Цифровой фазометр мгновенных значений Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении статистических характеристик флуктуации фазы сигнала.

Цель изобретения - повышение достоверности измерения ширины диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига.

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

Цифровой фазометр мгновенных значений содержит два входных формирователя 1 и 2, триггер 3 управления, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, дискриминатор 5 опережения, формирователь 6 временных интервалов, генератор 7, элементы И 8 и 9, первый регистр 10, блок 11 вычитания кодов, второй регистр 12, триггер 13 знака, первый пиковый детектор 14, инвертор 15, второй пиковый детектор 16, блок 17 управления, сумматор 18, индикатор

19.

При этом выходы формирователей 1

и 2 подключены к входам формирователя 6 временных интервалов и дискриминатора 5 опережения. Причем выход формир.ователя 1 подключен через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4. Выход генератора 7 соединен с первыми входами элементов И 8 и 9, вторые входы которых объединены и подключены к выходу формирователя 6 временных интервалов а выходы раздельно соединены: у элемента И 8 - со счетным входом первого регистра 10, у элемента И 9 - с входом второго регистра 12.

Информационные выходы пиковых детекторов 14 и 16 поразрядно соединены с соответствующими входами сумматора 18, выходы которого поразрядно подключены к входам индикатора 19. Вход блока 17 управления соединен с выходом второго формирователя 2, первый его выход подключен к третьему входу элемента И 8, третий выход подключен к управляющему входу первого регистра 10 и двух пиковых детекторов 14 и 16, второй выход подключен к управляющему входу второго регистра 12, пятый выход подключен к первы управляющим входам пиковых детекторов 14 и 16, шестой выход подключен к управляющему входу цифрового инди0

5

0

5

катора 19, а четвертый выход подключен к первому входу триггера 13 знака.

Выход триггера 13 подключен к второму управляющему входу блока 11 вычитания кодов, второй вход триггера 13 знака объединен с первым управляющим входом блока 11 вычитания кодов и подключен к выходу дискриминатора 3 опережения. Первый информационный вход блока 11 вычитания кодов поразрядно соединен с информационным выходом регистра 10, второй информационный вход поразрядно соединен с информационными выходами регистра 12, выходы блока 11 вычитания кодов поразрядно подключены к входам пиковых детекторов 14 и 16, а управляю-, щий выход блока 11 вычитания кодов подключен непосредственно к второму управляющему входу первого пикового детектора 14 и через инвертор 15 - к второму управляющему входу второго пикового детектора 16.

Кроме того, вход триггера 3 управления соединен с выходной щиной переноса сумматора 18, а выход подключен к входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

0 ИЛИ 4.

Каждый из пиковых детекторов 14 и 16 содержит регистр 20, блок 21 сравнения кодов и элемент И 22. Первый кодовый вход блока 21 сравнения ко5 дов поразрядно объединен с информационным входом регистра 20, являющимся информационным входом пикового детектора 14 (16), второй информационный вход поразрядно объединен с выхо0 дом регистра 20, являющимся выходом пикового детектора 14 (16), а выход блока 21 сравнения кодов подключен к первому входу элемента И 22, выход которого соединен с вторым управля5 ющим входом регистра 20, а второй и третий входы являются первым и вторым управляющими входами цифрового пикового детектора 14 (16).

В качестве входных формирователей

0 1 и 2 могут быть использованы фазо- стабильные усилители-ограничители,

Формирователь 6 временных интервалов выполняется по схеме с перекрытием и обеспечивает вьщеление времен-.

5 ного интервала, пропорционального фазовому сдвигу в диапазоне от +180 до -180.

Дискриминатор 5 опережения определяет знак мгновенной разности фаз.

Если опорный сигнал отстает от исследуемого, то дискриминатор 5 опережения выдает на своем выходе высокий потенциал, соответствующий положительному сдвигу фаз. В противном случае, на его выходе присутствует низкий потенциал, что соответствует отрицательному фазовому сдвигу.

В качестве эталонного генератора 7 может быть применен генератор прямоугольных импульсов, частота которого стабилизирована с помощью кварцевого резонатора.

Первый регистр 10 фиксирует и пом нит в течение всего измерительного цикла первое мгновенное значение фазового сдвига. Регистр 10 представляет собой счетчик импульсов. Допускается также фиксирование и запоминание регистром 10 некоторого среднего значения сдвига фаз, вычисленного за определенный промежуток времени.

Второй регистр 12 представляет собой счетчик импульсов, но фиксирующий текущие мгновенные значения фазовых сдвигов за каждый период вход- ных сигналов.

Пиковые детекторы 14 и 16 формируют за время измерительного цикла с помощью регистра 20 и блока 21 сравнения кодов максимальное отклонение сдвига фаз в сторону больших (детектор 14) и меньших (детектор 16 значений относительно первого значения, запомненного в регистре 10. Регистр 20 может быть выполнен на D- триггерах, D-входы которых являются информационными входами регистра, а С-входы объединены и подключены к вы ходу элемента И 22, Блок 21 сравнени кодов выдает на своем выходе высокий разрешающий запись очередного мгновенного значения отклонения в регист 20 потенциал, если это значение по абсолютной величине превьщтает величину отклонения, ранее записанную в регистр 20. Запись большего значения отклонения в регистр 20 производится по команде (фиг. 2д), поступающей с пятого выхода блока 17 управления после окончания измерения каждого текущего мгновенного значения фазового сдвига.

Сумматор 18 предназначен для вычисления ширины диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига путем сложения максимальных отклонений сдвига фаз в сторону боль

0

0

ших и в сторону меньших значений относительно первого значения, запомненного в начале цикла, и представляет собой логический сумматор.

Индикатор 19 включает в себя регистр памяти, выполненный на D-триг- герах, дешифратор и индикатор состояний. Перепись результата измерения в регистр памяти осуществляется по команде (фиг. 2з), подаваемой на С- входы D-триггеров с шестого выхода блока 17 управления.

При необходимости индикатор 19 может содержать регистрирующее устройство. Вместо перечисленных вьш1е функциональных узлов индикатор 19 может содержать устройство сопряжения с ЭВМ.

Блок 17 управления содержит время- задающий счетчик, определяющий длительность измерительного цикла (фиг. 2ж), и формирователи команд, выполненные на генераторах одиночного им- 5 пульса (одновибраторах, выдающих по перепаду из логической 1 в логический О короткие отрицательные импульсы) , элементах задержки, инверторах и триггере с раздельными вхо- 0 дами.

Блок 11 вычитания кодов служит для получения текущей разности (мгновенного значения отклонения) между мгновенными значениями фазовых сдвигов, периодически записываемыми в регистре 12, и первым значением фазового сдвига, зафиксированным в начале измерительного цикла в регистре 10 с учетом их знаков.

На выходе блока 11 вычитания кодов формируется код, соответствующий абсолютному значению текущей разнос-

5

кущей разности. При этом плюсу соответствует высокий потенциал, а минусу - низкий потенциал.

Блок 11 вычитания кодов может быть выполнен на логических сумматорах (например, 155 ИМЗ), элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элементах И и элементах НЕ.

Триггер 13 знака предназначен для запоминания знака первого значения сдвига фаз, занесенного в начале измерительного цикла в регистр 10, и может быть выполнен на D-триггере. Запоминание осуществляется по команде с четвертого выхода блока 17 управления, подаваемой по окончании

измерения первого значения фазового сдвига.

Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 предназначен для повторения или инвертиро- вания (в зависимости от величины потенциала на выходе триггера 3 управления) одного из сигналов, подаваемых на вход формирователя 6 временных интервалов.

Цифровой фазометр работает следующим образом.

После включения цифровой фазометр устанавливается в исходное состояние, при котором элементы И 8 и 9 закрыты низким потенциалом с выхода формирователя 6 временных интервалов, регистры 10,12 и 20 (в пиковых детекторах 14 и 16) находятся в нулевом состоянии. При этом на первом выходе блока 17 управления появляется высокий потенциал (фиг. 2к), который подготавливает к открыванию элемент И 8.

Цифровые пиковые детекторы 14 и 16 и цифровой индикатор 19 заблокиро- ваны низким потенциалом с пятого (фиг. 2д) и шестого (фиг. 2з) выходов блока 17 управления. На тактовом входе триггера 13 знака появляется низкий потенциал (фиг. 2л), поданный с четвертого выхода блока 17 управления.

Триггер 3 управления может находиться в произвольном положении.

При поступлении исследуемого U, (фиг. 2а) и опорного U (фиг. 26) сигналов на выходе формирователя 6 времешых интервалов появляется импульс положительной полярности (фиг. 2в), длительность которого про- 1порциональна измеряемой мгновенной разности фаз. При этом поскольку на один из входов формирователя 6 поступает либо прямой, либо проин- вертированный (в зависимости от сое- тояния триггера 3 управления) входной сигнал, то длительность его выходного импульса может либо непосредственно соответствовать измеряемому фазовому сдвигу, либо иметь дополни- тельную добавку, пропорциональную 180 и не влияющую на нормальную работу фазометра.

Этот импульс открывает элементы И 8 и 9, через которые высокочастот- ные колебания генератора 7 поступают на входы регистров 10 и 12. Одновременно на информационный вход триггера 13 знака и второй управляющий

вход блока 11 вычитания кодов с выхода дискриминатора 5 опережения подается потенциал, величина которого соответствует знаку переменного первог значения фазового сдвига.

По окончании первого импульса закрываются элементы И 8 и 9. В регистрах 10 и 12 оказывается записанным первое значение фазового сдвига. После чего на первом и четвертом выходах блока 17 управления, на вход которого подаются прямоугольные импульсы типа меандр (фиг. 2г) с выхода одного из входных формирователей (1 или 2),происходит одновременное изменение потенциалов. На первом выходе блока 17 управления появляется низкий потенциал (фиг. 2к), который блокирует элемент И 8 до конца измери- тельного цикла, а на четвертом выходе - высокий потенциал (фиг. 2л), в момент появления которого (перепадом из логического О в логическую 1) в триггере 13 осуществляется фиксация (также до конца измерительного цикла) знака первого значения фазового сдвига.

В результате того, что в регистрах 10 и 12 оказалось записанным одно и то же число с одним и тем же знаком, на выходе блока 11 вычитания кодов формируется код разности, равный нулю. Перед началом следующего измерения, по команде (фиг. 2е) с второго выхода блока 17 управления, регистр 12 обнуляется.

В момент появления второго и последующих импульсов на выходе формирователя 6 высокочастотные импульсы генератора 7 периодически поступают на вход регистра 12, в результате чего в нем записываются числа, соответствующие т екущим мгновенным значениям фазовых сдвигов за каждый период поступающих на вход фазометра сигналов 1)4 и Uj. При этом на выходе /блока 11 вычитания кодов периодически формируется код соответствующий абсолютному значению разности между текущими значениями сдвига фаз, записываемыми в регистре 12, и первым значением фазойого сдвига, зафиксированным в регистре 10 на время измерительного цикла. Знак текущей разности, формируемый на управляющем выходе блока 11 вычитания кодов, зависит как от знака первого значения фазового сдвига, поступающего на второй управляющий вход блока 11 с выхода триггера 13, так и от знака текущих значений фазовых сдвигов, который формируется на выходе дискриминатора 5 опережения в моменты появления импульсов на выходе формирователя 6.

При этом в зависимости от знака, сформированный за каждый период входных сигналов код текущей разности обрабатывается либо в пиковом детекторе 1Д, в котором за время измерительного цикла формируется код, соответствующий максимальному отклонению фазового сдвига от своего первого значения в сторону увеличения, либо в пиковом детекторе 16, в котором за это время формируется код, соответствующий максимальному отклонению фазового сдвига от своего первого значения в сторону уменьшения.

Результат измерения, соответствующий ширине диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига, получается путем сложения полученных значений максимальных отклонений фазовых сдвигов в сторону увеличения и в сторону уменьшения относительно первого значения в сумматоре 18. В конце измерительного цикла этот результат по команде (фиг, 2з), поступающей с шестого выхода блока 17 управления переносится в регистр памяти индикатора 19.

По окончании измерительного цикла по команде (фиг, 2и) с третьего выхода блока 17 управления регистры 10, 12 и 20 (в пиковых детекторах 14 и 16) сбрасываются в нулевое состояние и весь фазометр приводится в исходное положение.

Если измеряемая ширина диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига не превысила предельно допустимой для данного фазометра величины, равной 180°, а постоянная составляющая изменяющегося во времени фазового сдвига была такова, что не смогла возникнуть ситуация, в которой измеряемая ширина диапазона оказалась бы большей, чем разница между верхним пределом измерения (+180 или -180°) и первым мгновенным значением сдвига фаз, зафиксированным в регистре 10 в начале измерительного цикла, то цифровой фазометр сразу вьщает правильный результат,

I Если же по какой-либо причине из меряемая ширина диапазона изменения

переменной составляющей фазового сдвига оказалась больше разницы между верхним пределом измерения фазо- метра и первым мгновенным значением сдвига фаз, то за счет того, что часть мгновенных значений фазовых сдвигов в процессе измерения попадает в этом случае через точку разрыва на другое плечо характеристики (в область противоположных по знаку значений), все эти мгновенные значения попадают для анализа величины максимального отклонения совсем в

другой пиковый детектор, И фазометр ошибочно определяет, будто изменяющийся во времени фазовый сдвиг в течение этого измерительного цикла максимально отклонялся от первого мгновенного значения в одну сторону до +180°, а в другую сторону - до -180 , Результат измерения в первом измерительном цикле оказывается недостоверным.

Однако как только резупьтирующг код в сумматоре 18 превысит велич; соответствующую пределу измерения цифрового фазометра, равному 180 , на выходной шине переноса сумматора

18 возникает перепад напряжений, опрокидывающий триггер 13 управления. Один из входных сигналов, поступающих на вход формирователя 6 временных интервалов через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, начинает инвертироваться, что обеспечивает смещение на 180 изменяющегося во времени фазового сдвига вдоль характеристики фазометра.

Теперь, если в последующих циклах

измеряемая и ирина диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига не превысит предельно допустимой для фазометра величины 180 , все дальнейшие отсчеты будут достоверными, поскольку в этом случае в процессе измерения исключается веро ятность попадания одной части измеряемых мгновенных значений переменного сдвига фаз на одно плечо, а другой части мгновенных значений через точку разрыва на другое плечо этой характеристики.

Если измеряемая ширина диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига превьш1ает 180 , вследствие чего в данном фазометре н принципе становится невозможным получить достоверный результат, триггер 3 управления будет постоянно в каж

1

дом цикле изменять свое состояние на противоположное, что, в свою очередь можно использовать для сигнализации о выходе измеряемой величины за допустимый предел.

Таким образом, преимущество пред- (лагаемого фазометра перед известным заключается в поььшенмой достоверности измерения ширины диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига, которая достигается за счет введения в его состав элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и триггера управления. При этом устраняется ошибка измерения в тех случаях, когда измеряемая ширина диапазона изменения превосходит разницу между верхним пределом измерения фазометра и первым мгновенным значением сдвига фаз, -фиксируемым в первом регистре в начале измерительного цикла, но не превышает предельно допустимой величины

и а

348745

10

180°,и обеспечивается, возможность сигнализации о выходе измеряемого параметра за допустимый предел, когда ширина диапазона изменения превьппает 180.

10

Формула изобретения Цифровой фазометр мгновенных значений по авт.св. № 1270718, отличающийся тем, что, с целью -. повьш1ения достоверности измерения ширины диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига, в него 15 введены элемент ИСКЛОЧАЮи(ЕЕ ИЛИ и

триггер управления, вход которого соединен с выходной шиной переноса сумматора, а выход подключен к входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом одного з формирователей, а выход - с входами формирователя временных интервалов и дискриминатора опережения.

20

л

I

II

Ts:

Tu.

-i -t

Фие.2

Редактор Ю. Середа

Составитель С. Кулиш Техред М.Ходанич

Заказ 5185/44

Тираж 729Подписное

ВНГОШИ Государственного комитета СССР

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

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

Корректор О.Кравцова

Изобретение может быть использовано при измерении статических характеристик флуктуации фазы сигнала и позволяет повысить достоверность результата измерения ширины диапазона изменения переменной составляющей фазового сдвига. Фазометр содержит формирователи 1 и 2, дискриминатор 5 опережения, формирователь 6 временных интервалов, генератор 7, элементы И 8 и 9, регистры 10 и 12, блок 11 вычитания кодов, триггер 13 знака. пиковые детекторы 14 и 16, инвертор 15, блок 17 управления, сумматор 18 и индикатор 19. В устройство введены триггер 3 управления и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, предназначенный для повторения или инвертирования (в зависимости от величины потенциала на выходе триггера 3 управления) одного из сигналов, подаваемых на вход формирователя 6 временных интервалов, В устройстве устраняется ошибка изменения в тех случаях, когда измеряемая ширина диапазона измерения превосходит разницу между верхним пределом измерения фазометра и первым мгновенным значением сдвига фаз,фиксируемым в регистре 10 в начале измерительного цикла, но не превьш1ает предельно допустимой величины 180 . При этом обеспечивается возможность сигнализации о вькоде измеряемого параметра за допустимый предел, когда ширина диапазона измерения превышает 180 .2 ил. с (Л 00 4 00 4 сл N)