Цифровой фазометр Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 G01R25/08 

Иэрбретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовацо для измерения среднего значения сдвига фаз ме/еду двумя периодическими сигналами, например, в качестве промежуточного звена между фазовыми датчиками первичной информации и цифровым BЬRИCлительным устройством.

Известен цифровой фазометр для измер.ения среднего значения сдвига фаз, содедржащий пять ключей, три счетчика, два триггера, генератор), формирователь, секционированную линию задержки, -три элемента ИЛИ и п каналов совпадений, каждый .из которых содержит шестой, седьмой и восьмой ключи, четвертый элемент ИЛИ и элемент И, причем входные иины соединены с входами первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами первого триггера, а выход - с входом формирователя, выход которого соединен с входами элементов И всех каналов совпадения и первым входом третьего ключа, выход генератора соединен с входами шестого и седьмого ключей первого канала совпадений, а аналогичные входы остальных каналов соединены с соответствующими выходами секционированной линии згдержки, вход которой подключен к генератору, выходы восьмых ключей всех каналов соединены с входами вторых и третьих элементов ИЛИ, а выходи второго элемента ИЛИ через- третий и четвертый ключи соединены соответственно с первым и вторым счетчиком, причем вто рой вход четвертого ключа соединен с выходом первых элементов ИЛИ и вторым входом пятого ключа, выход которого соединен с третьим счетчиком, а первый вход - с входами первого и второго триггеров и выходом вторых элементов ИЛИ,, а входы первого эле.мента ИЛИ соединены с выходами четвертых элементов ИЛИ всех каналов 1

Цифровой фазометр характеризуется недостаточной надежностью и большими аппаратурными затратами, обусловленными большим количеством каналов совпадений.

Известен цифровой фазометр, реализующий способ.измерения сдвига фаз, основанный на трансформации фазового сдвига на низкую частоту путем сравнения во времени последовательностей импульсов,сформированных из исследуемых сигналов, с эталонной последовательностью импульсов. Этот фаз9метр содержит последовательно соединенные формирователи, генератор эталонной частоты, элементы И, блоки селекции, электронный кет мутатор, индикаторы совпадений, блокирующее устройство, триггеры, ключи импульсов и арифметическое уятройство Г23.

Недостатком известного устройства является пониженное быстродействие при его в ждущем режиме-(т.е.

однократном запуске фазометра по импульсу, поступающему в произвольный момент времени), обусловленное необходимостью ожидания первого совпадения импульсов, сфор0 мированного из исследуемого сигнала, с импульсом эталонной частоты, которое является началом преобразования фазового сдвига во временной интервал.

5 Действительно, период мезкду совпадениями, импульсов исследуемого и эталонного сигналов (т.е. время непосредственного иаг ерения фазового сдвига) определяется выражением

т Т;, TjT

(1)

13 IT -Т I

где Т - период исследуемого .сигнала;

Tj-f - период эталонного сигнала. А так как в общем случае начальная фаза эталонной последовательности импульсов относительно импульса запуска не равна начальной фазе исследуемых сигналов относительно того же импульса запуска, то время ожидания первого совпадения импульсов начала непосредственного измерения моЛет достигать значения , т.е.

суммарное общее время измерения с учетом времени ожидания его начала равно удвоенному значению.

Цель изобретения - повышение быстродействия цифрового фазометра при

6ГО работе в худущем режиме.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой фазометр, содеращий первый формирователь, вход которого соединен с опорного

напряжения, последовательно соединенные первый блок селекции, первый триггер, первый ключ и первый счетчик, причем второй вход первого клюа соединен с первым.входом первого

элемента И и первым входом второго

ключа, выход которого соединен с входом второго счетчика, а второй ход - с выходом второго триггера, первый вход которого соединен с первым выходом первого триггера, а вто-.

рой - с выходом второго блока селекции, вход которого соединен с выхоом второго элеглента И, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя, первый вход.которого

соединен с шиной измеряемого напряжения, а второй - с вторым входом первого формирователя и выходом блока запуска, вход которого подключен к шине запускающего ч прякения, генвратор и перву1Э шкалу совпадений. содержащую третий триггер,.секционированную линию задержки, первый элемент ИЛИ и п каналов совпадений, каждый из которых содержит третий, четвертый и пятый ключи, второй эле мент И и второй элемент ИЛИ, причем первый вход третьего ключа соединен с выходом второго элемента ИЛ входы которого соединены с выходами пятых ключей всех каналов шкалы, кроме своего, и выходами четвертых ключей всех каналов шкалы, кроме своего, предыдущего и последующего, первый вход пятого ключа соединен с выходом третьего триггера, а второй вход - с выходом второго элемен та И и первым вxoдo з четвертого ключа, второй вход которого сбединен с вторым выходом третьего триггера, первый вход второго элемента соединен с выходом первого формирователя, а второй вход - с входом пе вого элемента ИЛИ и выходом третьего ключа, причем вторые входы треть его .ключа всех каналов, кроме первого, подключены к выходам секциони рованной линии задержки, введены третий элемент ИЛИ, а дополнительно-J(n-1 ) икала совпадений,-со держащая дополнительно вторую линию задер хки и в каждой из п шкал совпадений - трети11 формирователь, при чем вход третьего формирователя пер вой шкалы соединен с выходом генера тора, а выходы формирователя во всех шкалах - с вторыг1 входом треть его ключа ti входом секционированной линии задержки, входы третьих формирователей остальных шкал соеяине,ны с выходом первого элемента ИЛИ предьщущей шкалы, входы вторых линий задержки соединены с выходом первогоформирователя, а выходы с входами третьих триггеров, выход третьего элемента ИЛИ соединен с входами третьего триггера первой шкалы совпадений и первого блока селекции, а входы - с выходами пятых ключей последней шкалы и вторым выходом первого триггера, причем в последней шкале выходы четвер тых ключей каналов соединены с входами вторых элементов ИЛИ. На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового фазометра; на фиг. - временные диаграм лн его работы. Цифровой фазометр содержит формирователи 1 и 2, генератор 3 импульсов с этсшонной частотой следования/ блок 4 запуска, линию 5 задержки, .элемент И6, блоки 7 и 8 селекции, триггеры 9 и 10, элемент ИЛИ 11, ключи 12 «.13, счетчики 14 и 15 импульсов, шкалы 16 (гю К-й) совпадений, содержащие форгдарователия 17-1 (до К-го), триггеры 18-1 (до К-го), секционированные линии 19-1 (до К-й) задержки, элементы ИЛИ 20-1 (до К-го) .и каналы 21 (до i-го)совпадений, кажды1 1 из которых состоит из ключей 22-24, элемента И 25 и элемент ИЛИ 26. Фазометр работает следующим образом. При отсутствии входных сигналов импульсы эталонной частоты длительностью t с выхода генератора 3 импульсов с эталонной частотой следования fj. (фиг. 2а) поступают на первый вход первой шкалы 1G - вход формирователя 17. С выхода формирователя 17 импульсы длительностью т поступают на первый вход первого канала - первый ключ 22 - и на вход секционированной линии 19 задержки, с выходов которой импульсы эталонной частоты, сдвинутые один относительно другого на время Т-,з«д задержки между выводами, поступают на первые входы остальных каналов 21. Таким образом образуется первая.шкала сдвинутых импульсов длительностью .of, (уиг, 20). Количество каналов первой шкалы п определяется из выражения п. en t где ent - округленное до большего целого значение частного. С выходов кл}эчей 22 первого канала импульсы эталонной частоты поступают на первые входы элементов И 25 каналов первойшкалы 16, выходы которых в ка;кдом канапе соединены с двумя ключами: н ормально открытыми 23 и нормально закрытыми 24. Выходы нормально закрытых ключей 24 соединсгны с входами элементов ИЛИ 26 всех каналов, кроме своего, а нормально открытых - кроме своего, преды l;yщeгo и последующего (по номеру), считая, что нумерация кольцевая. Ключи 23 и 24 каналов управляются триггером 18. С выходов ключей 23 всех каналов первой шкалы 16 импульсы поступают через элемент ИЛИ 20 на первый вход следующей шкалы 16 - формирователь 17, в котором формируются импульсы длительностью 2 , задерживаемые второй секционированной линией 19 задержки на величину ° вывода к выводу. Так образуется вторая шкала совпадений (фиг. 2в). Таким образом, за период следования импульсов эталонной частоты на вход каждого из каналов второй шкалыпоступит п.., импульсов. Количество каналов во второй шкале мбжет быть определено из выражения п eHt iassA. . (3) 2 зад Точно так же образованы последую цие а1калы. Количество каналов в них определяется из выражения п efit IOISSIA. С выхода предпоследней шкалы 16 .(элемента ИЛИ 20) импульсы поступа. ют на первый вход последней шкалы 1 (формирователь 17), которая определяет точность измерения и управляет началом и окончанием отсчета. Приче длительность импульсов с формирователя 17 минимальна и равна Образование шкалы сдвинутых импульсов длительностью tK5o(A -miti налогично предьиущим шкапам. Следовател но, количество каналов в ней определяется по выражению С) и состав элементов в каналах аналогичен этим шкалам. Однако во всех каналах посЛедней шкалы нормально открытые клю чи 23 соединены с элементами ИЛИ 26 .своих каналов, а нормально закрытые ключи 24 - с всеми каналаг ш, кроме своего. Кроме того, выходы нормально закрытых ключей всех каналов соединены с входами элемента ИЛИ 11 Опорный и и измеряемый U сигна лы частотой f поступают соответственно на формирователи 12, которыми они преобразуются в последовательности прямоугольных импульсов дли-. тельностью привязанные к переходам через нуль соответствуюидих сигналов (фиг. 2г, д) при наличии разрешения с блока 4 запуска. Длительности формируемых импульсов до;шны удовлетворять следующим условиям: ,-. ,-,j, (ь -L+r t. что необходимо для обеспечения разрывов между пакетами совпадений. При поступлении первого после им пульса запуска опорного импульса на вход первой шкалы 16 в элементах И 25/ выделяются его совпгзденияс импульсами эталонной частоты. Импульсы, с выхода элементов И 25 поступают через соответствующий нормал но открытый ключ 23 на элементы ИЛИ 26 всех каналов, кроме канала, в котором произошло совпадение предыдущего канала и последугацего. Та- КИМ образом, если первый onopHbtfi импульс совпадает только в т-ом канале первой шкалы, то остаются открытыми КЛЮЧИ-каналов 21. Если же имеет- место совпадение в двух соседних каналах, то остаются от- крытыми ключи 21, либо (т-1), т, ли§о т, (т+1) каналов. Следовательно, в дальнейшем через элемент ИЛИ 20 на вход формирователя 17 второй шкалы 16 поступят и шульсы только с открытых ключевых устройств. Аналогичное вьщеление открытых каналов происходит и в шкалах 16, кроме последней, которая определяет точность измерения и управляет началом и окончанием отсчета. При поступлении первого после импульса запуска опорного импульса на вход последней шкалы 16 в соответствующих элементах И 25 также выделяются совпадения, которые могут произойти последовательно в нескольких элементах И (их количество определяется соотношениег/1 между С.,. з«д-tnin зад . Если начать отсчет с момента совпадения в первом или последнем из этих элементов, то погрешность неопределенности положения импульсов . будет достигать t.,. Поэтому ключи 22 из ряда каналов, в которых произошли первые совпадения, закрываются импульсами с выходов элементов И этих каналов, прошедшим через соответствуюцие нормально открыте первые ключи 23 и элементы- ИЛИ 26. Импульс опорного напряжения U, пройдя через линию 5 задержки, которой он задерживается на время большее Г,, перебрасывает ооновной триггер 18. В результате первые ключи 23 закрываются, а вторые ключи 24 открывгиотся. Если i - номер канала, в котором произошло совпадение переднего фронта импульса опорной последовательности, а j - то же для заднего фронта, то отсчет начинается с момента появления первого совпадения с каналов i-1 или J+1, что зависит о.т того меньше или больше, период Т., периода . Погрешность неопределенности MOMesiTa начала отсчета достигает в этом случае лишь значения- разности периодов .p/, на которую происходит сдвиг соответствукадих фронтов совпадающих импульсов. I Поскольку частоты f исследуемых сигналов и частота fj. эталонного сиг нала близки и соблюдаются условия; (5) и (6), то на выходах соответствующих элементов И 25 (фиг. 2е) преобразуются пакеты импульсов совпадений,. число которых в пакетах прямо пропорционально Tfnip и обратно пропорционально разности периодов 1 ф ri I I 3 I . -Первый импульс пакета совпадений в этом случае с cooтвeтcтвy зщиx ключей 24 поступает, через элементы ИЛИ 26 на второй вход соответствующих ключевых устройств 22 (кроме клича данного канала), закрывая те из них, которые оставались открытыми. Одновременно первый импульс пакета совпадений поступает через элемент ИЛИ 11 на установочные входы триггеров 18 и перебрасывает их в противоположное состояние. В ре- . зультате этого первые ключи в каналах шкал 16-1 - 16-(К-1) закрываются, а вторые ключи открываются. Так как вторые ключи соединены .через соответствуюцие элементы ИЛИ с вторыми, входами ключевых устройств всех каналов, кроме своего, то импульс совпадения, выработанный в каходойшкале, закрывает ключевые устройства, которые оставались открытыми в этих шкалах, кроме своего канала.

Таким образом, в каждой шкале ( выделяется только один канал (рабочий), который соответствует совпадению импульса на выходе линий 19 задерзхки с опорным импульсом, соответствующим началу отсчета, в дальнейшем этому каналу и соответствующим его элементам. Первый импульс пакета совпадений с соответствующих ключей 24 поступает через элемент ИЛИ 11 на блок 7 селекции.

В дальнейшем работа фазометра ангшогична работе прототипа. Виделенные.блоком 7 -селекции соответствующие импульсы пакетов совпадений (опорных) поступают на вход триггера 9, формирующего временной интервал (фиг.-бхс), равный периоду совпадений опорных и эталонных импульсов. Число эталонных иглтульсов, поступающих с выхода Ключа 22 рабочго канала через элементИЛИ 20 и квантующих временной интервал Т ., подсчитываются счетчиком 14 (фиг. Зз

Импульс напряжения, полученный дифференцированием передного фронта временного интервала Т,2 поступает на вход установки триггера 10 и перебрасывает последний. В исходное состояние триггер 10 возвращается импульсом пакета совпадений (измеряемого), поступающим чере блок 8 селекции и вьщеленным из пакета импульсов совпадений,образованного В результате сравнения во времени в элемента И 6 импульсов измеремого сигнала с импульсами эта-понноТ частоты, поступающими через ключ 22 и элемент ИЛИ 20 (фиг. 8и). Таким, образом, триггер 10 формирует временной интервал t (фиг. 8к), равЕ1ый временному сдвигу меходу опорнш-га и измеряемыми пакетами .совпадений. Число N2 эталонных импульсов, квантующих врег 1енной интервал t t подсчитывается счетчиком 15 импульсов (фиг. 8л).

Цикл измерения фазового сдвига заканчивается после того, как триггером 9 будет сформирован временной интервал Импульс напряжения, полученный дифференцированием заднего фронта временного интервала f поступая через элементы ИЛИ 26 на вторые входы ключа каналов К-й шкалы, з-акрывает посл(цний из них, бывший открытым.

Далее значение кодов N., и N2 вводится в ЭЦВМ, где искомый фазовый сдвиг определяется по формуле

N

.0

образом, предлагаемый фазометр позволяет снизить максимальное время ме;кду моментом поступления импульса запуска и моментом начала измерения с величины, присущей прототипу, до величины 1 .. . IЧ зт1

Креме того, точность изготовления секционированной линии 19 задерх ки не влияет на точность описываемого преобразователя, так как и в этом случае выделяются первые совладения -импульсов в одном или нескольких каналах совпадений, выделяется один из этих каналов и ожидается соответствующий импульс второго пакета совпадениГ. Точность измерения зависит от неопределенности положения импульсов при совпадениях, которая равна JT.., эт

.SLn2Jrf,t

гг

U2 A2Sin(2Jlf + tfJt

Л(ЩВП

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР, содер.жалдий первый формирователь, вход которого соединен с шиной опорного напря хения, последовательно соеди- . ненные первый блок селекции, первый триггер,.первый ключ и первый счетчик, причем второй вход первого клю- ча соединен, с первым входом первого ;элемента И и первым входом второго . ключа, выход которого соединен с входом второго счетчика, а второй вход - с выходом второгЬ триггера, первый вход которого соединен с первым выходом первого триггера, а второй с выходом второго блока селекции, вход которого соединен с выходом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя, первый вход которого соединен с шиной измеряемого напряжения, а второй - с вторым входом, ; первого формирователя и выходом . блока запуска, вход которого подключен к шине запускающего напряжения, генератор и первую ипсалу .совпадений, содерзхащую третий триггер, секционированную линию задер хки, первый элемент ИЛИ и п Каналов совпадений, каждый из которых содержит третий, четвертый и пятый ключи, второй элемент И и второй элемент ИЛИ, причем, первый вход третьегЬ ключа соединен с выходом второго элемента или, входы которого соединены с выходами пятых ключей всех каналов шкалы, кроме своего, и выходами четвертых ключей всех-каналов икалы, кроме своего, предьвдущего и- .последу1ааего, первый вход пятого ключа соединен с выходом третьего триггера, а второй вход - с БЕдходом второго элемента И и первым входом четвертого ключа, второй вход которого соединен с вторыг/ выходом третьего триггера, первый вход второго элемента И соединен с выходом первого формирователя, а второй вход - с входом первого элемента ИЛИ и выходом третьего ключа, причем вторые вхо- i ды третьего ключа всех каналов, кроме первого, подключены к выходам секционированно линии задержки, отличающийся тем, что, с целью повышение быстродействия, в него введены третий элемент ИЛИ, а таюхе дополнительно (п-1 ). шкала совпадений, содержащая дополнительно вторую линию задержки и в ка)лдый из п ЪксШ совпадений - третий фор05 мирователь , причем вход третьего формирователя первой шкалы соединен Hj; с выходом генератора, а выходы во ГС всех шкалах - с вторым входом третьего го ключа и входом секционированной .линии задергкки, входы третьих форми4 рователей остальных икал соединены с выходом первого элемента ИЛИ предыдуцей шкалы, входы вторых линий задержки соединены с выходом перво гр формирователя, а выходы - с входами третьих триггеров, выход третьего элемента ИЛИ соединен с входами третьего триггера первой совпадений и первого блока селекции, а входы- с выходами пятых ключей последней шкалы и вторым выходом первого . триггера,причем в последней шкале выхолЫ четвертых ключей каналов соедине- ны с входами вторых элементов ИЛИ.