Цифровой фазометр Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

13

Изобретение относится к злектро- радиоизмерительной технике и может быть использовано при разработке фа- зометрических устройств.

Цель изобретения - расошрение динамического диапазона входных сигналов при высокой точности измерения сдвига фаз.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого фазометра; на фиг. 2 - временные днат раммы его работы; на фиг.З - схема блока управления; на фиг.4 - временные диаграммы его работы; на фиг.З - схема формиро- вателя ортогональньгх сигналов; на фиг.6 - схема вычислительного блока; на фиг. 7 - илок-.. алгоритма его работы.

Цифровой фазометр содержит два идентичных канала 1 и 2, содержащие , каждый последовательно соединенные стробоскопический преобразователь 3, фильтр 4, усилитель-ограничитель 5, первьш элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ 6, пер- Bbtt счетчик 7 и первый регистр 8, последовательно соединенные второй элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ 9, BTopoii иход которого соединен с выходом усилите- ля-ограничителя 5, второй счетчик 10 и второй регистр 11, а также последовательно соединенные опорнь генератор 12, формирователь 13 ортог ональ- ного сигнала, фазовый детектор 1А, управляемый генератор 15, выходы которого соединены с входами стробоскопических преобразователе; обоих каналов, выход стробоскопического преобразователя 3 канала 1 соединен с пер- вым входом фазового детектора 1ч, первый выход формирователя 13 ортогонального сигнала соединен также с первыми вxoдa ш первых элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ 6 каналов 1 и 2, второй выход - с первыми входами вторых элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ 9 каналов 1 и 2, вычислительный блок 16,. входная шина которого соединена с вьгходами регистров 8 и 11 каналов 1 и 2, а вы- ходная - с индикаторным блоком 17, генератор 18 импульсов, соединенный через элемент 19 совпадения со счетными входами счетчиков 7 и 10 каналов 1 и 2, блок 20 управления, первый вы- ход которого соединен с входами установки счетчиков 7 и 10 каналов 1 и 2 второй выход - с входами записи регистров 8 и 11 каналов 1 и 2, третий

15

выход - с управляющим входом вычислительного блока 16, четвертый вьгход - с элементом 19 совпадения, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы - с входами управления регистров 8 и 11 каналов 1 и 2 соответственно. Первые входы стробоскопических преобразова- теле11 3 каналов 1 и 2 являются входами пифрового фазометра.

Блок 20 управления (фиг.З) содержит последовательно соединенные тактовый генератор 21, делитель 22 час- тотЕз, формирователь 23 импульсов и первый 24, второй 25, третий 26 и четвертый 27 элементы задержки. Выходы элементов 24-27 задержки являют- с выходами 20 управления и соединены с входами элемента Ш1И 28, выход KOTOiJoro является выходом блока 20 управ.ле1П1я. Выходы делителя 22 частоты соедине}1ы с дешифратором 29, выход которого является выходом блока 20 управления.

Формирователь 13 ортогонального сигнала (фиг.5) содержит счетный триггер 30, к прямому и инверсному выходам которого подсоединены счетные триггеры 31 и 32 соответственно, выходы которых являются выходами бло- к а 1 3 .

Вычислительный блок 16 (фиг.6) со- держит микропродессорный модуль 33, шина адреса которого соединена с адресными входами постоянного запоминающего элемента 34, оперативного запоминающего элемента 35 и входами дешифратора 36, ВЫХОД) которого соединены с у равляю 1у ми входами запом1П1а ощих элементов 34 и 35. 1нформадион Ь е входы- выходы микропро 1,ессорного модуля 33 соеддшены с выходами постоян)ого запоминающего э.лемента 34 и с УИ1форма- дионным входами-в,ходами оперативного запоминаю 1,его элемента 35:. Управляющие с сигналами и Запись микро ро дессор юго модуля 33 соедине1 ы с }ходами у равления по- и о теративного за1 Омина о Д1х элементов 34 и 35 соответственно.

Цифровой фазометр работает следу о- 1Ш1М образом.

си Л1аль частотой f , фазовый Ц) между ко-1 орь ми нужно измерить, посту 1ают на первые входы стробоско ических преобразователей 3 1 и 2 (фиг.2а,б), на вторые входы которь Х поступают короткие импульсы частотой f с выходов управля313378

емого генератора 15 (фиг.2Ь). Управляемый генератор 15 перестраивается сигисшом с выхода фазового детектора 14, входящего в кольцо ФАПЧ (ФАЛЧ состоит из опорного генератора 12, формирователя 13 ортогонального сигнала, фазового детектора 14 и управляемого генератора 15), таким образом, чтобы преобразованная частота „„ сигналов ю на выходах стробоскопических преобразователей 3 каналов 1 и 2 была постоянной и определялась выражениями:

или

fnp fc-nf, ,

где п - номер г армоники частоты f. , на которой происходит преобразование на нижней или на верхней боковой частоте соот- ветственно.

Выходные сигналы стробоскопических преобразователей 3 каналов 1 и 2 частотой fnp (фиг.2г,) поступают на фильтры 4 каналов 1 и 2 соответствен- но. Отфильтрованные сигналы частотой „ с выходов фильтров 4 (фиг.2е,;к) подаются на усилители-ограничители 5 каналов 1 и 2. Прямоугольные импульсы с выходов усилителей-ограничителей

5каналов 1 и 2 (фиг.2,ц) подаются на элементы РАВНОЗНАЧНОСТЬ 6 и 9 ка- калов 1 и 2 соответственно. Формирователь 13 ортогонального сигнала вырабатывает из сигналов опорного гене- ратора 12 два прямоугольных квадратурных колебания частотой „„ (фиг.2к

л), первое колебание поступает на элементы РАВНОЗНАЧНОСТЬ 6 каналов 1 и 2, второе, сдвинутое на 90 относи- тельно первого, - на элементы РАВНОЗНАЧНОСТЬ 9 каналов 1 и 2.

Элементы 6 и 9 каналов 1 и 2 обеспечивают выполнение операций равнозначности сигналов с выходов усилите- лей-ограничителей 5 и выходов формирователя 13 ортогонального сигнала. Импульсные последовательности (фиг.2м н) с выходов элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ

6и 9 канала 1 поступают на управля- ющие входы счетчиков 7 и 10 канала 1 соответственно, импульсные последовательности (фиг.2 о,п) с выходов элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ 6 и 9 канала

2 поступают на управляющие входы сче- тчиков 7 и 10 канала 2 соответственно Сигналы с выходов элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ 6 и 9 используются для управления режимом работы счетчиков

5

о

5 о

g

0

5

0

g

7 и 10, которые подсчитывают количе- ство импульсов, поступающих от reire- ратора 18 импульсов через элемент 19 совпадения.

По окончании измерительного формируемого блоком 20 управления, элемент 19 совпадения закрывается, коды чисел К,, и К , накопленные в счетчиках 7 и 10 канала 1 соотвегг- ственно, за измерительный цикл Т, переписываются по сигналам управления от блока 20 в регистры 8 и 11 ка- нала 1 соответственно, а коды чисел Kj, и Kjj, накопленные в счетчиках 7 и 10 канала 2 - в регистры 8 и 11 канала 2 соответственно.

По сигналам управления от блока 20 управления в вычислительный блок 16 в соответствии с блок-схемой алгоритма его работы (фиг.7) считывается измерительная информация последовательно с регистров 8 и 11 каналов 1 и 2 (К„,К,,,и К,„К).

Вычислительный блок 16 вычисляет функции арктангенса отношений измеренных величин, т.е.:

тсR

tf, arctg - и if arctg -- ,

берет разность вычисленных значений,

т.е. cf ср,-cpj и выдает код отсчетас, равный фазовому сдвигу между входными сигналами устройства, на индикаторный блок 17. I

Счетчики 7 и 10 каналов 1 и 2 затем устанавливаются в исходное (нулевое) состояние сигналом от блока 20 управления, элемент 19 совпадения открывается, и цикл измерения повторяется.

Блок 20 управления (фиг.З) выполняет формирование длительности измерительного цикла TJ,Jд и управляющих сигналов (фиг.4), необходимых для организации обмена информацией между счетчиками 7 и 10, регистрами 8 и 11 и вычислительным блоком 16.

Тактовый генератор 21 вырабатывает импульсную последовательность (фиг.4сО, поступающую на делитель 22 частоты. Дешифратор 29, подключенный к выходам делителя частоты обеспечивает формирование импульса (фиг.45) установки счетчиков 7 и 10 каналов 1 и 2 в нулевое состояние. Коэффициент деления делителя 22 частоты выбирается таким, чтобы обеспечить необходимую длительность измерительного цикла Т(,„

13

(фиг.4Ь) измерителя разности фаз при заданной частоте импульсов генератора 21 (фиг.4а). Формирователь 23 импульсов, включенный на выходе делителя 22 частоты, обеспечивает формирование импульсов длительностью t по окончании измерительного цикла Тц(фиг.4г) для переписи информации из счетчиков 7 и 10 в регистры 8 и 11 обоих кана- лов, СигисШ с выхода формирователя 23 импульсов проходит элемент 24 за- держки и через время t, (фиг,4а) под П° 4

ключает выходы регистра о канала 1 к входной шине вычислительного блока 16 для считьгаания информации из регистра 8 в вычислительный блок 16 по сигналу управления, поступающему через элемент ИЛИ 28 (фиг,4и). Затем по сигналу (фиг,4е) считывается ин- формация из регистра 11 канала 1 и т,д, (фиг,4,ж),

В формирователе 13 ортогонального сигнала (фиг,5) триггер 30 работает по переднему фронту входных импульсов в режиме деления частоты на два, аналогичным образом работают триггеры 31 и 32, Таким образом, сигналы с выходов триггеров 31 и 32 сдвинуты друг относительно друга на четверть периода выходной частоты, равной f, , а опорный генератор 12 выдает импульсный сигнал частотой 4 fпо.

В вычислительном блоке 16 (фиг,6) дешифратор 36 обеспечивает выбор пос- тоянного или оперативного запоминающих эл2ментов 34 и 35, в которых хранятся программы, константы или текущая информация соответственно. Микропроцессорный модуль 33 выполняет об- работку и обмен информацией в соответствии с блок-алгоритмом показанным на фиг,7, и связан с запоминающими элементами 34 и 35 и дешифратором 36 шиной адреса (ША) и информа- ционной шиной данных (ИЩ), может иметь управляющие выходы с сигналами Чтение и Запись для управления постоянным и оперативным запоминающими элементами 34 и 35 соответствен- но, Вывод - для вывода информации по шине ШД в индикаторный блок 17, вход 3anpot прерывания - для ввода информации в вычислительный блок 16 по сигналам от блока 20 управления,

I

В предлагаемом устройстве расширяется на порядок и более динамический диапазон входных сигналов за счет

156

возможного уменьшения уровней сигналов при измерении фазовых сдвигов. Введение описанных блоков с указанными связями позволяет измерять фазовые сдвиги на преобразованной частоте fрр при соотношении сигнал/шум менее 3, В прототипе минимальный уровень входного сигнала составляет 0,3 мВ, при этом обеспечивается погрешность измерения сдвига не более -2,5 при соотношении сигнал/шум на преобразованной частоте „ до 3-5, При дальнейшем уменьшении соотношения сигнал/шум, т,е, уменьшении уровней входных сигналов, прототип не работоспособен. Для возможного расширения динамического диапазона прототипа необходимо сужать полосу пропускания полосовых фильтров, включенных на выходах стробоскопических преобразователей. Однако при этом под действием внешних факторов (изменение температуры, питающих напряжений и т,д,) в избирательных фильтрах прототипа возникает фазочастотная погрешность, величина которой зависит от расстройки фильтра f относительно преобразованной частоты „„ и для фильтров, выполненных на LG-резонансньгх контурах и расстройке uf tO,05% частоты fqp 20 кГц равна q)t2Quf/ p 11,2,

Формула изобретения

Цифровой фазометр, содержащий последовательно соединенные в первом и втором каналах стробоскопический преобразователь, вход которого соединен с входами фазометра, фильтр и усилитель-ограничитель, а также индикаторный блок, опорный генератор, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом стробоскопического преобразователя первого канала, управляемый генератор, выходы которого соединены с входами стробоскопических преобразователей обоих каналов, а вход его подключен к выходу фазового детектора, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона входных сигналов при высокой точности измерения фаз, в него введены в первый и второй каналы последовательно соединенные первый элемент РАВ ЮЗНАЧНОСТЬ, первьш счетчик, первый регистр, последовательно соединенные второй элемент РАВНОЗНАЧ- НОЧСТЬ, второй счетчик и второй регистр, а также вычислительный блок.

/ 1

входная шина которог о соединена с выходами первых и вторых регистров первого и второго каналов, а выход - с индикаторным блоком, генератор импульсов, соединенный через введенный элемент совпадения со счетными входами первых и вторых счетчиков обоих каналов, блок управления, первый выход которого соединен с входами установки счетчиков первого и второго каналов, второй выход - с входами записи регистров первого и второго каналов, третий выход - с управляющим входом вычислительного блока, четвертый выход - с элементом совпадения, остальные выходы блока управления со

158

единены с входами управления первых и вторых регистров первого и вюрого каналов, формирователь ортогональных сигналов, вход которого соединен с опорным генератором, первьш выход - с первыми входами первых элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ обоих каналов и с вторым входом фазового детектора, второй

выход - с первыми входами вторых элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ обоих каналов, вторые входы первого и второго элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ перврго канала, вторые входы первого и второго элементов РАВНОЗНАЧНОСТЬ второго канала

соединены с выходами усилителей-ограничителей соответствующих каналов.

в

г д

I I I II JI II I I I I I I I

ж

3

и

н

л м н

о

п

Фиг.2

Р

20

21

а.

22

г

24

д

2д

27

-

фиг.З

Изобретение относится к радиоэлектроизмерительной технике и позволяет расширить динамический диапазон входных сигналов при высокой точности измерений сдвига фаз. Цифровой фазометр содержит каналы 1 и 2, каждый из которых включает стробоскопический преобразователь 3, фильтр 4 и усилитель-ограничитель 5. Кроме того, устройство содержит опорный генератор 12, формирователь 13 ортогонального сигнала, фазовый детектор 14, управляемый генератор 15, вычислительный блок 16, индикаторньй блок 17, генератор 18 импульсов, элемент 19 совпадения и блок 20 управления. Введение в канал элементов 6 и 9 равнозначности, счетчиков 7 и 10, регистров 8 и 11 и образование новых функциональных связей уменьшает уровень сигналов при измерении фазовых сдвигов и позволяет измерять фазовые сдвиги на преобразованной частоте при соотношении сигнал/шум менее 3. 7 ил. с (Л Фиг.

Ж

и

фигА

OfT S/TOffcf12

fi A S/roHo/ S

mrffo/ ffff fu2

.. /f S/fOffon /4 и 6 ftoHO/roS fu2

Редактор А.Лежнина

Составитель С.Кулиш

Техред И.Попович Корректор А.Тяско

Заказ 4126/43Тираж 730Подписное

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, 4