Способ измерения сдвига фаз Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 

Изобретение отнсх:итх:я к измеритель- ной технике и прецназначено, в частности, пля измерения величины угла сцви- га фаз между двумя периодическими снг налами.

Известно устройство, реализующее способ измерения савига фаз, основакньй на сравнении во времени коротких импульсов, сформированных из исследуемого и опорного сигналов, с короткими импульсами эталонного генератора, частота которого близка к частоте исслецуемого (опорного) сигнала, и выделении временного интервала между выходными импульсами схем совпадений, равного интерва;ту времени, пропорциональному углу сдвига фаз, умноженному на целое число jjL .

Недостатком известного способа яв ляется возмо «1ость нефиксаций моменто совпадений коротких импульсов эталон, ного генератора с короткими импульсами, сформированными из исследуемого (опорного) сигнала, в случае их малого перекрытия. В связи с этим диапазон частот исследуемого и опорного сигналов сужается, так как не обеспечивает ся достоверность отсчетов при больших расстройках частоты эталонного генератора и частоты исследуемого и опорного сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения сдвига фаз, основанный на сравнении во времени последовательностей импульсов, сформированных из опорного и исследуемого периодических сигналов, с последоватепьно стью импульсов эталонного сигнала, формировании опорной и фазовой последовательностей пакетов совпацений импульсов эталонного сигнала с импульсми соответственного опорного и исследуемого сигналов, выделении одинаковых по порядку следования импульсов каждого пакета совпадений опорной и фазовой последо тельностей. При этом искомый фазовый сдвиг определяют по подсчитанному числу периодов эталонного сигнала между ближайшими выделенными импульсами опорной последовательности, а также числу периодов эталонно1х сигнала, подсчитываемых в фазовом интервале ограниченном выделенным импульсом опорной последовательности и ближайшим следующим за ним выделенным импульсо фазовой последовательности.

Способ позволяет повысить достоверность результата измерений за счет

ТОГО, что длительности импульсов могут выбираться доста точно большими, вследствие чего фиксация совпадений обеспечивается в более широком диапазоне расстроек частот сравниваемых последовательностей .

Однако при этом погрешность квантования в области больших расстроек частот сравниваемых последовательностей остается большой.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз в области больших расстроек частот эталонного и опорного (исследуемого) сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения сдвига фаз, включающему сравнение во времени опорной и фазовой последовательностей импульсов, сформированных из опорного и исследуемого периодических сигналов, с эталонной последовательностью импульсов, формирование опорной и фазовой последовательностей пакетов совпа цений импульсов эталонной последовательности соответственно с импульсами опорной и фазовой последовательностей, формирон1ание опорной и фазовой последовательностей выделенных, одинаковых по порядку следования импульсов из соответствующих последовательностей пакетов совпадений, подсчет числа периодов эталонной последовательности в каждом из опорных интервалов, образованных ближайшими импульсами опорной последовательности выделенных импульсов, а также подсчет числа периодов эталонной последоштельности в каждом из фазовых интервалов, начальной границей которых являются импульсы опорной последовательности вьщеленных импульсов, а конечной - ближайшие, следуюшие за ними, импульсы фазовой последовательности . выделенных импульсов, и расчет искомого савига фаз, дополнительно циклами формируют мерные последовательности, сравнивая поочередно длительности соседних временных интервалов, границы которых образованы ближайшими импульсами исходной последовательности, а мерную последовательность со :тавляют из тех импульсов исходной последовательности, которые образуют конечные (или начальные) границы интервалов, цлительность которых больше (или меньше) предшествукэших им интервалов, причем в первом цикле в качестве исходной применяется опорная последовательность выделенных, одинаковых по порядку следования импульсов из опорной последовательности паке- тов совпааений, а в каждом послеауюшем цикле исходной является мерная после.довательность импульсов, сформированная в пр цшествуюшем ему цикле, при этом процесс формирования мерных последова- тельиостей прекращают на том цикле, в котором интервал между соседними импульсами мерной последовательности превысит заданное значение, формируют мерный интервал между ближайшими импульсами мерной последовательности , сформированной в последнем цикле, и в этом мерном интервале определяют суммарное число периодов эталонной последовательности, посчитываемых в опорBbix интервалах, и суммарное число пери одов эталонной последовательности, подсчитываемых в фазовых интервалах. -Измерение сдвига фаз осуществляется следующим образом, На начальном этапе опорный и фазовый сигналы с периодом Тц преобразуют в последовательности импульсов с сохра нением фазового сдвига и периоца и . сравнивают во времени с эталонной по- следовате-льностью импульсов, имеющей период Тд, При сравнении опорной последовательности импульсов с эталонной формируют последовательность пакетов совпадений, а при сравнении фазовой последовательности импульсов с эталонной формируют фазовую последовательность пакетов совпадений. Далее проводят формирование последовательностей выделенных импульсов. Для этого из каждого пакета совпадений опорной последовательности пакетов совпадений выделяют | -е, одинаковые по порядку следования (например, первые) импульсы и, такий образом, получают опорную последовательность выделенных импульсов. Параллельно,аналогичным образом, выделяют одинаковые по порядку следования импульсы из каж дого пакета совпадений фазовой последо вательности пакетов совпадений и тем . самым формируют фазовую последовател ность выделенных импульсов. Проводят подсчет числа периодов эталонной последовательности в каждом опорном интервале, образованном соседними импульсами опорной последовательности выделенных импульсов (i -номер опорного интервала по порядку следования). Подсчитывают также число N(| периодов эталонной последовательности в фазовых интервалах, начальной границе которых являются импульсы опорной последовательности выделенных импульсов, а конечной - ближайшие следующие за ними импульсы фазовой последовательно сги выделенных импульсов. В указанной последовательности действий начального этапа осушествлется прямая трансформация искомого сдвига фаз на более низкую частоту следования пакетов совпадений путем сравнения последовательностей импульсов исследуемых сигналов с импульсами эталонной последовательности. При этом осуществляется квантование периода Тц опорной и фазовой последовательностей импульсами эталонной последовательности с шагом лТд t.T,-T,-T, Подсчитав число1Т1 М периодов эталонной последовательности в опорном интервале и число п - Mq) в фазовом интервале, попавшем в i -и опорный инч тервал, можно вычислить искомый угол сдвига фаз по формуле В первом цикле сравнивают поочередно соседние опорные интервалы (imTepвалы, границами которых являются блих айшие импульсы опорной последовательнести выделенных импульсов) и выделяются те интервалы, длительность которь1х больше (или меньше) длительности предшествующих им интервалов. Для формирования мерной последовательности исполь зуют импульсы, образующие начальные (или сонечные) границы выделенных интервалов. Определяют суммарное значение числа периодовТ эталонной последовательности в 1штервале, образованном соседними импульсами мерной последовательностиЪ, где 6 число опорных интервалов, попавших в указанный интервал мерной ; последовательности. Если оказывается, что ., где - наперед заданное число, о обеспечивающее требуемую точность из$мерения сдвига фаз, то проводят второй цшсл формирования мертой последовател нести. Во втором цикле сравнивают поочередно сосеание интервалы мерной после- повательноети, полученной в первом цик ле, и выделяют те интервалы, цлительность которых больше (или меньше) апительности преашествующих им интервалов. Из импульсов, образующих начальные (или конечнью) границы выделе ных интервалов, формируют мерную последовательность второго цикла, котора является исходной цля третьего цикла. При выполнении условия Я аля К1ерной послецовательности второго цикла аналогичным образом проводят трети и: последующие циклы формирования мер последовательностей. Прекращают процесс формирования мерных последсоательностей на том Ч;-м цикле (, 2 ...), в котором сум марное число периодов эталонной последовательности Мз удовлетворяет ус ловию MgS ,.B качестве мерного ин™ тервала выбирают любой интервал межд шижайшими импульсами полученной мер ной последовательности и в этом ин 1:ервале определяют суммарное число периодов эталонной послецовательности (обозначим его N ), а также суммарно число периодов эталонной последова;гельности, попавших в фазовые интервалы (обозначим его W(. ) по IP f- 44 Полученные значения М иНш исполь зуют для расчета искомого угла сдвига фаз На чертеже показана структурная сх ма оцного из вариантов устройства, реа лизующего способ. Устройство содержит генератор 1 эталонной частоты, формирователи 2 и 3, элементы 4 и 5 совпадения, триг1П9ры 6 и 7 мерного и фазового интерва лов, ключи 8 и 9, счетчики 10 и 11 импульсов попавших в мерапый и фазовы 1штервал, элемент 12 ИЛИ, hi каналов, Jsaждый из которых входат счетчик 13)санала, регистр 14-t, блок iS-icpaeиения кодов, цешифратор 16-i, вспомогательные ключи 17- и 18-1, допол- 496 нительные счетчик 19, регистр 20, блок 21 сравнения кодов и ключ 22, Внутри кажаого канала выход счетчика 13- 1 соединен с коцовьы входом ре гистра 1.4- и первым входом блока 15- 4 сравнения кодов. Второй вход блока 15- соединяется с входом дешифратора 16- 1 и выходом регистра 1.4-1. Выход блока 15 1 сравнения кодов оое« циняется с управляющим входом ключа 17-, Вькод дешифратора 16- соединяется с управляющим входом ключа 18-ь Управляющие входы счетчика 13- регистра 14- внутри каждого канала, начрршя с второго, соединены между собой и с импульсными входами ключей 17 и 18, а затем соециняются С выходом ключа 17-(1-l) прэдыпушего канала. Входы счетчика 13-1, регистра 14-1, ключей 17-1, 18-1 первого канала соединены между собой и с выходом элемента 4 совпадения. Выхо-- ды ключей 18- каждого канала, а также выход ключа 17-П7 послецнего канала соединяются с соответствующими входами элемента 12 ИЛИ. Выход генератора 1 эталонной частоты соединяется с импульсными вхоцами счетчиков 13- -i всех каналов, с первы ми входами элементов 4 и 5 соБпаценкя, импульсными входами ключей 8 и 9 и импульсным входом дополнительного счетчика 19. Выходы формирова1елей 2 и 3 соединены с вторыми входами элементов 4 и 5 совпадения. На входы формирователей 2 и 3 поступают опор ный и исследуемый сигналы. Въжод элемента 5 совпадений соединен с ут1 равляющими входами дополнительного счетчика 19, регистра 20 и импульсным входом ключа 22. Выход дополнительно. го счетчика 19 соединен с первым вхо. дом блока 21 сравнения кодов и с кодовым входом регистра 20, выхоа которого соединен с вторым входом блока 21, сравнения кодов. Выход блока 21. срав нения кодов соединен с импульсным входом ключа 22, выход которого соединен с вторым управляющим входом триггера 7 tljaaoaoro изггервапа. ПервьШ управляющий вход триггера 7 фазового интервала соединен с выходом ключа 171 первого канала. Выход триггера 7 фа-« зового инг-ервала соединен с вторым управляющим входом ключа 9, первый управляющий вход которого соец$-шен с управляющим входом ключа 8 и выходом триггера 6 мерного интервала,. Выходы ключей 8 и 9 соединены соответствен но с входами счетчиков 10 и 11 импульсов. Выход счетчика Ю импульсов соединен с вторым управляющим входом триггера 6 мерного интервала, первый управляющий вход которого соединен с выходом элемента 12 ИЛИ. Устройство работает следующим образом. Счетчик 13-1 непрерывно проводит подсчет поступающих на его вход генера тора 1 эталонной частоты импульсов. Однако, каждый раз по заднему фронту импульса совпадения, поступающего в канал с элемента 4 совпадения, содер жимое счетчика 13-1 переписывается в регистр 14-1, а сам счетчик обнуляется. Одновременно блок 15-1 сравнения кодов проводит непрерывное сравнение поступления импульса совпадения содержимое счетчика больще (или меньше содержимого регистра, на выходе блока 15-1 формируется импульс, открывающий ключ 17-1, который пропускает импульс, поступающий в это время на его импульсный вход. Блок 15-1 форми рует на выходе импульс, если содержимое счетчика 13-1 больще содержим го регистра 14-1. После .прекращения действия импулысов совпадения первого пакета содержимое счетчика 1.3-1 снова начинает увеличиваться к моменту прихода первого импульса второго пакета импульсов сов падений уже превышает содержимое регистра 14-1. И вновь первый импульс второго пакета импульсов совпадений проходит на выход блока 15-1. Таким образом, в первом канале будут выделены первые импульсы пакетов импульсов совпадений, т.е. проведено формирование опорной последовательности выделенных импульсов совпадений. Последовательность выделенных в первом канале импульсов поступает на вход второго канала, где аналогичным образом проводится первый цикл формирований мерной пocлeдoвaтeльнocт i выделенных импульсов совпадений. В момент достижения счетчиком 13- i заданного числа . навыкоде дешифрат ра 16- устанавливается потенциал, открывающий ключ 18- и запирающий счетчик 13-1. С выхода ключа IB-i будут проходить на элемент 12 ИЛИ импульсы, поступающие на его импульсный вход с выхода ключа 17-(f-l). Триггер 6 мерного интервала по одному из импульсов с выхода эле49 8 мента 12 ИЛИ открывает ключ 8 и подготавливает к открытию ключ 9. Импульсы генератоа 1 эталонной частоты через ключ 8 поступают на счетчик 10, который начинает их подсчет. После того, как содержимое счетчика 10 станет достаточно больщим, на второй управляк щий вход триггера 6 мерного интервала поступает потенциал, разрещающий в момент прихода очередного импульса с выхода элемента 12 ИЛИ закрыть ключи 8 и 9. . С помощью дополнительного счерчика 19., регистра 2О, блока 21 сравнения кодов и ключа 22 из фазовой последовательности также формируется фазовая последовательность выделенных импульсов совпадений; которые по фазе относительно импульсов последователь- ности, получаемой па выходе первого канала. Обе эти последовательности с выходов ключей 17-1 и 22 подаются на управляющие входы триггера 7 фазового интервала. После прихода импульса с выхода ключа 17-i на выходе триггера 7 фазового ш.тервала вырабатывается пои-еицпал, открываюппт ключ 9, а импульс с выхода ключа 22 вызывает на выходе триггера 7 потенциал, закрывакх щий ключ 9. Если иа обоих управляющих входах ключа 9 присутствуют потенциал., открывающие его, то ключ 9 открывает ,ся и импульсы с г енератора 1 эталонной. .частоты проходят на счетчик 11. Счет 4IIK 11 подсчитывает суммарное количество импульсов, попавщих в фазовые интервалы, ограниченные одним выделенным мерным интервалом. Деление числа, подсчитанного счетчиком 11, на число, подсчитанное счетчиком 10, и умножение на 360 дает искомый утоп сдвига фаз в градусах. . Шаг квантования периода ц и временного интервала в случае но пользования мерного интервала, полученного на -м ишше, определяется зависимостью о Из этого соотнощения следует, что шаг квантования &1| Б ( бт ) раз меньще шага квантован и .. „ рый присущ известному способу. Таким образом, предлагаемый способ обладает более высокой точностью измерений угла сдвига фаз.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ, включающий сравнение во времени опорной и фазовой послеаовательностей импульсов, сформированных из опорного и исслецуемрго периодических сигналов, с эталонной последовательностью импульсов, формирование опорной и фазовой последов а тельное те и пакетов совпадений импульсов эталонной последовательности соответственно с импульсами опорной и фазовой последовательностей, формирование опорной и фазовой последовательностей выделенных, одинаковых по порядку еле- ; дования импульсов из соответствующих последовательностей пакетов совпадений, подсчет числа периодов эталонной последовательности в каиадом из опорных интервалов, образованных ближайшими импульсами опорной последовательности выделенных импульсов, а также подсчет числа периодов эталонной последовательности в каждом из фазовых интервалов, началыюй границей которых яв ляются импульсы опорной последовательности выделенных импульсов, а конечной - ближайшие, следующие за ними, импульсы фазовой последователь- . ности выцеленных импульсов, и расчет искомого сдвига фаз, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно циклами формируют мерные последовательности, сравнивая поочередно длительности соседних временных и тервалов, границы которых образованы ближайшими импульсами исходной последовательности, а мерную последовательность составляют из тех импульсов исходной последовательности, которые образуют конечнью (или начальные) границы интервалов, длительность которых больше (или меньI ше) предшествующих им интервалов, (Л причем в первом цикле в качестве исходной применяется опорная послецовьтельность выделенных, одинаковьгх по порядку следования импульсов из опорной последовательности пакетов совпадений, а в каждом последующем цикле исходной является мерная последовательность импульсов, сформированная в пред:л шествующем ему цикле, при этом процессформирования мерных последовательностей прекращают на том , в котором ин4 ;О тервал между соседними импульсами мереной последовательности превысит заданное значение, формируют мерный интервал между блилсайшими импульсами мерной последовательности, сформированной в последнем цикле, и в этом мерном интервале определяют суммарное число периодов эталонной последовательности, подсчитываемых в опорных интервалах, и суммарное число периодов эталонной последовательности, подсчитываемых в фазовых интервалах.