Устройство для измерения сдвига фаз Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

1/,5ми

Uj ftJttf)

1

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к области фазовых измерений, и может быть использовано для измерения сдвига фаз между двумя периодическими сигналами с получением результата в виде цифрового кода, пригодного для ввода в ЭЦВМ.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Устройство для измерения сдвига фаз содержит генератор 1 импульсов опорной частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, формирователи 4-9 коротких

3688022

RS-триггеров 11 и 12, при этом S-вход RS-триггера 11 соединен с шиной Пуск, а R-вход RS-триггера 13 f- через формирователь 9 коротких им- пульсов - с выходом элемента И 27. Выход RS-триггера 12 через элемент И 15 соединен со счетчиком 18 импульсов, выход которого соединен со вто10 рым входом микропроцессора 20, а выход RS-триггера 13 через элемент И 16 соединен с входом счетчика 19 импульсов, выход которого соединен с третьим входом микропроцессора 20.

If Выходы элементов И 22-25 соединены соответственно с вторыми входами каналов 29-32 совпадений, причем первый вход элемента И 35, соединенный с входами формирователи 33 и 34 корот

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерения сдвига фаз. Устройство содержит генератор 1 импульсов опорной частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, формирователи 4-9 коротких импульсов, RS-триггеры 10-12, элементы И 14-16, 21-24, счетчики 18 и 19 импульсов, микропроцессор 20 и формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадения. Введение RS-триггера 13, элементов И 25-27, 35 и 36 и каналов 29-32 совпадения, каждый из которых содержит формирователи 33 и 34 коротких импульсов и RS-триггеры 37 и 38, позволяет исключить операцию формирования коротких импульсов по фронтам и срезам, вносившую погрешность в измерения. 2 нл. i (Л

импульсов, RS-триггеры 10-13, элемен- 20 ких импульсов, является первым входом

ты И 14-16, триггер 17 со счетным входом, счетчики 18 и 19 импульсов, микропроцессор 20, элементы И 21-27, формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадений, каналы 29-32 совпадений, каждый из которых содержит формирователи 33 и 34 коротких импульсов, элементы И 35 и 36 и RS-триггеры 37 и 38.

Выход генератора 1 импульсов опорной частоты соединен с первьми входами И 15, l6 и 21-25 и с первыми входами каналов 30 и 32 совпадений. Выход формирователя 2 импульсов соединен с вторыми входами элементов И 21-23 и с первым входом канала 29 совпадений, а выход формирователя 3 импульсов - с вторыми входами элементов И 24 и 25 и с первым входом канала 31 совпадений. Выход элемента И 21 через последовательно соединенные формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадений и формирователь 4 коротких импульсов подключен к R-входу RS-триггера 10, S-вход которого через формирователь 5 коротких импульсов соединен с выходом элемента И 26, а рыход через формирователь 6 коротких импульсов соединен с первым входом элемента И 14, второй вход которого соединен с выходом RS-триггера 11. Выход элемента И 14 соединен со счетным входом триггера 17, выход которого через формирователь 7 коротких импульсов соединен с S-входами RS-триггеров 12 и 13, а через формирователь 8 импульсов - с первым вхо- дом микропроцессора 20 и R-входами

0

5

канала 29 совпадений, а выход RS- триггера 38 является выходом канала 29 совпадений. Выход формирователя

33коротких импульсов соединен с 5 8-входом RS-триггера 37, R-вход

которого соединен с S-входом RS-триггера 38 и выходом элемента И 35, а выход - с первым входом элемента И 36. Выход формирователя

34коротких импульсов соединен со вторым входом элемента И 36, выход которого соединен с R-входом RS-триггера 38. Аналогично каналу 29 совпадений выполнены структурные связи в каналах 30-32 совпадений. Выходы каналов 29 и 30 совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами элемента И 26, а выходы каналов 31 и 32 - соответственно с первым и вторым входами элемента И 27.

1

Сущность работы устройства заключается в следующем.

Из исследуемых периодических сиг- 5 налов формируются последовательности импульсов длительностей Т, и с , синфазных с исследуемыми сигналами, искомый угол сдвига фаз между которыми соответствует временному сдвигу t. (фиг. 2а, в). Если необходимо определить фазовый сдвиг у регулярных импульсных последовательностей, то в качестве исходных сигналов используют импульсы этих последовательностей.

При этом на функциональные возможности работы устройства накладываются граничные условия, вытекающие из следующих соображений. Если длительнос0

0 -t

5

ти исследуемых сигналов и сигнала опорной частоты Т, , Г и , а их периоды Т, 1/f, и TO 1/fo. то для того, чтобы в процессе совпадений можно было выделить моменты перехода фронтов совпадающих импульсов, достаточно обеспечить выполнение условия

с, -ь Со 2 &Т

2 йТ,

где лТ |T,-Tj lf,-fJ/(f,.f).

При этом, в крайнем случае, образуется всего два импульса совпадений, а практически, когда реализуемая длительность формируемых импульсов намного превышает значение Л Т, обра- зуется не одна пара совпавших импульсов, а пакет импульсов совпадений. Однако для предложенного устройства необходимо также, чтобы

, + о„ 2 U Т

где €, T.-t,; € Т,-Т2; t -Т,-Т„,

т.е. с, , Tj и о образованы путем инверсии импульсов С, , Tj и Г, . В этом случае даже при непрерывном совпадении импульсов (фиг. 2к) возможно вьщелить моменты переходов как передних, так и задних фронтов импульсов исследуемых последовательное- тей и опорной частоты относительно друг друга.

В соответствии с (1) и (2) граничные частотные возможности работы устройства определяются минимальными значениями 6 z о причем, максимально возможная частота f, определяется из условия

Т, Т, + &Т.

Кроме того, из (1) следует, что устройство работоспособно и при Т , Cj и TO Т,/2 и .

Процесс измерения сдвига фаз за- ключа тся в формировании двух временных интервалов (.фиг. 2н, о) и при определении искомого значения согласно следующему выражению:

,360 -1 -360° -2-.360°. (4)

i ,ipn

п

j.

10

15

, 25

30

,

35 40

4550

55 где тип- цифровые эквиваленты TMI и Тр , определяемые как количество периодов Тд опорной частоты между моментами взаимного перехода передних фронтов импульсов первой и второй (сдвинутой на t) последовательностей относительно передних фронтов импульсов опорной последовательности.

Таким образом, в качестве границ получаемых временных интервалов в устройстве используют импульсы пакетов совпадений, которые выделяют и формируют непосредственно в моменты полного совпадения импульсов исследуемых последовательностей и импульсов опорной частоты (для Г, Гд ), т.е. в моменты взаимного перехода относительно друг друга соответствующих фронтов м пульсов указанных последовательностей и последовательностей, образованных инверсией последних.

Эти временные Ш1тервалы (jcf и Тр) заполняют импульсами опорной f частоты и по числу периодов Т определяют значение фазового сдвига.

Устройство работает следующим ббразом.

Исследуемые п ериодические сигналы частоты f, преобразуются формирователями 2 и 3 импульсов в последовательности импульсов длительностей Z, fj (фиг. 2а, б). Так как импульсы этих последовательностей синфазны с исследуемыми сигналами, то между ними сохраняется искомый сдвиг фаз cf с соответствующим ему временным сдвигом t..

Импульсы, следующие с фиксированной частотой fg с опорного генератора .1 импульсов, частота которого незначительно отличается от частоты f, , ... поступают на первые входы элеметов И 15 и 16, но не проходят на их выход, так как на вторых входах этих элементов находится низкий потенциал (логический О) с выхода соответствующих RS-триггеров 12 и 13. Одновременно импульсы с опорного генератора 1 импульсов поступают на первые входы элементов И 21-25 и на первые входы каналов 30 и 32 совпадений. На вторые входы элементов И 21-23 и на первый вход канала 29 совпадений поступают

импульсы первой исследуемой последовательности частоты f, (фиг. 2а), а на вторые входы элементов И 24 и 25 на первый вход канала 31 совпадений импульсы второй исследуемой последовательности частоты f,, сдвинутой относительно первой на искомый угол tf .

При совпадении импульсов первой исследуемой последовательности с импульсами опорной частоты на входах элемента И 21 и на его выходе образуются пакеты импульсов совпадений (фиг. 2г). Пакеты поступают на вход формирователя 28 огибающей пакета импульсов совпадений, представляющего собой однотактный ждущий мультивибратор, период релаксации Тред которого выбирается несколько больше периода опорной частоты Т. С приходом импульса пакета формирователь 28 импульсов переходит из состояния О в состояние 1 и удерживается в этом

35

состоянии до конца пакета совпадений. 25 дений (фиг. 2д). По переднему фронту Таким образом, на выходе формирователя 28 огибающей пакетов импульсов совпадений образуются протяженные прямоугольные импульсы длительностей , и Т -- Трел (фиг. 2г) .

Импульсы с выхода генератора 1 импульсов и формирователя 2 импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты поступают также на входы элементов И 22 и 23. Причем первая последовательность импульсов исследуемой частоты подается на прямой вход элемента И 22, а опорной - на его инверсный вход. На элемент И 23 эти последовательности подаются на противоположные входы (фиг. 1). На выходе элемента И 22 формируется последовательность пакетов импульсов совпадений (фиг. 2д), в которой отсутствуют импульсы, соответствующие центральным импульсам пакетов, образованных при совпадении импульсов первой последовательности иктульсов исследуемой частоты и опорной (фиг. 2г). На выходе элемента И 23 форми- gQ руется непрерывная последовательность (пакет) импульсов совпадений (фиг. 2е), поскольку в соответствии с

импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты (фиг. 2и) которые подаются на S-вход триггера 37, последний устанавливается в

30 единичное состояние. Если в течение времени IT, на входе элемента И 35 появляется импульс последовательности совпадений (фиг. 2д), то передним фронтом этого импульса с выхода элемента И 35 RS-триггер 37 по R-входу перебрасывается в нулевое состояние до окончания импульса о, (фиг. 2л). Этот же импульс с выхода элемента И 35 подается на S-вход RS-триггера 38 и устанавливает его в единичное состояние (фиг. 2л). Поскольку для случая, когда за время с, на выходе элемента И 35 имеется импульс из последовательности совпадений

g (фиг. 2д) и RS-триггер 37 перебрасывается в состояние О раньще, чем

40

временными диаграммами С о,

Одновременно с генератора 1 импульсы опорной частоты и второй последовательности импульсов исследуемой частоты поступают соответственно на прямой и инверсный входы элемента

появляется короткий импульс заднего фронта (фиг. 2к) с выхода формирователя 34, то элемент И 36 на время поступления импульса с формирователя 34 импульсов закрыт и сброс RS-триг- гера 38 по R-входу не осуществляется. Единичное состояние RS-триггера 38 удерживается (подтверждается) с каждый раз, когда в течение очередного импульса длительностью , Т, на вход элемента И 35 поступает импульс последовательности совпадений (фиг. 2д) . Если же за время Г, на вход

Н 24 и соответственно на инверсный и прямой входы элемента И 25. На выходе элемента И 24 формируется последовательность пакетов совпадений (фиг. 2ж), в которой отсутствуют импульсы, соответствующие центральным импульсам пакетов совпадений, образованных при совпадении импульсов

второй последовательности импульсов исследуемой частоты с опорной. На выходе элемента И 25 формируется непрерывная последовательность (пакет) импульсов совпадений (фиг. 2я),

поскольку в соответствии с временными диаграммами с С

Импульсы с выхода формирователя 2 импульсов первой последовательности исследуемой частоты поступают на первый вход канала 29 совпадений - на формирователи 33 и 34 коротких импульсов и первый вход элемента И 35. На второй вход последнего поступает последовательность импульсов совпадений (фиг. 2д). По переднему фронту

дений (фиг. 2д). По переднему фронту

импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты (фиг. 2и), которые подаются на S-вход триггера 37, последний устанавливается в

единичное состояние. Если в течение времени IT, на входе элемента И 35 появляется импульс последовательности совпадений (фиг. 2д), то передним фронтом этого импульса с выхода элемента И 35 RS-триггер 37 по R-входу перебрасывается в нулевое состояние до окончания импульса о, (фиг. 2л). Этот же импульс с выхода элемента И 35 подается на S-вход RS-триггера 38 и устанавливает его в единичное состояние (фиг. 2л). Поскольку для случая, когда за время с, на выходе элемента И 35 имеется импульс из последовательности совпадений

(фиг. 2д) и RS-триггер 37 перебрасывается в состояние О раньще, чем

появляется короткий импульс заднего фронта (фиг. 2к) с выхода формирователя 34, то элемент И 36 на время поступления импульса с формирователя 34 импульсов закрыт и сброс RS-триг- гера 38 по R-входу не осуществляется. Единичное состояние RS-триггера 38 удерживается (подтверждается) каждый раз, когда в течение очередного импульса длительностью , Т, на вход элемента И 35 поступает импульс последовательности совпадений (фиг. 2д) . Если же за время Г, на вход

713688028

элемента И 35 не поступит очередной Аналогичным образом функционир тот импульс совпадений (эта ситуация каналы 31 и 32 совпадений с той лишь соответствует моменту формирования разницей, что на первый вход канала центральных импульсов пакетов совпа- 31 совпадений поступает вторая после- дений, образованных при совпадении довательность импульсоп исследуемой первой последовательности импульсов частоты, а на второй с -о вход - пос- исследуемой частоты и опорной), то ледовательность импуль,.ов совпадв- RS-триггер 37 по S-входу импульсом ний с выхода элемента И 24 (фиг. 2ж). с формирователя 33 перебрасывается д На первый вход канала 32 совпадений в состояние 1 и до конца импульсаТ, поступает последовательность импуль- сохраняет его (фиг. 2л). При этом сов опорной частоты, а на второй элемент И 36 открыт для импульса зад- вход - последовательность импульсов него фронта формирователя 34, которым совпадений с выхода элемента И 25 RS-триггер 38 по R-входу переводится g (фиг. 2з), При этом на выходе кана- в состояние О. В состоянии О ла 31 совпадений формируется сигнал, RS-триггер 38 находится до тех пор, представленный на фиг. 2п, а на вы- пока не закончится пакет центральных ходе канала 32 совпадений - постоян- импульсов и не появится первьй после ный сигнал единичного уровня (фиг. 2р). него импульс на выходе элемента И 35 „п

(фиг. 2д, н). ПервьЕй импульс после На выходе элемента И 27 формиру- пакета центральных импульсов появляется ется импульс, повторяющий импульс с только при переходе переднего фронта им- выхода RS-триггера 38 канала 31 сов- пульса первой последовательности ис- падений, который поступает на вход следуемой частоты относительно перед- 25 Формирователя 9 коротких имп льсов. него фронта импульса опорной частоты. Сформированный короткий импульс с Передним фронтом этого первого им- выхода этого формирователя поступает пульса RS-триггер 38 по S-входу на R-вход RS-триггера 13 и подтверж- снова перебрасывается в единичное дает его исходное (нулевое) состояние, состояние (ФИГ..2Н). В соответствии с (4) по команде

Работа канала 30 совпадений подоб- Пуск RS-триггер 11 перебрасывается на работе 29 совпадений, однако, пос- в противоположное состояние, разрешая кольку последовательность импульсов сигналом логической 1 прохождение совпадений (фиг. 2е) является непре- через элемент И 14 короткого им- рывной ( tо 7 t, ), то на единичном Б пульса с формирователя 6 коротких выходе RS- i p4rrepa 38 канала 30 сов- импульсов, соответствующего переднему падений постоянно сохраняется состо- фронту сигнала с выхода элемента И 26. яние логической 1 (фиг. 2о). Сигна- Последовательно соединенная цепочка лы с выходов каналов 29 и 30 совпаде- из трех элементов: формирователь 5, ний подаются на элемент И 26, кото- 40 триггер 10, формирователь 6, необходи- рый повторяет сигнал с выхода RS- ма для предотвращения сбоя, т.е. триггера 38 канала 29 совпадений. поступления повторного сигнала на Сигнал с выхода элемента И 26 посту- элемент И 14 за время Т формирова- пает на вход формирователя 5 корот- ния пакета совпадений при совпадении ких импульсов, который формирует 45 импульсов первой последовательности короткий импульс по переднему фронту импульсов исследуемой частоты и опор- импульса с выхода элемента И 26. Этот ной частоты (фиг. 2г). С этой целью импульс перебрасывает RS-триггер 10 на формирователе 4 импульсов форми- в противоположное (единичное) состоя- руется короткий импульс заднего фрон- ние. Короткий импульс, сформированный 59 та пакета, которым RS-триггер 10 формирователем 6 коротких импульсов блокируется до конца пакета совпаде- по переднему фронту единичного сигна- ний, и лишь по окончании пакета ла с выхода RS-триггера 10, поступает переводит его в исходное состояние. на первый вход элемента И Н. Однако Первый по счету импульс (после команды этот импуль с не проходит на его вы- gg Пуск) с выхода элемента И 14 переход, так как на втором его входе при- брасывает триггер 17 со счетным вхо- сутствует сигнал логического О с дом в единичное состояние, а второй выхода RS-триггера 11, находящегося импульс возвращает его в исходное в исходном (нулевом) состоянии. (нулевое) состояние. При этом формирователи 7 и 8 коротких импульсов, подключенные к выходу триггера 17, формируют первый и второй импульсы с формирователя 6 импульсов в виде коротких импульсов переднего и заднего фронтов соответственно. Эти импульсы подаются на информационные входы RS-триггера 12, который по приходу импульса с формирователя 7 опрокидывается и разрешает прохождение через элемент И 15 импульсов опоной частоты в счетчик 18 импульсов. RS-триггер 12 остается в единичном состоянии, а запись в счетчик 18 импульсов продолжается до тех пор, пока на R-вход триггера не поступит импульс с формирователя tt коротких импульсов. Таким образом, в счетчике

18импульсов зафиксировано m импульсов опорной частоты, определяющих период следования пакетов импульсов совпадений при совпадении импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты и опорной частоты.

Подсчет количества импульсов п осуществляется следующим образом. После команды Пуск и прохождения через элемент И 14, триггер 17, и формирователи 7 и В сигнала, сформированного по переднему фронту первого импульса с элемента И 26, потен циал RS-триггера 13 разрешает прохождение импульсов опорной частоты через элемент И 14 в счетчик 19 импульсов. Импульс с формирователя 9 коротких импульсов, соответствующий переднему фронту первого после команды Пуск импульса с выхода элемента И 27 (фиг. 2п) при совпадении импульсов второй последовательности импульсов исследуемой и опорной частот, возвращает RS-триггер 13 в исходное (нулевое) состояние, и элемент И 26 закрывается. В счетчике

19импульсов зафиксировано п импульсов опорной частоты.

RS-триггер 11 возвращается в исходное состояние импульсом с формирователя 8 коротких импульсов, т.е. по приходу второго импульса с элемента И 26. Этот же импульс поступает на микропроцессор 20, разрешая обработку полученных кодов тип в соответствии с (4).

В случае, если заранее обеспечивается выполнение условия о. : t,.

то отдельные элементы уст

2

ройства (элементы И 23 и 25, каналы 30 и 31) из схемы могут быть исключены .

Положительный эффект от использования устройства заключается в повышении точности измерения сдвига фаз, достигаемой за счет введения в устройство дополнительных элементов и связей, позволяющих исключить операцию формирования коротких импульсов по фронтам и срезам, которая вносит погрешность в измерения.

15

Формула изобретения

Устройство для измерения сдвига фаз, содержащее первый и второй формирователи импульсов, генератор

импульсов опорной частоты, соединенный с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго

RS-триггеров, причем S-входы последних соединены с выходом первого формирователя коротких импульсов, R-вход второго RS-триггера через второй формирователь коротких импульсов соединен с выходом третьего элемента И, а выход четвертого элемента И соединен с третым формирователем коротких импульсов, R-вход первого RS-триггера соединен с выходом четвертого формирователя коротких им40

45

50

дом микропроцессора и R-входом третьего RS-триггера, S-вход которого соединен с шиной Пуск, а его выход- с первьш входом пятого элемента И, выход которого соединен через триггер со счетным входом, с входами первого и четвертого формирователей коротких импульсов, выходы первого и второго элементов И соединены с входами соответственно первого и второго счетчиков импульсов, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами микропроцессора, пятый и шестой формирователи коротких импульсов, отличающееся тем, что, с целью повьш ения точности, в него дополнительно введены четвертый RS-триггер, шестой, седьмой, tg восьмой, девятый и десятый элементы И и четыре канала совттадения, каждьш из которых содержит седьмой и восьмой формирователи коротких импульсов, одиннадцать и двенадцатый элементы

11136

И, пятый и шестой RS-триггеры и формирователь огибающей пакета импульсов совпадения, причем первый вход одиннадцатого элемента И соединен с входами седьмого и восьмого формирователей коротких импульсов и является первым входом канала совпадений, второй вход одиннадцатого элемента И является вторым входом канала совпадений, а выход шестого триггера является выходом канала совпадений, выход одиннадцатого элемента И соединен с R-входом пятого и S-входом шестого RS-триггеров, R-вход шестого триггера соединен с выходом двенадцатого элемента И, а S-вход пятого триггера соединен с выходом седьмого формирователя коротких импульсов.

25

выход восьмого формирователя коротких 2о первым входом четвертого канала сов- импульсов соединен с первым входом двенадцатого эл емента И, а выход пятого триггера соединен с вторым входом двенадцатого элемента И, при этом выход четвертого RS-триггера через пятый формирователь коротких импульсов соединен с вторым входом пятого элемента И, S-вход четвертого RS-триггера соединен с выходом третьего формирователя коротких импульсов, а R-вход через последовательно соединенные шестой формирователь ко30

падений, выходы седьмого, восьмого, девятого и десятого элементов И соединены соответственно с вторыми входами третьего, первого и четвертого и второго каналов совпадений, выходы первого и третьего каналов совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И, а выходы второго и четвертого каналов совпадений - соответственно с первым и вторым входами третьего элемента И.

802

12

ротких импульсов и формирователь огибающей пакета импульсов совпадений - с выходом шестого элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов опорной частоты, и с первыми Б одами седьмого, восьмого, девятого и десятого элементов И, кроме того, с первыми входами первого и второго каналов совпадений, выход первого формирователя импульсов соединен с вторыми входами шестого, седьмого и восьмого элементов И и, кроме того, с первым 5 входом третьего канала совпадений, второй вход девятого элемента И соединен с выходом второго формирователя импульсов и с вторым входом десятого элемента И и, кроме того, с

0

первым входом четвертого канала сов-

падений, выходы седьмого, восьмого, девятого и десятого элементов И соединены соответственно с вторыми входами третьего, первого и четвертого и второго каналов совпадений, выходы первого и третьего каналов совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И, а выходы второго и четвертого каналов совпадений - соответственно с первым и вторым входами третьего элемента И.

М7Л//С:

v:

N