Фазовый датчик Советский патент 1987 года по МПК H03D13/00 

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и системам автоматической настройки радиоустройств.

Целью изобретения является повышение точности измерения сдвига фаз в диапазоне +180 и расишрение динамического диапазона устройства..

На фиг,I приведена схема фазового датчика; на фиг.2, 3 - характеристики фазового детектора; на фиг.4 - характеристика фазового датчика.

Фазовый датчик содержит входную клемму 1, входную клемму 2, детектор 3 нуля, детектор 4 нуля, фазовращатель 5 на до (ФВ 5 на 90), перем- ножитёль 6, перемножитель 7, интегратор 8, интегратор 9, компаратор 10, компаратор 11, аналоговый мультиплексор (AM) 12, управляемый повторитель- инвертор (УПИ) 13, источник образцового напряжения (ИОН) 14, аналоговый вычитающий блок (АВБ) 15, выходную клемму 6.

Входная клемма 1 соединена с входом детектора 3 нуля. Входная клемма 2 соединена с входом детектора 4 ну- .пя. Выход детектора 3 нуля соединен входом ФВ 5 на и первым входом п рем1-южл ге,.ля 6. Выход детектора 4 нул соединен с вторым входом перемножителя 6 и первым входом перемножителя 7 Выход ФВ 5 на 90 соединен с вторым

входом перемножителя 7. Выход перемножителя 6 соединен с входом интегратора 8. Выход перемножителя 7 соединен с входом интегратора 9, Выход интегратора 8 соединен с входом компаратора 1 1 , Выход интегратора 9 соетдинен с входом компаратора 10 и первым вхо- дом УПИ 13. Выход компаратора 11 соединен с первым входом Atl 1 2 и вторым входом УПИ 13. Выход компаратора 10 соединен с вторь1м входом AM 12, Третий и четвертый зходы Ж 12 соедипе- ны соответственно с первым и вторьп-i выходами- ИОН 14. Выход AM 12 соедине с первым входом АВБ 15. Выход УПИ 13 соединен с вторым входом АВБ 15 Выход АВБ 15 соединен с выходной клем- мой 1 6,, которая является выводом фазового датчика.

Фазовый датчик работает следующим образом,

Опорный сигнал подается на вход- ну10 клемму I. и далее поступает на детектор 3 нуля. Последний фиксирует переходы опорного сигнала через нуль при этом положительным значениям опор

у

ного сигнала соответствует состояние 1 на выходе детектора 3 нуля, а отрицательным значениям опорного сигнала соответствует состояние О на выходе детектора 3 нуля. В фазовом датчике состоянию О соответствует напряжение, много меньшее напряжения отсечки кремниевых транзисторов, составляющих основу современной микросхемотехники, т;е. много меньшее 0,3-0,5 В. Напряжение 1 на выходе детектора 3 нуля должно намного превышать напряжение отсечки кремниевых

транзисторов, т.е. должно быть много больше 0,3-0,5 В. Наличие таких уровней напряжения на выходах детекторов 3 и 4 нулей (детектор 4 нуля идентичен детектору 3 нуля) необходимо для работы транзисторов перемножителей 6 и 7 в ключевом режиме, соответствующем нахождению этих транзисторов в процессе работы в двух состояниях: отсечки и насыцения.

Прямоугольные импульсы, приближающиеся по форме к меандру, поступают с выхода детектора 3 нуля на первый вход перемножителя 6 и вход ФВ 5 на 90, а с вывода детектора 4 нуля на второй вход перемножителя 6 и первый вход перемножнтеля 7, На второй вход которого поступают задержанные по фазе на 90 прямоугольные импульсы с выхода ФВ 5 на 90°. Перемножители б и 7 представляют собой аналоговые перемножители сигналов, реализующие следующую функцию:

аы.

(t) k-UaxiCt) -и 6X1 (t), (1)

напряжение на выходе перемножителя; масштабный коэффициент, зависящий от типа перемножителя;напряжение на первом входе перемножителя; напряжение на втором входе перемножителя. ые сигналы Uey,(t) и

у

и

ЬК1

(t) представляют собой косинусоидальные колебания одной чгютоты, выходное напряжение перемножителя имеет вид:

то

и

аи (t)k U,cosojt - U2cos(u)t+g )

k.U5U,- cosif+co3(2u)t:+4 ) ,

(2)

10

3 1345307

U , и - амплитудные значения ко- синусоидалъных колебаний, поступающих на первый и второй входы пе- ремножителя;

4 - сдвиг фаз косинусоидаль- ными колебаниями, поступающими на первый и второй входы перемножителя. становленный на выходе перемноля интегратор реализует функцию тра нижних частот и предназначен ильтрации составляющей с удвоенчастотой 2ш. С учетом этого наение на выходе интегратора имеет

2 UiU2 °S U/«a«P°S 3)

v,aKC 2 .

ледствие четности функции косиодинаковым по абсолютной величиложительному и отрицательному

НО по ни оп зн то

но фа сл

8 ти 15 ву пе 13 ин же ло ме т. ли вы

20

сдвигам фаз между колебаниями на пер- 25 ния остальных входов AM 12, присутством и втором входах перемножителя соответствуют напряжения одной величины и одного знака. Характеристика фазового детектора, выполненного на перемножителе и интеграторе имеет вид, показанный на фиг.2.

При подаче на входы аналогового перемножителя импульсных колебаний прямоугольной формы напряжение на выходе интегратора имеет вид

Usbuu)

I - f|пpн 0 ) ,ч при-П &0..

где и

Им

максимальное напряжение на выходе интегратора, зависящее от параметров перемножителя.

Характеристика вида (4) представлена на фиг.З сплопшой линией. Такая характеристика фазового детектора более предпочтительна для проведения измерений сдвига фаз вследствие ее линейности, однако, она, как и характеристика, показанная на фиг.2, не позволяет однозначно определить знак сдвига фаз.

При подаче на один из входов перемножителя опорного импульсного колебания прямоугольной формы, сдвинутого по фазе на 90 , можно видоизменить форму характеристики фазового детектора, показанную на фиг.З сплош0

НОИ линией, и привести ее к виду, показанномуна фиг.З пунктирной линией. Такая характеристика позволяет определить знак сдвига фаз, но однозначный отсчет сдвига фаз возможен только в диапазоне от минус 90 до 90 .

Цель изобретения - повышение точности измерений при измерении сдвига фаз в диапазоне +180° - достигается следующим образом.

При наличии на выходе интегратора 8 напряжения положительной полярности на выходе компаратора 11 присутст- 5 вует напряжение 1, поступающее на первый вход AM 12 и второй вход У11И 13-. При этом УПИ 13 вьтолняет роль инвертора, т.е. меняет знак напряжения на первом входе на противоположный и передает напряжение без изменения абсолютной величины на выход, т.е. на второй вход АВБ 15. При наличии на первом входе AM 12 1 на выходе AM 12, независимо от состоя0

0

бых

вует напряжение, равное нулю. АВБ 15

производит след5тощую математическую

операцию:

и вых АВ6 Uftxi - Ugx2 (5)

где Пц, л8Е напряжение на выходе

АВБ I5 и выходной клемме 1 6;

-напряжение на первом входе АВБ 15;

-напряжение на втором входе АВБ 15.

Таким образом, при указанном состоянии входов AM 12 напряжение на выходе АВБ 15 определяется следзтощим Q образом:

и

6X1

5

и

2

и

8ЫХ АВБ

0-(-из1,1х из) -Usbix ИЗ (6)

где и., „о напряжение на выходе ин- оыл иэ

тегратора 9.

При изменении сдвига фаз на вхо- 5 Дах фазового датчика в диапазоне

90 напряжение с выхода фазового детектора, образованного ФВ 5 на 90, перемножителем 7 и интегратором 9, поступает непосредственно на выход фазового датчика.

Рассмотрим случай сдвига фаз на входе фазового датчика в диапазоне

от 90 до 180°. При этом на выходе интегратора 8 присутствует напряжение отрицательной полярности (фиг.З), на выходе компаратора I 1 - напря5ке- ние О, поступающее на первый вход AM -12 и второй вход УПИ 13. УПИ 13 в этом случае не инвертирует входной

0

5

сигнал и передает его с первого входа на выход и на первый вход АВБ 15 без изменения. На выходе интегратора 9 присутствует напряжение положительной полярности (фиг.З), а на выходе компаратора 10 - напряжение 1, поступающее на второй вход AM 12. На третий и четвертый входы AM 12 соответственно с первого и второго выходов ИОН 14 подаются два образцовых напряжения, равных минус 2Uj, и 2U(,, При наличии на первом входе AM 12 О, а на втором входе AM 12 - 1 на выходе AM 12 присутствует напряже- ние, равное 2U. При этом напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующи образом:

ЛВБ 2U(- и jbix ы9- (7) Рассмотрим теперь случай сдвига фаз на входе фазового датчика в диапазоне от минус 180 до минус 90. При этом на выходе интегратора 8 присутствует напряжение отрицательной

-2U

и

- и

8ЯХ И 9

Usux(f)

и

ВЫх

2иим- и

Вых U9

Форма характеристики представлена на фиг.4, откуда видно, что характеристика фазового датчика является линейной в диапазоне изменения сдвига фаз ±180 и позволяет в этом диапазоне производить однозначный отсчет показаний величины и знака сдвига фаз. При этом для измерения абсо- .пютной величины сдвига фаз используется только один фазовый детектор, образованный перемножителем 7, ФВ -5 на 90° и интегратором 9, а фазовый детектор, образованный перемножителем 6 и интегратором 8, является необходимым только -для определения диапазона изменения сдвига фаз и в количественном определении сдвига фаз участия не принимает, что позволяет определить точность измерения сдвига фаз путем участия в количественных измерениях только одного фазового детектора.

Динамический диапазон датчика определяется только чувствительностью детекторов 3 и 4 нуля, которая может быть весьма большой при использовани

0

полярности (фиг.З), а на выходе компаратора И - напряжение О,- поступающее на первый вход AM 12 и второй вход УПИ 13. В этом случае УТШ 13 также не инвертирует входной сигнал и передает его с первого входа на выход и на первый вход АВБ 15 без изменения. На выходе интегратора 9 присутствует напряжение отрицательной полярности (фиг.З), а на выходе компаратора 10 - напряжение О, поступающее на второй вход AM 12. При наличии -на первом и на втором входах, AM 12 О на выходе AM 12 присутствует напряжение, равное минус 2и,„.При этом напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующим образом:

ВЫХ АБЁ им и 5(,,х 149- (8)

Таким образом, в зависимости от знака и величины сдвига фаз сигналов на входах характеристику фазового датчика можно представить математически:

при

- л (/ . - 2

при

(9)

при

6 с

5

0

5

0

5

в качестве детекторов нуля компараторов напряжения.

По сравнению с прототипом фазовый датчик обеспечивает повышенную точность измерения сдвига фаз в диапазоне. ±180, поскольку при количественном измерении сдвига фаз используется сигнал только с одного фазового детектора, образованного перемножителем и интегратором, а второй фазовый детектор используется только для оп-. ределения квадранта, которому-соответствует измеряемый сдвиг фаз. Кроме того, обеспечивается однозначность отсчета показаний при измерении сдви- га фаз в диапазоне t180°(характеристика фазового датчика линейна и однозначна в диапазоне 1180°), а также широкий динамический диапазон измеряемых сигналов, определяемый только качественными параметрами детекторов нуля. .

Формула изобретения I .

Фазовый датчик, содер):ащий фазовращатель на 90 , первый и второй

перемножители и первый и второй интег раторы, первый вход первого перемножителя соединен с входом фазовращателя на 90, второй вход первого перемножителя соединен с первым входом второго перемножителя, выход фазовращателя на 90°соединен с вторым входом второго перемножителя, выходы первого и второго перемножителей сое динены с входами первого и второго интеграторов, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз в диапазоне ±180°и расширения динамического диапазона, в него введены два детектора компаратора, аналоговый мультиплексор, управляемый повторитель-инвертор, источник образцового напряжения и аналоговый вычитающий блок, вход первого детектора нуля является первым входом датчика, а его выход соединен, с первым входом первого перемножителя, вход второго детектора нуля является вторым вхо-

345307 . 8

- дом датчика, а его выход соединен с первым входом второго перемножителя, выход первого интегратора соединен с входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом аналогового мультиплексора и первым входом управляемого повторителя-инвертора, выход второго интегратора соеди- 10 нен с входом второго компаратора и вторым входом управляемого повторителя-инвертора, выход второго компаратора соединен с вторым входом аналогового мультиплексора, третий и 15 четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами источника образцового напряжения, выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом аналого 20 вого вычитающего блока, выход управляемого повторителя-инвертора соединен с вторым входом аналогового вычитающего блока, выход которого является выходом фазового дат- 25 чика.

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано в системах автоматической настройки радиоустройств. Целью изобретения является повышение точности измерения сдвига фаз в диапазоне tl80 и расширение динамического диапазона устройства. Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее входные клеммы 1 и 2, фазовращатель 5 на 90°, перемножители 6 и 7, интеграторы 8 и 9 и выходную клемму 16, дополнительно введены детекторы 3 и 4 нуля, компараторы 10 и 11, аналоговый мультиплексор 12, управляемый повторитель-инвертор 13, источник 14 образцового напряжения и аналоговый вычитающий блок 15. Устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более широкий диапазон измеряемых сигналов, определяемый только качественными пар аметрами детекторов НУЛЯ. 4 ил. о (Л СО 4 СП СО Г6

180Jf,

дзи&.2

UBbfy.

фие.З

2UuJ

Udtiixi

фи&А

Составитель С.Кулиш, .

Редактор Н.Слободяник Техред Л.Олийиык Корректор И.Шулла

Заказ 4930/53Тираж 900Подписное

ВНИИПИ Госудс1рственного комитета СССР

по делам изобретений н открытий 113035, Москва, , Раушская наб., д.4/5

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