Радиоимпульсный фазометр Советский патент 1986 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть исполь зовано в фазоизмерительньос системах для измерения сдвига фаз перекрывающихся радиоимпульсных-сигналов с не- известными частотами.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона измерения фазового сдвига.

Указанная цель достигается тем, что устройство позволяет существенно распшрить частотный диапазон измеряемых сигналов за счет того, что обработка производится не по самим сигналам непосредственно5 а по огибающим биений суммарного и разностного напряжений.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия.

Устройство содержит сумматор 1 ,, вычитатели 2-1 - 2-3,, фазовращатель 3 детектор 4 наложения сигналов, делители 5-1 5-3, элемент ИГМ-ИЕ 6, блок 7 выборки-хранения, амплитудные детекторы 8-1 - 8-3, блок 9 обнаружения сигналов, блоки IO-I и 10-2 определения экстремумов 5, квадраторы 11-i 11-4, ключ 12, блоки 13-1 и 13-2 вычисления арктангенса.

Входы вычитателя 2-1 и сумматора 1 соединены попарно и являются входами устройства. Выход сумматора 1 соединен с входом фазовращателя 3, входы детектора 4 наложения сигналов подт ключены к выходам вычитателя 2-1 и фазовращателя 3. В первом канале амплитудный детектор 8-2 соединен последовательно с блоком 10-1 определения экстремумов, квадратором 11-1 и вычитателем 2-2. Кроме того, в состав канала входит второй квадратор 11-2, вход которого связан с вторым выходом блока определения экстремумов, а выход - с вторым входом вычитателя 2-2. Аналогичные связи существуют во втором канале между амплитудным детектором 8-3, блоком 10-2 определения экстремумов, квадраторами П-3, 11-4 и вычитателем 2-3.

Вход первого канала (вход детектора 8-2) связан с входами первого делителя 5-, детектора 4 наложения сигналов и подключен к вь1ходу. фазо- вращателя 3, Вход второго канала (вход детектора 8-3) объединен с вто рым входом первого делителя 5-1 и

0

5

5

0

5

0

5

0

подключен к выходу вычитателя 2-1. Информационный и управляющий входы блока 7 выборки-хранения подключены соответственно к выходу первого де- лителя 5-1 и инверсному выходу элемента ЩЖ-НЕ, а выход соединен с первым входом третьего делителя 5-3 и первого блока 13-1 вычисления арктангенса, являющегося первым выходом устройства. Выходы каналов подключены к входам второго делителя 5-2, выход которого связан с вторым входом третьего делителя 5-3, Информационный и управляющий входы ключа 12 соединены соответственно с выходами третьего делителя 5-3 и детектора 4 наложения сигналов, а выход подключен к входу второго блока 13-2 вычисления арктангенса, являющегося вторым вьЕходом устройства. Прямой и инверсный входы элемента ИЛИ-НЕ 6 соединены соответственно.с выходами детектора 4 наложения сигналов и блока 9 обнаружения сигналов. Вход первого амплитудного детектора 8-1 соединен с одним из входов сумматора I, а выход с входом блока 9 обнаружения сигналов.

Фазометр работает следующим образом,

На входы измерительных каналов поступают два перекрьгоающихся радиоимпульсных сигнала. Аналитические выражения сдвинутых по фазе наложенных радиоимпульсов с прямоугольной огибающей могут быть записаны в следующем виде:

U|(t) Ur,, Sin(co, т + с, -ф,, ) 1 (t-t, ) - (t-t4)+ и 2 Sin

( +СР,, +.г,р Kt-ti) - i(t-t,);

lJy(l:) Urn, Sin(cj, t+Lf, -V.;z) Ll(t:-t,) - (t-t)+ U. Sin( + + 4 -V:№) D(t-tz) - l(t-t)l.- где U , w, j -P, - амплитуда, частота

и начальная фаза первого радиоимпульса; С, - фазовый сдвртг между первыми радиоимпульсами по каналам;

где И , ( амплитуда, частота и начальная фаза второго радиоимпульса;

С;,; - фазовый сдвиг между вторыми радиоимпульсами по каналам; .t , t - время начала и конца первого радиоимпульса;

3

t, . t . - время начала и кон- 1

па второго радиоимпулг са.

На выходах сумматора 1 и вычнтате ля 2-1 имеем:

i)g(t) 2Um, cos .(Vf/j) sin(u),t -ь + q ,)l(t-t,) - Kt-tJ +

+ 2UjTi2 С05(ф2,г) sin(Ujt +

+ Cf2)l(t-t2) - l(t-t) ;

U( (t) 2Um, sin(9,,2) cos((j,t + + cp, )l(t-t,) - Kt-t) + + 2U,2 з1п(у.г,2) cosCcOjt + + Cf,)Ut-t2) - l(t-t) ,

где U(t), Uj (t) - суммарньв и разностный сигналы соответственно

С выхода сумматора 1 полученный сигнал сдвигаетя фазовращателем 3 н фиксированный угол Т/2 во всей рабочей полосе частот. На выходе фазовращателя 3 СФИГ.2 ) имеем:

и (t) 2Um, con ((,,2) cos (co,t + + cp,)l(t-t:i) - 1 (t-t) + + 2U cos () cosCcoit + + ef,)l(t-t2) - l(t-t) ,

где U.-. (t) - сдвинутый суммарный сиг- tc

нал.

Сдвинутый суммарный и разностный сигналы поступают на входы делителя 5-1, реализующего функцию деления. Выходной сигнал делителя 5-1 поступает на информационный вход блока 7 выборки-хранения. Детектор 4 наложения сигналов, подключенный к выходам фазовращателя 3 и вычитателя 2-1, формирует импульсы, соответствующие открытым учас 1 кам t - t, t-5 - t4 и участку наложения сигналов t - t (фиг.2А).

На выходе блока 9 обнаружения сигналов образуется импульс, длительность которого соответствует общей длительности радиоимпульсов (фиг.2е) Сигналы с выходов детектора 4 наложения сигналов и блока 9 обнаружения сигналов поступают на прямой и инверсный входы логического злемента ИЛИ-НЕ, на инверсном выходе которого формируется напряжение, управляющее работой блока выборки-хранения (фиг. 2нс). При значении управляющего напряжения равном нулю блок выборки хранения (БВХ)находится в режиме хранения (фиг.2з). При появлении на управляющем входе напряжения, отличного от нуля, БВХ переходит в режим Запись (открыт.1е участки t, - t2 и t - t фиг.2). Значение иапря20

263304

жения, полученное на открытых участках соответствует измеренной разности фаз между первой парой перекрывающихся радиоимпульсных сигналов. Дан- , ное значение хранится в БВХ, а также вычисляется при помоши блока 13-1 вычисления арктангенса и подается на один из выходов устройства (фиг.2э). С выхода фазовращателя 3 и вычитате- Q ля 2-1 сдвинутый суммарный и разностный сигналы (фиг.2Ь,г) подаются соответственно на входы первого и второго каналов. Амплитудные детекторы 8-2 и 8-3 первого и второго каналов -г выделяют огибающие соответственно суммарного и разностного сигналов. На огибаюших каждого из сигналов 10-1 и 10-2 определяют экстремальные значения - максимумы и . Квадраторы П-1 и 11-3 возводят в квадрат максимальные значения, 11-2 и 11-4 - минимальные. Квадраты максимального и минимального з}1ачений, определенные на огибающей в первом канале, лычитаются на вычитателе 2-2 Подобная Операция производится вычи- тателем 2-3 во втором канале. Так как максимумы и минимумы разнесены по времени (фиг.25,г), а вычитание происходит тогда, когда известны оба экстремальных значения, то блок определения э сстремумов запомтшает и хранит полученные значения даже после окончания участка наложения (фиг.2и). Полученные разностные нап- 35 ряжения после вычитателей 2-2 и 2-3 подаются на делитель 5-2. Выходное напряжение делителя 5-2 поступает на вход третьего делителя 5-3. На другой вход этого делителя подается напряже- 40 ние с выхода блока 7 выборки-хранения . Напряжение с выхода делит- . ся 5-3 поступает на информационный вход ключа 12, с выхода которого на вход блока 13-2 вычисления арк- 45 тангенса. Управление работой ключа 12 осуществляет детектор 4 наложения сигналов , причем передний фронт импульса с выхода детектора 4 наложения сигналов устанавливает ключ в закры- 50 тое состояние, задний фронт открывает его. Напряжение с выхода блока 13- 2 вычисления арктангенса, соответствующее значению угла сдвига фаз между второй парой сигналов, подается 55 на второй выход устройства.

Проведем аналитическое доказательство достижения цели.

30

S

Запишем выражения для напряжений на выходах сумматора 1 и вычитателя 2-1 :

Up(t) 2U,fl, cas(Q7,,2) sin(Q,t +

if,)(t-tj - I(t-t4) + 2Un,2 cosCVj/) si 1 + )l (t-tj) - }(t-t) ;

U(t) 2Un,, sin(9,,i) cos(Q,t + + cp,)tl(t-t,) - Kt-t) + + 2Um2 sin (C(2,2) cos((0jt + + Cfj) I(t-t2) -l(t-t,) ,

где Ug(t), U(t) - суммарный и разностный сигналы соответственно.

После сдвига суммарного сигнала на

1Г/2 имеем:

Up (t) 2Uni, cosCVi;) cos(w,t +

+ cv,)i(t-t,) -Kt-t) +

+ 2Uni7 cosfVj,,,) cos (cojt -b f M ) I(t-t2) - l(t-t,) ,

где и (t) - сдвинутый суммарный синал.

Для упрощения формы записи и нагляд нести введем обозначения. Обозначим

A(t) 2Un,, cosCCf K) cosCw t + + t,)rUt-t,) - Kt-t);

B(t) 2Un,2 cosCCf i,) cos (CO., t +cp.p Ht-t) -Kt-t,);

A (t) 2Um, sinCc,) COS(Q, t + + l,)l(t-t,) - Kt-t);

B (t) 2Um7 sin(V7fz) cosCcozt +

+ cp,)Cl(t-t2) - l(t-t)J . Тогда сдвинутый суммарный и разностный сигналы можно записать в следующем виде:

Up (t) A(t) + B(t); U,.(t) A (t) + B (t).

.(AUiiB(t)l) IlA((t)f)l

(ТА- (t) + Б (t)n - (А (t) - В (t)T)

A.(t)+ Ъ (tl А (t) (t) B4t)+ B (t)Mit) BUI 4A (t) B (t) A (t) B (t)

l.2Aa

/.l.t}

Полученное выражение является произведением тангенсов углов сдвига фаз между соответствующими парами радиоимпульсов

t ib-i-fe- - ...,«.

5

5

5

0

306

На с ткрытьгх участках t , - t и Ц- Сд на выходе первого делителя 5-1 имеем (фиг.2а,5):

A(t) . , V, . Xr(t) - tg(-2-)Блок 7 выборки-хранения запоминает напряжение, соответствующее t((, а блок 13-1 вычисления арктангенса определяет значение , которое является разностью фаз между первой парой радиоимпульсных сигналов (фиг. 2-5).

Амплитудные детекторы 8-2 и 8-3 выделяют огибающие сдвинутого суммарного и разностного сигналов, а блоки 10-1 и 10-2 определяют значения максимумов и минимумов на этих огибающих (фиг.2В,г):

1 A(t) + B(t)l - макс экстремаль- I A(t) - B(t)l- мин J ные значения на % ft)

|А (t) + в, (t)l- макс экстремаль- 1А (t) - B (t)|- мин ные знача1тя на U(s(t)

На выходе квадраторов 11-1 - П-4 имеем напряженияS соответствующие квадратам экстремальных значений. Вьшитателк 2-2 и 2-3 определяют разность квад,ратов экстремальных значений. Иа вьгходе вычитателя 2-2:

(IA(t) + B(t)l)-(|A(t) - B(t) )2. Выходное напряжение вычитателя 2-3:

:IA (t)+B (t)l f -(jA (t)-B (t)l /.

Делитель 5-2 осутцествляет операцию деления выходных напряжений вычитате- лей 2-2 и 2-3. На его выходе имеем:

l.2Aa) Bil:)

/.l. 2F(t)B4t) - B (t)

в блоке 7 выборки-хранения уже хранит ся значение tgT,/ . Поэтому для по-- лучения значения tgT.; необходимо разделить полученное выражение на значение . Данная операция осуществляется делителем 5-3. Выходное напряжение делителя 5-3, соответст7

вующее tgVjjj проходит через ключ 12 на вход блока 13-2 вычисления арктангенса. Вычисленное значение фазового угла поступает на второй выход устройства (фиг.2 к). Следует отметить, что на участке наложения t - tj ключ 12, управляемый передним фронтом импульса детектора 4 наложения сигналов (фиг.2 и ), закрыт. В момент времени t , когда значения экстремумов определены и запомнены блоками 10-1 и 10-2 определения экстремумов, а значени tgVi/i подается с выхода блока 7 выборки-хранения, делитель 5-3 выполняет операцию деления, ключ 12, открьшаемый задним фронтом импульса детектора 4 наложения сигналов пропускает напряжение, соответствующее tg(),2 5 на вход вычислителя 13-2 арктангенса, соединенный с вторым выходом устройства.

Предлагаемое устройство обеспечивает расширение частного диапазона измеряемых сигналов, так как по сравнению с известным, предлагаемый фазометр осуществляет измерения но по самим сигналам непосредственно, а по огибающим биений суммарного и разностного напряжений.

Уравнение для огибающей суммы двух сигналов имеет вид:

U(t)j;T|ul +U +2U, и cos(«pt-tf)

где и , и - амплитуды первого и

второго колебаний соответственно;

tOp (;0,-(02- разностная частота колебаний;

Ср - фазовый угол, учитьшаю- щий сдвиг .фаз методу колебаниями.

Из уравнения следует, что частота огибающей равна разностной частоте, поэтому верхняя граничная частота ограничивается лишь максимальным разносом частот. Практически соотношение амплитуд, начальных фаз, фазовых сдвигов, сигналов принципиальных ограничений не имеет и ограничивается только конкретной реализацией.

Широкий диапазон несущих частот наложенных радиоимпульсных сигналов позволяет использовать предлагаемый радиоимпульсный фазометр в современных фазоимпульсных измерительных системах. Функциональные возможности

263308

устройства позволяют использовать его также для измерения разности фаз неналоженных радиош {пульсных сигналов.

5

Формула изобретения

Радиоимпульсный фазометр, содержа- ший с умматор, вьгчитатель, входы кото(0 рых попарно соединены с входами фазометра, фазовращатель, вход которого связан с выходом сумматора, детектор наложения сигналов, входы которого подключены к вьтходам фазовращателя

5 и вычитателя, блок выборки-хранения, отличаю щ и йс я тем, что, с целью расширения частотного диапазона, в него введены три делителя, амплитудный детектор, блок обнаруже2Q ния сигналов, логический элемент ИЛИ-НЕ, имеющий прямой и инверсный входы, ключ, два блока вычисления и два канала, каясдый пз которых содержит соединенные последовательно амп2 ; литудный детектор, блок определения экстрем Т 5ов, квадратор и вычитатель, кроме того, в состав каждого канала входит второй квадратор, вход которо го связан с вторым выходом блока определения экстремумов, а выход - с вторым входом вычитателя, вход первого канала связан с входами первого делителя и детектора наложения сигналов, вход второго канала подключен к выходу вычитателя и второму входу

35 первого делителя, управляющий и информационный входы блока выборки- хранения подключены соответственно к инверсному выходу элемента ИЛИ-НЕ и выходу первого делителя, а выход

30

40

соединен с первым входом третьего делителя и первого блока вычисления арктангенса, выходы каналов подключены к входам второго делителя, выход которого связан с вторым входом

45 третьего делителя, информационный и управляющий входы ключа соединены соответственно с выходами третьего делителя и детектора наложения сигналов , а выход подключен к входу

50 второго блока вычисления арктангенса, прямой и инверсный входы элемента ШШ-НЕ соединены соответственно с выходами детектора наложения сигналов и блока обнаружения сигналов,

55 вход первого амплитудного детектора соединен с одним из входов сумматора, а выход - с входом блока обнаружения сигналов.

.

/ /л 1

I

V/ /,

/

,AA

lAyv/lV ЛАДЛ

II /Л/ji , Я/. f; .II

.,

/A(t)B(i)l-MaKC

{M(theft)/ 4

Пили- не ж

UK и

иг. г

,AA

UH

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения сдвига фаз перекрьюающихся радиоимпульсных сигналов с неизвестными частотами. Цель изобретения - расширение частотного диапазона измерения фазового сдвига достигается за счет того, что обработка производится не по своим сигналам непосредственно, а по огибающим биений суммарного и разностного напряжений. Фазометр содержит сумматор 1 ,вы iитaтeли 2-1 - , фазовращатель 3, детектор наложения сигналов 4, делители 5-1 - 5-3, логический элемент ИЛИ-НЕ 6, блок выборки-хранения 7, амплитудные детекторы 8-1 - 8-3, блоки: обнаружения сигналов 9, определения экстремумов 10-1 и 10-2, квадраторы 11-1 - 11-4, ключ 12, блоки вычисления арктангенса 13-1 и 13-2. 2 ил. i сл KJ N5 О5 СО СО

.Редактор Р.Цицика

Составитель В.Шубин Техред Л.Олейник

2125/42

Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий П3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная,4

Корректор М.Максимишинец