Способ измерения сдвига фаз Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

1285397

формирователи 1,2 импульсов, формирователи 3-6, 8,9,20,21,25,26 остроконечных импульсов, генератор 7 импульсов опорной частоты, триггеры

1

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к фазовым измерениям, и может быть использовано для измерения сдвига фаз между двумя периоди- ческими сигналами с получением результата в виде цифрового кода,пригодного дпя ввода в ЭЦВМ.

Цель изобретения - повышение точ.нрсти измерения и расширение функ- циональных возможностей способа.

На фиг.1 представлены диаграмм формирования временных интервалов для определения сдвига фаз; на фиг. 2 - блок-схема устройства для реали- зации предлагаемого способа; на

.фиг, 3 - временные диаграммы выделения моментов периодов передних и Задних фронтов импульсов для случая непрерывного совпадения импульсов.

Устройство (фиг.2) содержит формирователи 1 и 2 Импульсов, формирователи 3-6 остроконечных импульсов,генератор 7 импульсов опорной частоты формирователи 8 и 9 остроконечных импульсов, триггеры 10-13, триггеры 14 и 15 со счетным входом, элемент 16 совпадений, триггеры 17 и 18 со счетным входом, элемент 19 совпадений, формирователи 20 и 21 остроко- нечных импульсов, триггер 22 пуска, элемент 23 совпадений, триггер 24 со счётным входом, формирователи 25 и 26 остроконечных импульсов, триггер 27, элемент 28 совпадений, счетчик

.29, триггер 30, элемент 31 совпадений, счетчик 32 и микропроцессор 33. Выход формирователя 1 соединен с вxoдa aI формирователей 3 и 4 остроконечных импульсов, входом Тд триг- гера 10 и входом Т триггера П.

Выход формирователя 2 соединен с входами формирователей 5 и 6 остроконечных импульсов, входом Tj триггера 12 и входом Т триггера 13. Гене- ратор 7 импульсов опорной частоты

10-13, 24, 30; 17,18,14,15,24 - со счетным входом, 22 пуска; элементы 16,19,23,28,31 совпадений, счетчики 29,32, микропроцессор 33, 3 ил.

соединен с входами формирователей 8 и 9 остроконечных импульсов, входами Т триггеров 10 и 12, входами элементов 28 и 31 совпадений и входами Т триггеров 11 и 13. Выход формирователя 3 остроконечных импульсов соединен с S-входом триггера 10, R-вход которого соединен с выходом формирователя 8 остроконечных импульсов и R-входом триггера 12, S-вход которого соединен с выходом формирователя 5 остроконечных импульсов.Выход формирователя 4 ост1$оконечных импульсов соединен с R-входом триггера 1 1 , S-вход которого соединен с выходом формирователя 9 остроконечных импульсов и S-входом триггера 13, R-вход которого соединен с выходом формирователя 6 остроконечньк импульсов. Выход триггера 10 через триггер 14 соединен с входом элемента 16 совпадений, второй вход которого через триггер 15 соединен с выходом триггера 11, а выход через формирователь 20 остроконечных импульсов соединен с входом элемента 23 совпадений, вто- рой вход которого соединен с выходом RS-триггера 22, а выход через триггер 24 - с входами формирователей 25 и 26 остроконечных импульсов, при этом выход первого из них соединен с S-входами RS-триггеров 27 и 30, а выход второго - с R-входами RS- триггеров 22 и 27 и входом микропроцессора 33. Выход RS-триггера 27 через элемент 28 совпадений и счетчик 29 соединен с вторьм входом микропроцессора 33, третий вход которого через последовательно соединенные счетчик 32, элемент 31 совпадений, RS- триггер 30 и формирователь 21 остроконечных импульсов соединен с выходом элемента 19 совпадений, один вход которого через триггер 17 соединен с выходом тригера12, а другой через тригер 18-с выходом тригера 13.

Сущность способа эаюпочается в следующем.

Из исследуемых периодических сигналов формируются последовательности импульсов длительностей t и синфазных с исследуемыми сигналами,искомый угол сдвига фаз между которыми соответствует временному сдвигу (фиг.1а,б). Если необходимо определить фазовьш сдвиг у регулярных импульсных последовательностей, то в качестве исходных сигналов используют импульсы этих последовательностей

Далее из каждой последовательности импульсов формируют отдельно пос ледовательности остроконечных импульсов, соответствующих передним (фиг. 1,е, ж) и задним (фиг.1,з,и) фронтам импульсов исследуемых сигналов. Таки же последовательности остроконечных импульсов, соответствующие передним и задним фронтам импульсов, формируются из импульсов длительностью Т- опорной частоты f.

Затем формируют передний фронт центрального импульса (или серии центральных импульсов) пакета совпадений в первом и во втором измерительных каналах. Для этого на логи- 30 ческие элементы первого канала, предназначенные для формирования переднего фронта центрального импульса, подают последовательность о строконеч- ных импульсов, соответствующих перед-3 ним фронтам первой последовательности исследуемых импульсов (фиг.1,е), и импульсы опорной частоты, а момент формирования фронта определяется моментом взаимного перехода остроке- 40 нечного импульса относительно переднего фронта импульсов опорной частоты (фиг.1,м). Формирование переднего фронта центрального импульса во втором канале осуществляется идентично 45 путем определения момента взаимного перехода остроконечных импульсов, полученных из второй последовательности исследуемых- сигналов, и передT.,j l/fjH Tj I/fg, то для тйго, чтобы в процессе совпадений можно бы ло вьщелить моменты перехода остроконечных импульсов фронтов через соответственно передний и задний фронты импульса опорной частоты, достаточно обёспечить выполнение условия -ti + 2 /T -Tj/; 2 + /Т, .(I)

При этом (в крайнем случае) образуются всего два импульса совпадений а практически, когда реализуемая длительность формируемых импульсов намного превышает значение ЛТ , образуется не одна пара совпавших импульсов, а пакет импульсов. Однако для реализации предпагае ,мого способа необходимо также, чтобы

li + /Т. 3 + /Т,-Т2/,

где .

Т - Т

ч

. т.

3

(2)

m

В ЭТОМ случае даже при непрерывном совпадении импульсов (фиг.З) вознего фронта импульса опорной частоты 50 можно вьщелить моменты переходов как

(фиг.1,о).

Для формирования задних фронтов центральных импульсов в первом измерительном канале на логические элементы этого канала соответственно подаются остроконечные импульсы задних фронтов первой последовательноfc- ти исследуемых импульсов (фиг.1,з) и импульсы опорной частоты. При этом

55

передних, так и задних фронтов импульсов исследуемых последовательностей и опорной частоты относитель но друг друга.

Для предлагаемого способа наиболее благоприятным условием формирования центрального импульса пакетов совпадений является случай, когда

Из временных диаграмм

W

853974

момент образования фронта соответствует моменту взаимного перехода один относительно другого остроконечных импульсов и задних фронтов импульсов опорной частоты (фиг.,н). Таким же образом формируется задний фронт центрального импульса и во втором канапе (фиг.1,п), для чего используются последовательности импульсов (фиг.1, в,б) и (фиг.1, и,л). Центральные импульсы первого и второго каналов формируют по импульсам переднего и заднего фронтов соответствующих каналов (фиг.1, р,с).

Граничные условия, определяющие функциональные возможности способа формирования центральных импульсов пакетов совпадений для измерения сдвига фаз, вытекают из следующих соображений. Если длительности исследуемых сигналов и сигнала опорной

15

20

частоты

L , а их периоды

T.,j l/fjH Tj I/fg, то для тйго, чтобы в процессе совпадений можно было вьщелить моменты перехода остро- конечных импульсов фронтов через соответственно передний и задний фронты импульса опорной частоты, достаточно обёспечить выполнение условия -ti + 2 /T -Tj/; 2 + /Т, .(I)

При этом (в крайнем случае) образуются всего два импульса совпадений, а практически, когда реализуемая длительность формируемых импульсов намного превышает значение ЛТ , образуется не одна пара совпавших импульсов, а пакет импульсов. Однако для реализации предпагае- ,мого способа необходимо также, чтобы ,

li + /Т. 3 + /Т,-Т2/,

(2)

.

Т - Т

ч

. т.

3

m

В ЭТОМ случае даже при непрерывном совпадении импульсов (фиг.З) возможно вьщелить моменты переходов как

5

передних, так и задних фронтов импульсов исследуемых последовательностей и опорной частоты относительно друг друга.

Для предлагаемого способа наиболее благоприятным условием формирования центрального импульса пакетов совпадений является случай, когда

Из временных диаграмм

512853

(фиг. Г) видно, что в этом случае можно вьщелить всего лишь один цент- рапьный импульс.

Если же 3 ° процессе совпадений образуется ряд центральных ,импульсов, длительность которых соответствует длительности более короткого из участвующих в совпадении, а их количество определяется следующими выражениями:

W

N

41

(3)

N

цг

/TI-T / / f.

где ДТ

Кщ и Мц2 количество центральных импульсов, в пакетах первого и второго каналов.

Процесс измерения сдвига фаз заключается в формировании двух временных интервалов (фиг.1, р,с) и определении искомого значения согласно следующему выражению:

Ф - 1-360° -2- 360° TI Тр

- 360°,(4)

m

где п, m - цифровые эквиваленты Тц, и Тр , определяемые как количество периодов Тр опорной частоты между центральными импульсами первого пакета в первом канале и первого пакета во втором канапе и между центральными импульсами первого и второго пакетов в первом канале соответственно. Таким образом, в качестве границ получаемьк временных интервалов используют центральные импульсы пакетов совпадений, которые вьщеляют не по начальным и конечным импульсам пакетов, а формируют непосредственно- в моменты полного совпадения импульсов исследуемых последовательностей и импульсов опорной частоты (для . i) t т.е. в моменты взаимного перехода относительно друг друга соответствующих фронтов импульсов указанных последовательностей.Эти временные интервалы (Тц, и Тр) заполняют опорной частотой и по числу периодов Тр определяют значение фазового сдвига.

В соответствии с (1) и (2) граничные частотные возможности извест

ного и предлагаемого способов опрёде ляются минимальными значениями Однако для известного способа максимально возможная частота f j определяется из выражения Т .2 l, а для предлагаемого способа + ЛТ. Поскольку из (1) следует, что t j ДТ, то частотные возможности предлагаемого способа шире, чем у известного. Кроме того,

предлагаемый способ может быть реализован и при t l, « и и Т-/2, что также расширяет его функциональные возможности.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемые периодические сигналы с частотой fj, формирователями 1 и 2 преобразуются в последовательности

импульсов длительностей

-. ,

(фиг.1,а,б). Так как импульсы входных последовательностей синфазны с исследуемыми сигналами, то между ними сохраняется искомый сдвиг фаз ф с соответствующим ему временньм сдви-. гом , Далее входные последовательности импульсов поступают на формирователи 3-6 остроконечных импульсов

передних и задних фронтов (в простейшем случае - это цепочки, дифференцирующие исходные импульсы). Генератор 7 вырабатывает импульсы, длительность которых ij

1 4 з

а частота их следования г 2 та) близка частоте f

(опорная часто- J входных исследуемых сигналов. Импульсы опорной частоты подаются на формирователи 8 и 9 остроконечных импульсов передQ него и заднего фронтов.

С выходов формирователей 1,3,4, 8 и 9 и генератора 7 последовательности импульсов поступают на информационные и тактовые входы триггеров

5 10 и 11 первого измерительного канала (триггеры 10 и 11, как и триггеры 12 и 13, представляют собой тактируемые RS-триггеры, которые перехо0

дят в состояние 1 при одновременном поступле нии импульсов по входам S ние

и Т, и устанавливаются в состоя-

при одновременном поступлепри 1

НИИ импульсов.по входам R и Т комбинации сигналов R- Т,- S

TI

триггер принимает единичное состояние , а во всех других случаях он своего состояния не меняет).

На выходе триггера 10 формируется последовательность импульсов

to

15

20

(фиг,1,м), передний фронт каждого з которых соответствует переднему ронту центрального импульса пакета в первом канале, С выхода триггера 1 таким же образом получают последовательность импульсов, передний фронт каждого из которых соответствует заднему фронту центрального импульса (фиг.1,н). Триггеры 12 и }3 вьтолняют такие же функции для формирования переднего и заднего фронтов центральных импульсов пакетов совпадений во втором канале. Счетные триггеры 14,15 и элемент 16 совпадений с одним инверсным входом окончательно формируют центральный импульс пакета в первом канале (фиг.1,р). Триггеры 17, 18 и элемент 19 совпадений формируют центральные импульсы пакетов совпадений во втором канале. С выходов элементов 16 и 19 центральные импульсы пакетов поступают на соответствуюгще формирователи 20 и 21 остроконечных импульсов.

В соответствии с (4) по команде Пуск триггер 22 опрокидывается,раз- ешая прохождение через элемент 28 совпадений импульса, соответствующего переднему фронту центрального им- ЗО пульса с формирователя 20. Первьш по счету такой импульс (после команды Пуск) опрокинет триггер 24 со счетным входом в единичное состояние, а второй импульс возвратит его ,, в нулевое. При. этом формирователи 25 и 26 остроконечных импульсов,подключенные к выходу триггера 24, вы- делят первьм и второй импульсы с формирователя 20 в виде остроконеч- 0 ных импульсов переднего и заднего фронтов соответственно. Эти импульсы подаются на информационные входы триггера 27, который по приходу импульса с формирователя 25 опрокиды- 45 Бается и разрешает прохождение через элемент 28 совпадений импульсов опорной частоты в счетчик 29 первого канала. Триггер 27 остается в опрокинутом состоянии и запись в счетчик 50 29 продолжается до тех пор, пока на R-вход триггера 27 не постугшт импульс с формирователя 26. Таким образом, .в счетчике 29 будет зафиксировано m импульсов, определяющих пе- 55 риод следования пакетов в первом канале.

Подсчет количества импульсов п во втором канале осуществляется следуюуг

to

15

20

есе. ьз-- ЗО ,, 45 з р50- 55 285397 .8

щим образом. После команды Пуск и прохождения через элемент 23, триггер 24 и формирователь 25 сигнала формирования переднего фронта первого центрального импульса в первом канале потенциал на выходе триггера 30 разрешает прохождение импульсов опорной частоты через элемент 31 совпадений в счетчик 32 второго канала. Импульс с формирователя 21, соответствукшщй переднему фронту первого центрального импульса во втором канапе, возвращает триггер

30в исходное состояние и элемент

31совпадений закрывается. В счетчик 32 будет зафиксировано п импульсов опорной частоты.

Триггер 22 возвращается в исходное состояние импульсом с формирователя 26 по приходу второго центрального импульса в первом канапе. Этот же импульс поступает на микропроцессор 33, разрешая обработку по- уг лученных кодов п и m в соответствии с (4).

В представленной схеме устройства для случая t з отдельные ее блоки (формирователи 4,6,9, триггеры 11,13,14,15,17,18 и элементы 16,19) могли бы быть исключены, однако они являются необходимыми в нем в случае з

При использовании предлагаемого способа по сравнению с известным по- вьшается точность результата измерений и расширяются его функциональные возможности.

Повьш1ение точности измерения дос- .тигается исютючением погрешности определения центрального импульса,связанной с погрешностью определения начала и конца пакета совпадений.Кроме того, при непосредственном вьщеле- нии центрального импульса пакета работать приходится с наиболее мощными импульсами, у которых наиболее высокий уровень отношения сигнал - шум.

При этом при более точном определении центрального импульса пакета снижаются погрешности квантования

измерения временных интервалов Т и Т„ .

Формула изобретения

Способ измерения сдвига фаз, основанный на трансформации фазового сдвига на низкую частоту путем сравнения во времени последовательностей

импульсов, сформированных из исследуемых сигналов, с опорной последовательностью импульсов и последующим выделением центральных импульсов пакетов совпадений для I

время-импульсного преобразования временных интервалов,определяющих сдвиг фаз,отличаю - щ и и с я тем, что, с целью повьше- ния точности измерения и расширения функциональных возможностей способа, вьщеляют центральные импульсы пакетов совпадений непосредственно путем определения моментов взаимного перехода передних фронтов импульсов исследуемых сигналов относительно пе

редних фронтов импульсов опорной последовательности и моментов взаимного перехода задних фронтов импульсов этих последовательностей, а временные интервалы рдя определения сдвига фаз формируют путем подсчета импульсов опорной частоты от начала первого центрального импульса совпадений до начала второго центрального импульса в первой трансформированной последовательности и от начала первого центрального импульса в первой трансформированной последовательности до начала первого центрального импульса во второй трансформированной последовательности.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике.Цель изобретения - повьшение точности измерения , расширение функциональных возможностей способа. Данный способ реализуется следующим образом.Из исследуемых сигналов формируются последовательности импульсов, которые сравниваются во времени с опорной Пуск F-UfSin F UgSin(t fyt-Kf) г последовательностью импульсов.Затем осуществляется вьщеление центральных импульсов пакетов совпадений путем определения моментов взаимного перехода передних фронтов импульсов исследуемых сигналов относительно передних фронтов импульсов опор- - ной последовательности и моментов взаимного перехода задних фронтов импульсов этих последовательностей. Временные интервалы, которые характеризуют сдвиг фаз, формируют путем подсчета импульсов опорной частоты от начала первого центрального импульса совпадений до начаЛа второго центрального импульса в первой трансформированной последовательности и в промежутке между началом первых центральных импульсов первой и второй трансформированных последовательностей соответственно, 5 стройство, реализующее данный способ, содержит К5 сю gi 00 Фиг. 2