Цифровой фазометр Советский патент 1987 года по МПК G01R25/08 

Изобретение относится к фазоиэме- рительной технике и может быть использовано при создании высокочастотных фазоизмерителей для широкого диапазона частот, работающих в условиях помех.

Цель изобретения - повышение точности измерения фазового сдвига путем уменьшения погрешности, вызванной влиянием шумов.

На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового фазоизмерителя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Фазометр содержит формирователь 1, генератор 2 пилообразного напряжения, вспомогательный цифроаналого- вый преобразователь 3, компаратор 4, блок 5 распределения и формирования импульсов, два идентичных канала 6 и 7, блок 8 совпадения, делитель 9, нуль-индикатор 10, меру 11 фазовых сдвигов, цифровой индикатор 12.Каждый канал выполнен в виде последовательно соединенных блока 13 строби- рования, накапливающего сумматора 14, аналого-цифрового преобразователя 15, блока 16 оперативной памяти, цифроаналогового преобразователя 1 7 и фильтра 18 нижних частот. Входные клеммы фазометра подсоединены к первым входам блоков 13 стро- бирования, причем первая входная клемма подключена также к последовательно соединенным формирователю 1, генератору 2 пилообразного нап- ряж,ения, компаратору 4 и блоку 5 распределения и формирования импульсов, выходы которого соединены с вторыми входами блоков стробирова- ния, вторые входы аналого-цифровых преобдазователей соединены с входами блока совпадения, выход которого, соединен с вторыми входами накапливающего сумматора и управляющим входом делителя, фильтры нижних частот соединены со входами нуль-индикатора, подключенного своим ВЬЕХОДОМ через меру 11 фазовых сдвигов к входу цифрового индикатора 12, второй выход меры соединен с вторыми входами блока оперативной памяти, второй вход делителя подключен к выходу формирователя 1, а его выход - к вспомогательному,цифроаналоговому преобразователю 3.

На временных диаграммах (фиг. 2) приняты следующие обозначения:

а) смесь V, полезного, сигнала и помехи в опорном канале;б) смесь V полезного сигнала и помехи в измерительном канале; в) преобразованный сигнал V (я t) на выходе накопителя опорного канала амплитудой п V,; г) преобразованный сигнал ) на выходе накопителя измерительного канала амплитудой п V ; щаг д t стробирования.

На фиг, 2 масштаб средней части диаграммы условно увеличен в 5 раз .

Устройство работает следующим образом.

Один из входных сигналов V, поступает на формирователь 1, после которого прямоугольные импульсы поступают одновременно на входы генератора 2 пилообразного напряжения и делителя 9 частоты. Выходное напряжение вспомогательного цифроаналогового преобразователя 3, соответствующее коду старших разрядов делителя 9, сравнивается в компараторе 4 с пилообразным напряжением и в момент их совпадения вырабатываются ,строб-импуЛьсы, производящие дис- кретизацию входных напряжений в блоках 13.

Строб-импульсы следуют 1 раз в период входного сигнала Т„

гр

8х

(1 ± ), где Т

вх

- период

входного сигнала; К - число выделяемых выборок входного сигнала,

После фиксации и накопления п авноотстоящих выборок входного сигнала,, соответствующих i порядковоу номеру строб-импульса старшие азряды делителя 9 изменяют свое состояние, переходя к стробированию i + 1 номера. Величина п выбирается из условия готовности АЦП произ- водит.ь преобразование (путем предустановки младших разрядов делителя в заданное число) и должна удовлетворять условию п Tg, г Т где „ - время преобразования АЦП,

Рассматривается работа фазометра для гармонических напряжений. U, и sin 0) t; U Uj sin- ( w t + + (f ), Когда блоками 13 в моменты появления i-o строб-импульса зафиксируются соответственно выборки

и

im

Sin

21Г i К

и

1Г,

sin

(к

tf );

где i 0, 1, 2,..., К-1 - порядковый номер строб-импульсов. Каждое значение выборки, соответствующее определенному i-y значению номера выборки, многократно накапливается нарастающим итогом на накапливающем сумматоре 14. Число накопления зависит от коэффициента деления делителя 9. Накопленные значения поступают на входы АЦП преобразователей 15 и далее в :виде кодов на входы блока 16 оперативной памяти.

Кодовыми сигналами адреса, вырабатываемыми мерой 11, осуществляется последовательное считывание этих кодов и подача их через ЦАП 17, на выходе которых формируются переменные напряжения частотой гг. Основные гармоники этих напряжений, выделенные фильтрами 18, равны

К sin

п и

К

im

Sin

( Q t - - + 9, );

К

„ . II к sin -jT n- и„.sinx

2m

11

F

+ + q , .

где Q 2ПГ - круговая частота

сигналов меры фазовых сдвигов; )1 начальнын фазы

этих напряжений; п - число накопленных выборок.

Разность фаз q Vi 2 ходных напряжений меры 11 изменяется с помощью управляющих сигналов нуль- индикатора 10. При достижении синфаз ности напряжений на входах нуль-индикатора выполняется равенство (jf ( в этот момент измеряемый фазовый сдвиг индицируется цифровым индикатором 12. Накапливающие сумматоры 14 вьшолняют отработку сигнала в промежутки времени, когда АЦП не готовы производить измерение. I

Рассматривается процесс уменьшения влияния шумов на устройство, выполненное по такой структурной.схе

1974

ме. Входные напряжения фазометра представлены в виде аддитивной смеси полезного сигнала и шума, т.е. случайных во времени функций

и, V, + V

+ V.

л

иг V,

(R 2R

где V, и V - регулярные сигналы;

V,д и V - помехи в каналах. Мгновенные значения сигналов U и и многократно фиксируются внутри интервала накопления для каждой i-й точки периода, а отсчеты накапливаются

п

j 1

п

и

11

V,(t,) -H-v,(t,); V.(t,) + V,, (t) ;

j 1

n

(i

y j 1

V,(t,)

+ V

(R

(t;)

n

30 2,

Va(t,) -, t,) ;

j 1

U,, ZI V,(t,) -f V,,(t) ;

n

40

U2i

K(t;) -b V,,(t.) ;

где

ti

-BX

к

T gjj - период входного сигнала; К - число точек на периоде; 1 0, 1, 2,...,К-1;

Для независимых отсчетов можно записать:

и

п

z:

U,i n V, (t;) п

J 1

m

(t;);

n

zz

2i

n

)

2R

U;).

Как известно, отношение мощностей сигнала и помехи на вьсходах f. и

Г,

имеет вид:

f

n

V, (t;)

j 1

1R

(ti)

(t,)

- дисперсии помех в каналах,

Вследствие принятого допущения о независимости отсчетов и в виду стационарности помех в каналах можно считать эквивалентным усреднение по ансамблю и по времени, а отношение сигнал/шум на выходе накапливающих сумматоров имеет вид

Как. известно, точность фазовых навигационных систем в основном определяется точностью применяемых в них-фазоизмерителей, которая в

25 свою очередь, ограничена погрешностью возникающей от влияния аддитивных шумов и флуктуационных помех. Указанные составляющие могут быть значительно снижены (в 5-10 раз)

30 использованием предлагаемого устройства v

/,

И5;

п

f - iij:

D V,R (tiU (t;)

V.

D V,« (t;)

В тоже время отношение сигнал/шум для вжэдных сигналов фазометра имеет вид

Формула изобретения

j Цифровой фазометр, содержащий

(t; )два идентичных канала, каждый из которых содержит блок стробирования, первые входы которых являются входными клеммами фазометра, и последо- 40 вательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок оперативной памяти, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, выходы фильтров нижних частот соединены с 45 входами нуль-индикатора, выход которого через меру фазовых сдвигов подсоединен к входу цифрового инди- катора выходы меры фазовых сдвигов соединены с вторыми входами бло- 50 ка оперативной памяти, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, компаратор и блок распределения и формирования импульТаким образом, применение простых GOB,.выходы которого соединены с устройств синхронного накопления (сов- вторыми входами блоков стробирования, местного использования накапливающих а также делитель, который через сумматоров и делителя) значительно вспомогательный цифроаналоговый пре- улучшает соотношение синал/шум на образователь соединен с вторым вхо- входе АЦ11, что позволяет значительно дом компаратора, отличаю/,;

v .

вход

(tO

D V,;

(Ml

f,

21 вход

v| (to

D CV,, (t;)

,

2901976

снизить погрешность фазометра при воздействии шумов. Так, при использовании делителя с коэффициентом деления 100 () коэффициент пере5 . дачи накапливающего сумматора для полезного сигнала практически на порядок превышает его значение сигнала помехи, что позволяет на порядок повысить точность измерения фазового

Ш сдвига (до значений 0,1 - 0,2 )..

Изменение коэффициента синхронного накопления путем регулирования коэффициента деления счетчика (например, путем предустановки заданного числа)

5 позволяет оптимально согласовать щкалу АЦП с динамическим даипазоном входных преобразуемых напряжений и устранить фазоамплитудную погрешность фазометра.

20 I

Как. известно, точность фазовых навигационных систем в основном определяется точностью применяемых в них-фазоизмерителей, которая в

25 свою очередь, ограничена погрешностью возникающей от влияния аддитивных шумов и флуктуационных помех. Указанные составляющие могут быть значительно снижены (в 5-10 раз)

30 использованием предлагаемого устройства v

712901

щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения погрешности, выз-ванной влиянием шумов, введены формирователь, блок совпадения и в каждом канале 5 накапливающие сумматоры, первые входы которых соединены с выходами со- ответствуюшд1х блоков стробирования.

978

а вторые входы - подсоединены к выходу блока совпадения и управляющему входу делителя, второй вход которого соединен с выходом формирователя вход которого соединен с первой клеммой фазометра, а входы блока-совпадения подсоединены к вторым выходам аналого-цифровых преобразователей.

(fiue.Z

Ре,дактор С.Лисина

Составитель Ю.Макаревич

Техред А.Кравчук Корректор С.Черни

Заказ 7895/41 Тираж 751Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по. делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

Изобретение относится к фазоиз- мерительной технике. Цель изобретения - повьшение точности измерения фазового сдвига. Цифровой фазометр содержит два карала 6 и 7, каждый из которых включает блок 13 строби- рования, аналого-цифровой преобразователь 15, блок 16 оперативной памяти, цифроаналоговые преобразователи 17 и фильтр 18 нижних частот. Устройство также содержит генератор 2 пилообразного напряжения, цифроанало- говый преобразователь 3, компаратор 4, блок 5 распределения и формирования импульсов, делитель 9,нуль-инди- ка;тор 10, меру 11 фазовых сдвигов и цифровой индикатор 12. В каждый канал 6 и 7 введен накапливающий сумматор 14. Кроме того, в устройство введены формирователь 1 и блок 8 совпадений. Это позволяет получить работу устройства при соотношении сигнал/шум около 3 дБ. В 5...10 раз снижено влияние аддитивных шумов и флуктуационных помех. Наблюдается не менее, чем десятикратное улучшение чувствительности и точности Ф2-16 и Ф2-1 и др. 2 ил. СЛ fU,it tc QD СО «