Адаптивный цифровой фазометр Советский патент 1988 года по МПК G01R25/08 

s (Л

Изобретение относится к измерительной технике и служит для повышения точности и быстродействия фазометра. Фазометр содержит нреобразователь 1 фазового сдвига в длительность импульса, блок 2 выделения заднего фронта импульса, тактовый генератор 3, элементы И 4-6, элемент 7 задержки, логический блок 8, ключ 10, триггеры 12 и 13, компаратор 15, счетчики 17 и 18 и регистр 19. Для достижения поставленной цели в фазометр введены коммутатор 9, ключ 11, триггер 14, компаратор 16, регистр 20 и образованы новые функциональные связи. 2 ил.

djodn

Cgfc,

00

;о

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с повышенными точностью и быстродействием фазового сдвига между двумя периодическими сигналами при наличии аддитивной случайной помехи.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - структура логического блока устройства.

Устройство содержит преобразователь I фазового сдвига в длительность импульсов, блок 2 выделения заднего фронта импульса, тактовый генератор 3, элементы И с первого по третий 4-6, элемент 7 задержки, логический блок 8, коммутатор 9, первый и второй ключи 10 и 11, триггеры с пятого по третий 12-14, первый и второй компараторы 15 и 16 соответственно, первый и второй счетчики 17 и 18, первый и второй регистры 19 и 20 соответственно.

: Блоки соединены следующим образом. Выход преобразователя 1 фазового сдви- |га в длительность импульсов соединен с вхо- |дом блока 2 выделения заднего фронта импульса и с первым входом первого элемента И 4, второй вход которого объединен первым входом первого ключа 10 и соединен с выходом тактового генератора 3, а выход - со счетным входом первого счетчика 17. Вход сброса этого счетчика объединен с входом сброса второго счетчика 18, с первыми (нулевыми) входами триггеров 12-14 и соединен с первым выходом коммутатора 9, а выходы соединены с входами первого компаратора 15, подключенного выходом к четвертому входу третьего элемента И 6, и с разрядными входами регистра 19, выходы которого образуют выход устройства, вход «Прием объединен с вторым (единичным) входом третьего триггера 14 и подключен к выходу второго ком- fiapaTopa 16. Выход блока 2 выделения зад- Иего фронта импульса соединен с первым ходом второго ключа 11, второй вход которого объединен с третьим входом первого элемента И 4 и соединен с выходом второго Мемента И 5, а выход соединен со счетным Ьходом второго счетчика 18 и через элемент 7 Ьадержки - с вторым входом третьего элемента И 6. Выходы второго счетчика 18 соединены с входами логического блока 8, Подключенного выходом к третьему входу Третьего элемента И 6, с разрядными входами регистра 20, подключенного разряд- Кыми выходами к второй руппе входов второго компаратора 16, и с первой группой вхо- Дов этого компаратора. Вход «Прием ре- ihncTpa 20 объединен с вторым (единичным) входом второго триггера 13 и подключен к выходу третьего элемента И 6, первый которого соединен с инверсным выходом второго триггера 13. Прямой выход первого триггера 12 соединен с первым входом второго элемента И 5, подключенного вторым входом к инверсному выходу третьего триггера 14, прямой выход которого подключен к второму входу первого ключа 10, выход которого соединен с первым входом коммутатора 9, подключенного вторым выходом к входу «Сдвиг регистров 19 и 20, а вторым входом - к прямому выходу первого разряда регистра 19. 0

Существенно, что разрядные выходы второго счетчика 18 соединены с разрядными входами регистра 20 следующим образом: выход i-ro разряда счетчика (i

5 1, 2,..., т).соединен с входом (2i-1)-го разряда регистра. Благодаря этому, если в счетчике 18 содержится число i, то при подаче импульса на вход «Прием регистра 19 в регистре будет зафиксировано число Ra i. Преобразователь 1 формирует на выходе

0 прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу между двумя входными периодическими (с периодом Т) сигналами, поданными на его входы; в течение каждого периода Т формируется

5

один такой импульс. Блок 2 выделения заднего фронта импульса формирует на выходе короткий импульс в момент окончания выходного импульса преобразователя 1. Тактовый генератор 3 непрерывно генерирует короткие импульсьь высокой стабильной частоты

Q (квантующие импульсы). Элемент 7 задерживает импульсы на время т, достаточное для срабатывания счётчика 18 и логического блока 8.

Сигнал на выходе логического блока 8 присутствует только в том случае, когда в

C счетчике 18 содержится число . Блок 8 может быть выполнен по схеме, показанной на фиг. 2, где 21, 22 и 23 - элементы И, число которых равно числу m разрядов счетчика 18; 24 - элемент ИЛИ, причем i-й элемент И (i 1, 2,..., m) подключается

0 входами к прямому выходу i-ro разряда счетчика и к инверсным выходам остальных его разрядов, т.е. сигнал на его выходе будет присутствовать только в случае, когда в i-м разряде счетчика 18 записана единица, а в остальных разрядах - ноль, т.е. в счетчике содержится число (младщий разряд считается первым).

5

Коммутатор 9 передает импульс, поступающий на его первый вход, либо на первый выход - если на его втором входе присутствует сигнал, либо на второй выход - если указанный сигнал отсутствует. Ключи 10 и 11 нормально закрыты: импульс, подаваемый на первый вход ключа, проходит на его выход только при наличии сигнала на втором

(управляющем) входе ключа. Триггеры 12- 14 - обычные триггеры с раздельными входами. Па выходе компаратора 16 возникает импульс в момент достижения равенства

кодовых комбинаций на обеих группах его входов, т.е. равенства

i R2,

где i, Rg- содержимое счетчика 18 и регистра 19 соответственно. Принцип работы фазометра состоит в том, что пачки тактовых импульсов, формируемые на выходе элемента И 4 и в интервалах времени, соответствующих сдвигу фаз в каждом периоде входных сигналов (т.е. во время выходных прямоугольных импульсов преобразователя 1), поступают на счетчик 17 до тех пор, пока суммарное число 2i импульсов пачек (содержимое счетчика 17) превзойдет заданное число N, а затем количество i просуммированных пачек (содержимое счетчика 18) представляет собой целую степень числа 2. После выполнения обоих условий число п i записывается в регистр 20 и суммирование пачек импульсов в счетчике 17 продолжается до тех пор, пока количество этих пачек (т.е. усредняемых замеров фазового сдвига) не станет равным п, после чего содержимое счетчика 17 передается в регистр 19 и делится на п(2) путем сдвига его содержимого на 2к разрядов в сторону младших разрядов.

Рассмотрим работу устройства более детально.

Фазометр может находиться в одном из трех режимов, определяемых состояниями триггеров 12-14 (обозначим эти состояния через Si, 82 и 5з соответственно) и выходным сигналом А компартора 15. Режимы сменяют друг друга в указанной последовательности, работа во втором режиме выполняется в три этапа, второй и третий из которых могут отсутствовать:

Первый режим - исходное состояние; S,

Второй режим - накопление величины Si в счетчике 17 - включает 3 этапа.

Первый этап - с момента пуска устройства до выполнения условия

Z. N N 1 2 J

где М - результат j-го замера; S, l; S, Sj .

Второй этап - с момента выполнения условия (1) до выполнения условия i 2 ,1,...(2)

S, 1; 0; А. 1; (в конце этапа в регистре 20 формируется число п);

Третий этап -. с момента выполнения условия (2) до выполнения условия S, 83 0; А 1, (В конце этапа число Z« передается из счетчика 17 в регистр 19).

Третий режим - деление числа 2« на п; S, Sa (в конце этапа устройство возвращается в первый режим).

В исходном состоянии все триггеры, регистры и счетчики установлены в ноль, при этом ключи 10 и 11 закрыты, тактовые импульсы, поступающие на первый вход элемента И 4, через него не проходят; компаратор 15 настроен на срабатывание при выбранном значении N.

Пуск устройства, т.е. переход из первого режима в первый этап второго режима

Q осуществляется подачей импульса на единичный вход первого триггера 12. Предполагается, что этот импульс согласован во времени с выходными импульсами преобразователя 1, в противном случае появляется дополнительная погрешность за счет

5 недостоверности первого замера. После опрокидывания этого триггера появляется сигнал на выходе элемента И 5, благодаря чему в течение каждого выходного импульса преобразователя 1 тактовые импульсы с выхода генератора 3 будут проходить че рез элемент И 4 на счетный вход счетчика 17, образуя пачки из NI, N2 и т.д. импульсов, а импульсы с выхода блока 2, формируемые по одному в момент окончания каждой пачки, будут через ключ 11 поступать

5 на счетный вход счетчика 18.

Таким образом, в счетчике 17 накапливается сумма 2;, а в счетчике 18 фиксируется количество i слагаемых этой суммы. С момента, когда будет достигнуто выполнение условия (1), появляется сигнал

0 на выходе компаратора 15, т.е. на четвертом входе элемента И 6 (устройство переходит во второй этап второго режима. Номер пачки тактовых импульсов, при обработке которой это произойдет, будет обратно пропорционален измеряемому фазовому сдви5 ГУ ф и прямо пропорционален величине N (поскольку Е, gf- N). Точность измерений растет с ростом N, но растет соответственно и время измерений.

Если оказывается, что номер i пачки, при

подсчете импульсов которой было достигнуто выполнение условия (I), удовлетворяет условию (2), то после сформирования числа i в счетчике 18 (импульсом с выхода блока 2, формируемым в момент окончания пачки и проходящим через ключ 11)

5 сигнал появится на третьем входе элемента И 6 (на первомего входе сигнал имеется с начала работы устройства), благодаря чему указанный импульс, задержанный элементом 7, пройдет через элемент И 6, устанавливая триггер 13 в единицу (и закры0 вая тем самым элемент И 6 по первому входу). Этот же импульс поступает на вход «Прием второго регистра 20, формируя в нем число R2 i п, т.е. число усредняемых замеров, требующееся при данном значении величины ф. Устройство переходит в

5

третий этап второго режима.

Если же номер указанной пачки импульсов условию (2) не удовлетворяет, продолжается работа устройства в предыдущем

режиме. Пачки тактовых импульсов продолжают суммироваться в счетчике 17, пока номер i очередной из них не окажется равным целой степени двойки, т.е. пока он не удовлетворит- условию (2). По окончании этой пачки импульсов импульс с выхода блока 2 выполнит описанные действия, формируя число п в регистре 20 и переводя устройство в третий этап второго режима.

Работа в данном режиме продолжается до тех пор, пока число просуммированных пачек импульсов станет равным числу п, хранящемуся в регистре 20. В этот момент возникает импульс на выходе второго компаратора 16, передающий сформированное в счетчике 17 число 2п в регистр 19 и устанавливающий триггер 14 в единицу; устройство переходит в третий режим, при этом первый ключ 11 закрывается, по третьему входу закрывается элемент И 4, а второй ключ 10 открывается.

Если , коммутатор 9 подключает первый вход к первому выходу. Очередной тактовый импульс с выхода генератора 3, пройдя через открытый в третьем режиме ключ 10 на первый выход коммутатора 9, возвращает в ноль оба счетчика 17 и 18 и триггеры 12-14. Таким образом, устройство возвращается в исходное состояние (первый режим) с тем отличием, что в регистре 19 |содержится результат измерения, получен- |ный в данном случае при п 1, а во втором |регистре 20 - единица в первом разряде (что соверщенно не влияет на работу уст- 1ройства, так как ключ 10 в первом и втором |режимах закрыт, а содержимое регистра 20 юбновляется каждый раз при переходе в третий режим). i

I Если , т.е. (2) 2 при k Ь о, в первом разряде регистра 20 при {переходе устройства в третий режим, ока- Ьывается ноль, а единственная единица - в разряде с номером 2к + 1. В этом случае 1коммутатор 9 подключает первый вход к вто- |рому выходу и тактовые импульсы с выхода |генератора 3 начинают поступать через ключ :10 и коммутатор 9 на сдвиговые входы регистров 19 и 20. После 2к сдвигов содержимое регистра 19 будет разделено на , а в первом разряде регистра 20 окажется единица, благодаря чему очередной тактовый импульс с выхода ключа 10 пройдет на первый выход коммутатора 9, т.е. :как и в предыдущем случае, возвратит устройство в исходное состояние с тем отличием, что в регистре 19 сформирован результат измерения, а в первом разряде регистра 20 содержится единица (не существенно).

Предлагаемое устройство обладает таким образом, более высокими точностью, быстродействием и помехозащищенностью, что позволяет повысить эффективность систем, содержащих его в своем составе, и обес0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

печить в итоге получение положительного экономического эффекта.

Формула изобретения

Адаптивный цифровой фазометр, содержащий тактовый генератор, блок выделения заднего фронта импульса, логический блок, элемент задержки, первый регистр, первый компаратор, первый ключ, два счетчика, два триггера, три элемента И и преобразователь фазового сдвига в длительность импульсов, подключенный выходом к входу блока выделения заднего фронта импульса и к первому входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, выход - со счетным входом первого счетчика, подключенного выходами к разрядным входам первого регистра, выходы которого являются выходами устройства, и к входам первого компаратора, выход первого триггера соединен с первым входом второго элемента И, а выход второго триггера - с первым входом третьего элемента И, второй вход которого подключен через элемент задержки к счетному входу второго счетчика, а третий вход - к выходу логического блока, подключенного входами к выходам второго счетчика, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности, быстродействия, в него введены коммутатор, третий триггер, второй регистр, второй компаратор и второй ключ, первый вход которого соединен с выходом блока выделения заднего фронта импульса, второй вход объединен с третьим входом первого элемента И и соединен с выходом второго элемента И, а выход соединен со счетным входом второго счетчика, вход сброса которого объединен с входом сброса первого счетчика, с первыми входами всех триггеров и соединен с первым выходом коммутатора, подключенного вторым выходом к входу «Сдвиг первого и второго регистров, первым входом - к выходу первого ключа, а вторым входом - к выходу первого разряда второго регистра, вход «Прием которого объединен с вторым входом второго триггера и соединен с выходом третьего элемента И, подключенного четвертым входом к выходу первого компаратора, выходы второго счетчика соединены с первой группой входов второго компаратора и с разрядными входами второго регистра, подключенного разрядными выходами к второй группе входов второго компаратора, выход которого соединен с входом «Прием первого регистра и с вторым входом третьего триггера, подключенного одним выходом к второму входу второго элемента И, а другим - к второму входу первого ключа, первый вход которого соединен с выходом тактового генератора, при этом выход i-ro разряда второго счетчика (i 1, 2,...,гп) соединен с входом (2i-1)-го разряда второго регистра.

--|

фиг. 2