Цифровой фазометр-частотомер Советский патент 1985 года по МПК G01R25/08 

выходом аналого цифрового преобра- ства, первый вход соединен с выхозователя, у которого первый (кодовый ) выход является выходом устрой-

1173342 дом компаратора, а второй вход - с выходом элемента И.

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР-ЧАСТОТОМЕР, содержащий первый и второй формирователи, генератор импульсов фиксированной, частоты, первый и второй аналоговые ключи, компаратор и источник опорного напряжения, о т личающи.йся тем, что, с целью расширения частотного диапазо на и повышения точности, в него введены первый и второй регистры па-, мяти, у которьгх выходы соединены с соответствующими входами первого и второго введенных резистивных цифроаналоговых преобразователей двоич- ный счетчик, первый вход которого соединен с первым выходом первого формирователя, второй вход т- с выходом генератора импульсов фиксированной частоты, а его кодовый выход - с вторыми входами первого и второго регистров памяти, при этом второй выход первого формирователя соединен с первым входом первого регистра памяти, а выход второго формирователя соединен с первым входом второго регистра памяти, стартовая цепь, состоящая из последовательно соединенных триггера и элемента И, второй вход которого соединен с вторым выходом первого формирователя, вход триггера соединен с первым выходом первого формировате-ля, измерительная мостовая схема, в диагоналях которой включены источник опорного напряжения и коммутатор, а в плечах -мостовой схемы - три весовых резистора, резистивные цепи резистивных цифроаналоговых преобразователей, декодирующая сетка сопротивлений аналого-цифрового преобразователя и два аналоговых ключа, причем к первой клемме источника опорного напряжения подсоединены i первая клемма первого резистивного цифроаналогового преобразователя и первые клеммы первого и третьего весовых резисторов, к второй клемме источника опорного напряжения подсоединены вторая клемма декодирующей сетки сопротивлений аналого-цифрового преобразователя и выход первого аналогового .ключа, два входа которого соединены соответственно со со 4 Is: с вторыми клеммами второго резистивного цифроаналогового преобразователя и второго весового резистора, первые клеммы которых соединены с второй клеммой первого резистивного цифроаналогового преобразователя и первой входной клеммой компарато ра, вторая входная клемма которого соединена с первой клеммой декоди рующей сетки сопротивлений аналогоцифрового преобразователя и выходом второго аналогового ключа, два входа которого соединены с вторыми клеммами первого и третьего весовых резисторов, управляющие входы аналоговых ключей соединены с вторым.

... . ...

Изобретение относится к цифровой

измерительной технике и предназначено для одновременного измерения фазовых соотношений и частоты исследуемых сигналов в широком диапаЗоне частот.

, Целью изобретения является расширение частотного диапазона и повышение точности фазометра-частотомера, путем применения вместо аналоговых преобразователей время-напряжение элементов дискретной техники (.счетчик, регистры памяти, ЦАП и АЦП ), которые обладают более высокой точностью преобразования сигнала, стабильностью характеристик во Времени, не требуют настройки и расширяют частотный диапазон в область инфранизких частот.

На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового фазометра-частотомера; на фиг. 2 - временные диаграммь, поясняющие его работу.

Устройство условно делится на входной и.выходной блоки.

Входной блок содержит стартовую цепь, состоящую из триггера 1 и элемента И 2, а также включает первый формирователь 3, двоичный счетчик 4 генератор 5 импульсов фиксированной частоты (ГФЦ ), первый регистр 6 памяти (первый канал ), второй формирователь 7 и второй регистр 8 памяти (второй канал).

Выходной блок содержит первый

9 и второй 10 резистивные цифроана, логовые преобразователи (ЦАП ), первый весовой резистор 11 цикла измерения фазового сдвига, управляемый аналого-цифровой преобразователь 12 ЛАЦП )., компаратор 13, источник 14 опорного напряжения, первый 15 и втрой 16 аналоговые ключи коммутатора циклов, второй 17 и третий 18 весовые резисторы цикла измерения частоты сигнала.

Входная клемма 19 соединена с входом первого формирователя 3, первый выход которого соединен с входом триггера 1 и первым входом двоичного счетчика 4, второй вход которого соединен с выходом генератора 5 им пульсов фиксированной частоты. Кодовый выход двоичного счетчика 4 соединен с вторыми входами первого 6 и второго В регистров памяти. Второй выход первого формирователя 3 соединен с первым входом первого 6 регистра памяти и вторым входом элемента И 2, первый вход которого соединен с выходом триггера 1. Входная клемма 20 соединена с входом второго формирователя 7, выход которого соединен с вторым входом второго 8 регистра .памяти. Выходы первого 6 и второго 8 регистров памяти соединены с соответствующими входами первого 9 и второго 10 резистивных цифроаналоговых преобразователей выходного блока.

Выходной блок содержит измерительную мостовую схему, в одной диагонали которой включен источник 14 опорного напряжения, у которого первая клемма соединена с первой клеммой первого 9 резистивного ЦАП и первыми клеммами первого 11 и третьего 18 весовых резисторов, а вторая клемма источника 14 - с выходом первого 15 аналогового ключа и второй клеммой декодирующей сет. ки сопротивлений АЦП 12, первый вход которого соединен с выходом компаратора 13, у которого первая входная клемма соединена с второй клеммой первого 9 резистивного ЦАП, с первой клеммой второго 10 резистивного ЦАП и первой клеммой второго . 17 весового резистора, причем вторые клеммы двух последних (10 и 17 ) соединены с соответствующими входами первого 15 аналогового ключа, вторая входная клемма компаратора 3 13 соединена с первой клеммой декодирующей сетки сопротивлений АЦП 12 и с выходом второго 16 аналогового ключа, входы которого соединен соответственно с вторыми клеммами первого 11 и третьего 18 весовых резисторов. Выход элемента И 2 соединен с вторым входом АЦП 12, кодовый выход которого является выходом устройства, а управляющий выход сое динен с управляющими входами первого и второго аналоговых ключей. Согласно фиг.2 приняты следующие обозначения: - частота и напряжение сиг налов на выходе генератора импульсов фиксированной частоты СГФЧ); - напряжение и период опорного сигнала, .поступающего на клемму. 19; и , t - напряжение и временной интервал, соответствующий фазовому сдвигу сигнала второго канала с клеммы 20 относительно, опорного; и. ,иф2- напряжение с выходов фор мирователей 3 и 7, соответственно;t - период следования импульсов ГФЧ; N - число импульсов ГФЧ за один период Ту опорного сигнала; п - число импульсов ГФЧ за интервал времени Г, соответствующий измеряемой разности фаз. Временные соотношения между периодом импульсов ГФЧ и сигналами формирователя 3 на его первом иф(1 и втором 4j,j(2) выходах показаны на фиг.26. Принцип работы устройства основа на преобразованиях измеряемой разности фаз /у и частоты сигналов f. во временные интервалы С и Т, которые запо.пняются квантующими импул сами ГФЧ, а полученные коды чисел п. и N цифроаналоговыми преобразователями преобразуются в величины сопротивлений плеч мостовой схем Выбор весовых р:;зисторов (R.j и Кч7 R;jj) и коэффициентов градусной и частотной шкал АЦП производится из следующих соображений. 42- 4 При измерении разности фаз нение баланса моста имеет вид: R ЦДП 10 RH Если положить, что R(.f,., ,и,ЛП 10 где R,,величина сопротивления младшего разряда АЦП и ЦАП; - код числа АЦП при измере- -код -числа импульсов за интервал -код числа импульсов за vmтервал Т, то уравнение баланса примет вид: P,,,, . Так как , то при когда Чх 360° ,положим .Для того чтобы результат уравновешивания выражался в градусах, необходимо чтобы ( или в общем случае М гЗ,,. где ,2,...). Тбгда величина весового резистора будет равна 360 R,, . При измерении частоты f уравнение баланса имеет вид: R 1-1 Ri7 RII 12 КцАПЭ Учитывая, что N , где период измеряемого сигнала, t - период следования импульсов генератора 5 фиксированной частоты, уравнение баланса можно записать ,/«;t.-, где М - код числа АЦП при измерении f. Из последнего выражения-, приняв, что К RJ, / („ i получим Kt зРЖ где придавая коэффициенту К значения 1,10 и т.д. получим значения сопротивления R для различных масштабов измерения частоты. Таким образом, разрешающая спо-, собность фазометра-частотомера при его работе в широком диапазоне частот и сдвигов сигналов будет определяться частотой импульсов ГФЧ. Устройство работает следующим образом. включении питания двоичный счетчик 4, первый 6 и второй 8 регистры памяти, первый 9 и второй 10 резистивные ЦАП, декодирующая сетка АЦП 12 устанавливаются в ну левые положения, при этом состояние триггера 1 характеризуется нулевым выходом. Импульсы с выхода ГФЧ 5 не проходят на двоичный счетчик 4, так как отсутствует команда разреше ния с формирователя 3 на их прохождение. В выходном блоке ключи 15 и 16 будут включены таким образом, что плечами измерительно-вычислител ной мостовой схемы будут являться ЦАП 9 и ЦАП 10, весовой резистор 1 и декодирующая сетка сопротивлений АЦП 12. Исследуемые сигналы, харак теризующиеся одинаковой частотой fj (периодом следования Т ) и некоторым углом сдвига фаз Чх (который соответствует временному интервалу tx )одновременно с клемм 19 и 20, поступают соответственно на первый I 3 и второй 7 формирователи входно.го блока. Как первый 3, так и второй 7 формирователи фиксируют только моменты перехода из отрицательной области значений напряжений входных сигналов в положительную, при этом формирователь 7 вырабатывает один короткий, а формирователь 3 два коротких по длительности импульса, сдвинутых по времени и относительно друг друга на время мень шее, чем длительность периода t следования импульсов ГФЧ 5 (фиг.26 При срабатывании формирователя 3 первый из двух формируемых им импульсов с его второго выхода поступит на второй вход первого регнет ра памяти 6 в качестве команды переписи в него кода из двоичного счетчика 4. Поскольку в момент вклю чения двоичный счетчик 4, регистры 6 и 8 памяти,, резистивные ЦАП 9 и ЦАЦ 10 находились в нулевых состояниях, то этот импульс не изменит их состояний. Одновременно этот же импульс единичным сигналом поступит на второй вход элемента И 2, на первом входе которого будет присутствовать нулевой уровень с триггера 1. Такая ситуация исключает запуск АЦП 12 в момент включения устройства. Далее второй формируемый формирователем 3 импульс с его первого выхода поступит на первый вход двоичного счетчика 4 в качегстве команды сброса предьщущей записи и начала нового счета импульсов, поступающих на его второй вход от ГФЧ 5. Одновременно этот же импульс поступит на вход триггера 1 для изменения его выхода на единичный и подготовки к запуску АЦП 12. Заполнение двоичного счетчика 4 импульсами ГФЧ 5 будет происходить в течение одного полного периода Т о.порного сигнала, при этом в момент перехода из отрицательной в положительную область значений напряжения входного сигнала с клеммы 20 сработает формирователь 7 и сформирует на своем выходе один короткий импульс, используемый в качестве команды на разрешение записи из двоичного счетчика 4 во второй 8 регистр памяти кода числа импульсов п, зафиксированного к этому моменту от начала счета. Поскольку момент ндчала счёта соответствует начальной фазе напряжения опорного сигнала с клеммы момент записи результата счета во второй 8 регистр, памяти соответствует начальной фазе напряжения сигнала второго канала с клеммы 20, то число импульсов гх, зафиксированное двоичным счетчиком 4 за этот интервал времени Т будет соответствующим образом отображать разность фаз У , напряжений входных сигналов. Далее код числа п с выхода второго 8 регистра памяти поступает на вход ЦАП 10, где преобразуется в величину сопротивления, соответствующую коду этого числа. По окончанию первого периода Т, опорного сигнала импульсом с первого выхода формирователя 3 производится перепись кода числа N импульсов ГФЧ 5, зафиксированного счетчиком 4, в регистр 6 памяти с последующим его преобразованием ЦАП 9 в соответствующую величину сопротивления. Этим же импульсом через элемент И 2 производится включение АЦП 12 для уравновешивания измерительно-вычислительной мостовой схемы при определении разности фаз исследуемых сигналов. Вторым импульсом с второго выхода формирователя 3 (.сразу же после переписи кода в регистр 6 ) производится сброс двоичного счетчика 4 и его новое начало счета.

АЦП 12,уравновесив мостовую схему и зафиксировав на своем первом выходе результат измерения if сигналом с второго своего выхода через аналоговые ключи 15 и 16 произведет выключение ЦАП 10. весового резистора 11 и включение в мостовую схему двух одинаковых резисторов 17 и 18. Далее, производя второе уравновешивание и зафиксировав результат измерения частоты исследуемых

Входной 5лок

сигналов f, на своем первом выходе, АЦП 12 сигналом с второго своего выхода через аналоговые ключи 15 и 16 возвратит измерительно-вычислительную мостовую схему в исходное состояние для проведения следующего цикла измерений, данные для которого, начиная с момента включения АЦП 12, начали, формироваться узлами входного блока..

Выходной 5лок