoSin i/iXntt)Xl(t,-)x2.

Ш 2 . X2(t.)X2(t,-) x2fX

ш X1(t.)X2(t,.)Oi X2(ti)Xi(t) 0;

.

Подставляя в уравнения (1) и (2) выражения (З) и приравнивая левые части к нулю, т.е..полагая, что разностный сигнал E(-t) на выходе блока 17 вычитания в установившемся режиме стремится к нулю, определим устаноА1вшиеся оптимальные значения весовых коэффициентов ЛХ/1, w на выхр-

дах интеграторов 13 и 14 в цифровом виде

wi-ЛШМ. .xi(t,-)xi(t;)

. X2(t.)R(t.)

(tj)X2(ti)

В результате деления блоком 15 деления полученных коэффициентов и дальнейшего преобразования тригонометрическим блоком 18 получим измеряемую разность фаз между опорным и измеряемым сигналами

. U2 (

Блок 19 определения отношений вычисляет функцию YwHtw22 равную

Х

VwVvx r

ш

Хс

При отношении мощности.шумов к мощности сигнала много меньшем единицы (что обычно бывает на практике) на выходе блока 19 определения отношений вырабатывается код, соответствующий отношению напряжений опорного и измеряемого сигналов..

Таким образом, использование оптимального цифрового измерителя разности фаз позволяет выполнять определение разности фаз с учетом отношений амплитуд входного и опорного сигналов, что обеспечивает расширение функциональных возможностей измерителя, а также выполнять оптимизацию измерения разности фаз, т.е. минимизацию ошибки измерения при наличии в измеряемом сигнале различного вида помех, а cлeщ вательно, повысить точность измервгния разности фаз.

При этом обеспечиваются пределы измерения разности фаз О-ЗбО и .ношений С1МПЛИТУД, определяемых в общем случае разрядностью блоков аналого-цифрового преобразования.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ, содержащий генератор гармо-. нического напуя«ения, выход которого соединен с входом фазосдвигающей цепи /2, последовательно соединенные первые перемножитель и цифровой интегратор, последовательно соединенные вторые пе1ремножитель и цифровой интегратор, блок деления,- первый вход которого соединен с выходом первого цифрового интегратора второй вход - с выходом-второго цифрового интегратора, a выход - с входом тригонометрического блока arctg, отлич ающи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений при наличии помех и расширения функциональных возможностей измерителя, в него введены последовательно соединенные первые блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования, первый дополнительный перемножитель, последовательно соединенные вторые блок преобразования частоты, блок аналогоцифрового преобразования и второй дополнительный перемножитель, после,довательно соединенные третьи блок преобразования частоты и блок аналого-цифрового преобразования, a также блок суммирования, блок вычитания и блок определения отношений, причем сигнальный вход первого блока преобразования частоты, соединен с сигнальным входом второго блока преобразования частоты и шиной входного сигнала, гетеродинные входы первого и третьего блоков преобразования частоты соединены с выходом генератора гармонического напряжения, сигнальный вход третьего блока преобразования частоты соеi. динен с шиной опорного сигнала, a гетеродинный вход второго блока (О преобразования частоты соединен с выхоДЬм фазосдвигающей цепи /2, вторые входы первого и второго дополнительных перемножителей соединены с выходами, соответственно первого и второго цифровых интеграторов , a выходы - с входами блока суммирования, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, со со со второй вход которого соединен с выходом третьего .блока аналого-цифрового преобразования, a выход - с входами первого и второго перемножителей ,.вторые входы которых 00 ГС соединены с выходами соответственно, первого и второго блоков аналого-цифрового преобразования, a первый и второй входы блока определения отношений соединены соответственно с первым и вторым входами блока деления.