Измеритель сдвига фаз Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

w//

(Л

со

а:

05

со

05 05

Изобретение относится к электро- радиоизмерительной технике и может быть использовано при разработке фазометрических устройств повышенной точности.

Целью изобретения является повышение точности.

Сзпцность изобретения состоит в том, что измерение фазового сдвига обеспечивается с помощью устройства, в основе которого заложено исполь- . зование в обратной связи звена вида expjwt, т.е. комплексного резонатора. Это позволяет уменьшить

повысить точность измерения.

На чертеже приведена структурная схема измерителя сдвига фаз.

Измеритель содержит последователь но соединенные стробоскопический преобразователь 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, первьй сумматор 3, .блок 4 вычитания, первый регистр 5 и вычислитель 6, запомина- гощий элемент 7 соединен с первым 8, вторым 9, третьим 10 и четвертым 11 перемножителями. Измеритель содержит также второй сумматор 12, второй регистр 13, синхронизатор 14, дели- тель 15 частоты и формирователь 16. Выход первого перемножителя 8 соединен с входом первого сумматора 3. Выходы второго 9 и четвертого 11 перемножителей подключены к входам вто рого сумматора 12, выход которого через второй регистр 13 соединен с вычислителем 6.

Измеритель работает следующим образом.

На клеммы Вход 17 и 18 поступают сигнал с измерительным фазовым сдвигом и опорный сигнал соответственно. Синхронизатор 14 является п существу умножителем частоты и фор- мирует на выходе импульсы с периодом , где Т - период входного сигнала, р - количество отсчетов, укладывающихся в одном периоде входного сигнала. Стробоско- пический преобразователь 1 и аналого-цифровой преобразователь 2 производят операции квантования по времени и дискретизации по уровню так, что на выходе аналого-цифрового пре- образователя 2 присутствуют коды отсчетов х- (где О i : р) , соответствующие мгновенным значениям входного измерительного сигнала в момен-

ты выборок, производимых стробоскопическим преобразователем 1 под воздействием импульсов с выхода синхрони- затора 14. Делитель 15 частоты (счетчик, емкость которого равна р) предназначен для ограничения времени измерения, формирователь 16 - для формирования импульса в момент начала

периода опорного сигнала. Этим импульсом делитель 15 частоты устанавливается в нулевое (исходное) состояние, а переполняется он через р отсчетов, т.е. к концу периода опорного колебания. Таким образом обеспечивается ограничение времени измерения и привязка его к периоду опорного сигнала. Этот же импульс используется для обнуления регистров 5 и 13 к началу измерения.

Входной информационньн сигнал будет представлять в комплексном виде. Тогда в первом регистре 5 будет накапливаться реальная часть результата X, а во втором регистре 13 - мнимая часть У. В запоминающем элементе 7 хранятся два заранее вычисленных кода: COS2S/P (подключен к первому выходу запоминающего элемента 7) и sin2/T/p (подключен к второму выходу запоминающего элемента 7). Запись коэффициентов в запоминающий элемент 7 производится методом программирования или прожигания до установки этого элемента в прибор. Должны быть предусмотрены меры по обеспечению длительного хранения коэффициентов, в том числе и при выключенном приборе. Перемножители

8-11 так же, как и сумматоры 3, 12, блок 4 вычитания и вычислитель 6, работают с многоразрядными двоичными параллельными кодами, поэтому линии связи между АЦП 2, сумматорами 3, 12, блоком 4 вычитания, регистром 5, вычислителем 6, запоминающим элементом 7, перемножителями 8-11 являются многоразрядными. По осталь- ным линиям связи распространяются аналоговые сигналы или управляющие импульсы. Операции перемножения производятся всеми четырьмя перемножителями на каждом такте, т.е. для каждого 1.

Значения X и У определяются по формулам:

к.

X..cos27 Р

Y

)-1

sin2(1

j(X. sin

1-1

21Г Р

+ Y. cos

1-1

Выражения для X. и У; получены из уравнения рекурсивного фильтра с комплексным резонатором

f.2T . у. X, + exp(j-).у.

(J - мнимая единица), для которого можно получить реальную „ и мнимую Imy р составляющие в последней точке выходной последовательности .

Ур

Lf arctgX /У

10

р

где Хр и Ур - значения кодов в ре-

КрУр 2 X.- cos

1гаур

211

211

(p-i);

1 rO

sin(p-i) .

Эти выражения отличаются от традиционного дискретного преобразования Фурье зеркальным следованием тригонометрических коэффициентов, что приводит лишь к смене знака вычисляемого результата измерения (j .

Код произведения X. cos

2li

гистрах 5 и 13 на момент окончания времени измерения, т.е. когда достигает своего максимального значения р. На вьгаислитель 6 поступают 15 все текущие значения X ; и У; только в момент переполнения делителя 15 частоты на управляющий вход вычислителя 6 поступает импульс-команда на начало вычисления. Вычислитель 6 20 реализует операцию. arctgXp/Ур. Возможны различные варианты его постро ения. На вычислитель 6 возлагаются также функции индикатора.

Эффективность предлагаемого уст-с ройства по сравнению с прототипом определяется более узкой полосой пропускания.

Коэффициент передачи предлагаемого устройства (в аналоговом представ- Фор 30 лении - K/J w l/Vl+Cw )S а про25

1366966

преобразователя 1, АЦП 2, регистров 5, 13, запоминающего элемента 7,

Результат измерения получается в (- результате операции

Lf arctgX /У

р

где Хр и Ур - значения кодов в ре-

гистрах 5 и 13 на момент окончания времени измерения, т.е. когда достигает своего максимального значения р. На вьгаислитель 6 поступают все текущие значения X ; и У; только в момент переполнения делителя 15 частоты на управляющий вход вычис лителя 6 поступает импульс-команда на начало вычисления. Вычислитель 6 реализует операцию. arctgXp/Ур. Возможны различные варианты его построения. На вычислитель 6 возлагаются также функции индикатора.

Изобретение может быть использовано при разработке фазометричес- ких устройств и позволяет повысить точность измерения сдвига фаз. Измеритель содержит стробоскопический v преобразователь 1, аналого-цифровой преобразователь 2 сумматоры 3 и 12, регистры 5 и 13, вычислитель 6, запоминающий элемент 7, перемножители 8-11, синхронизатор 14, делитель 15 частоты, формирователь 16 и блок 14 вычитания. Измерение фазового сдвига обеспечивается с помощью устройства, в основе которого заложено использование в обратной связи звена вида expju)t, т.е. комплексного резонатора, что позволяет уменьшить полосу пропускания. 1 ил.

мируется на выходе первого перемножи- тотипа - К (iw )

теля 8, произведения У| sin2/Г

- на

выходе перемножителя 10, произведе. 2Ti

ния X. sin -- - на выходе второ- 1-1р

го перемножителя 9, произведения

2iF

У. cos - - на выходе четвертого - Р

перемножителя 11. Суммирование коX:

2(1 Х- cos

,-1 р

обеспечивается

первым сумматором 3, а вычитание из

этой суммы У. - sin- блоком 4 вы- 50

55

читания. Пуск стробоскопического преобразователя 1, а также аналого-цифрового преобразователя 2, запись чисел в первый 5 и второй 13 регистры, выборка коэффициентов из запоминающего элемента 7. обеспечиваются импульсом с выхода синхронизатора 14, воздействующим на управляющие входы

1incoT/2

wT/2

Полоса пропускания определяется по 25 известной

Л КЧ

К2 (ы )Ыи),

где К Wo - коэффициент передачи на средней частоте и) в полосе пропускания.

В данном случае принято: К(а.)д) 1. В результате интегрирования получим, что полоса пропускания прототипа Я, /Т, а предлагаемого устрой- ства - Яг « /21.

В соответствии с полосами пропускания дисперсия шумов в прототи- пе ( i ) в два раза больше, чем в предлагаемом устройстве ( й). Отсюда отношение дисперсий погрешности, прототипа & и предлагаемого устройства также равно 2.

г

Таким образом, предлагаемое устройство по дисперсии погрешности в 2 раза эффективнее прототипа.

Формула изобретения

Измеритель сдвига фаз, содержащий синхронизатор и формирователь, по входам соединенные с входом опорного сигнала, стробоскопический преобразователь, первым входом подключенный к входу исследуемого сигнала, делитель частоты, первым входом сое- диненньй с формирователем, а вторым - с выходом синхронизатора, аналого- цифровой преобразователь, входом соединенный с выходом стробоскопического преобразователя, запоминающий элемент, первый и второй сумматоры, первый регистр и второй регистр, соединенный по входу с выходом второго сумматора, первый перемножитель, первым входом соединенный с первым выходом запоминающего элемента, а выходом - с первым входом первого сумматора, второй перемножитель, первым входом подключенный к второму выходу запоминающего элемента, а выходом - к первому входу.второго сумматора, вычислитель, входами соединенный с выходами первого и второго регистров, отлич,ающий

5

0

5

с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен блоком вьмитания, первым входом соединенным с выходом первого сумматора, а выходом - с входом первого регистра, третьим перемножителем, первый вход которого соединен с выходом второго регистра, второй вход - с вторым выходом запоминающего элемента, а выход - с - вторым входом блока вычитания, четвертым перемножителем, первый вход которого соединен с выходом второго регистра, второй вход - с первым выходом запоминающего элемента, а выход - с вторым входом второго сумматора, вторые входы первого и второго перемножителей подключены параллельно к выходу первого регистра, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом первого сумматора, второй вх-од стробоскопического преобразователя, управляклдие входы аналого-цифрового преобразователя, первого и второго регистров и зяпоминяющего элемента параллельно соединены с выходом синхронизатора, выход делителя частоты, соединен с управляющим входом вычислителя.