Цифровой фазометр Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

4 ю

ю

t4

00

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при построении цифровых фазометров, предназначенных для измерения сдвига фаз гармонических сигналов в широком диапазоне частот.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз.

На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового фазометра; на фиг. 2 эпюры напряжений, поясняющие принцип работы фазометра; на фиг. 3 - функциональная схема переключающего элемента; на фиг. 4 - функциональная схема инвертирующего ключа.

Цифровой фазометр содержит два соласующих блока 1 и 2, два переключающих элемента 3 и 4, два токовых ключа 5 и 6, генератор 7 квантую- щих импульсов, времязадающий блок 8, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ. И.ПИ 9, элемент И 10, счётчик 11, причем первые входы переключающих элементов 3 и 4 подключены к прямому выходу генератора 7 квантующих импульсов, а их выходы к входам токовых ключей 5 и 6, выход времязадающего блока 8 подключен к первому входу элемента И 10 выход которого подключен к входу сче чика 1I, а также два сумматора 12 и 13, два D-триггера 14 и 15, два инвертирующих ключа 16 и 17, делитель 18 частоты на два, дополнительный элемент И 19, подключенньй первым входом к элементу ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, а вторым - к входам синхронизации D-триггеров 14 и 15, управляющим входам инвертирующих ключей 16 и 17 к входу времязадающего блока 8 и к выходу делителя 18 частоты на два, причем выход дополнительного элемента И 19 подключен к входу элемента И 10, выходы согласующих блоков 1 и 2 - к первым входам сумма- тора 12 и 13, выходы которых подключены к сигнальным входам переключающих элементов 3 и 4, выходы токовых ключей 5 и 6 подключены к D-входам D-триггеров 14 и 15, а выходы В-триг геров соединены с входами инвертирующих ключей 16 и 17 и входами элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвесрный выход генератора 7 квантующих импульсов соединен с вторыми входами пере- ключающих элементов 3 и 4, а логический выход генератора 7 квантующих импульсов подключен к делителю 18 частоты на два, выходы инвертирующих

ключей 16 и 17 подключены к вторым входам сумматоров 12 и 13, кроме того, инвертирующий ключ (фиг. 4) содержит инвертор 20, второй и третий ополнительные элементы И 21 и 22, ва ключа.23 и 24, причем первые вхоы элементов И 21 и 22 соединены с управляющим входом инвертирующих ключей 16 и 17, вход инвертора 20 соеинен с вторьгм входом элемента И 21 и входом инвертирующего ключа 16 (17), выход инвертора 20 соединен с вторым входом элемента И 22, выход элемента И 21 подключен к управля- щему входу первого ключа 23, информационный вход которого соединен с источником отрицательного напряжения, выход элемента И 22 соединен с управляющим вход-ом второго ключа 24, информационный вход которого соединен с источником положительного напряжения, выходы ключей 23 и 24 объединены и соединены с выходом инвертирующего ключа 16(17), переключающий элемент 3(4) содержит туннельные диоды 25 и 26, причем анод туннельного диода 26 соединен с катодом туннельного диода 25, эта точ-- ка является сигнальным входом переключающего элемента 3(4) и одно- временно его выходом. Анод туннельного диода 25 является первым вхоом переключающего элемента 3(4). Катод туннельного диода 26 является вторым входом переключающего элемента 3(4).

Фазометр работает следующим образом.

Рассматривают работу одного канала формирования сигнала. Входной синусо- идaJiьный сигнал (фиг. 2а) поступает на согласующий блок 1, который может быть выполнен в виде эмиттерного повторителя. Далее сигнал поступает на сумматор 12, например резистивный, и с него на переключающий элемент 3. С генератора 7 квантующих импульсов на входы переключающего элемента 3 поступают положительные и отрицательные импульсы (фиг. 26,в). Переключающий элемент 3 выполнен в виде пары последовательно соединенных туннельных диодов 25 и 26 (фиг. 3) с импульсным питанием (пары Гото) . Под воздействием отрицательной полуволны . сигнала по фронту импульсного питания переключается диод 25, а при по-о ложительной полуволне - диод 26. Сое3

тояние пары Гото преобразуется токовым ключом 5 в стандартные логические уровни. Токовый ключ 5 представляет собой быстродействующий уси литель. D-триггер 14 считывает сигнал с токового ключа 5 по фронту импульсов, поступающих с делителя 18 частоты на два. Это считывание происходит в момент времени, предшест- вующий окончанию импульса с токового ключа 5, так как суммарная задержка переключающего элемента 3 и токового ключа 5 больше задержки делителя 18 частоты на два. Сигнал, считанный D-триггером 14 (фиг. 2к), поступает на вход инвертирующего ключа 16. Последний работает следующим образом.

Когда с делителя 18 частоты на два на управляющий вход инвертирующего ключа 16 поступает логический О, ключ 16 закрыт, на его выходе напряжение отсутствует (фиг. 2л) и входной сигнал проходит через сумматор 12 без изменения. В случае логиче- ской 1 на управляющем входе инвертирующий ключ 16 вырабатывает напряжение, противоположное по знаку входному, по величине большее максимального входного сигнала. Это налряжение поступает на сумматор 12 и складывается с входным сигналом. На выходе сумматора 12 возникает напряжение (фиг. 2д), противопо- ложно.е по знаку входному сигналу,-эт приводит к тому, что переключающий элемент 3 по очередному импульсу питания переходит в состояние, противоположное предьщущему (фиг. 2е). Это состояние не считывается D-триг- гером 14, так как этот момент времени соответствует срезу импульса с делителя J8 частоты на два.

Переключающий элемент 3 каждый второй период квантующей частоты пе- реходит в состояние, противоположное предьщущему (фиг.2е), т.е. каждый туннельный диод 25 и 26 переключается на вторую восходящую ветвь характеристики через один период квантующей частоты. При этом средняя мощность, рассеиваемая на диодах 25 и 26, ие изменяется в течение периода входного сигнала. Температура р-п-переходов остается постоянной.

|Так как тепловая постоянная времени р-п-переходов много больше периода квантующих импульсов. Таким образом, исключается фазоамплитудная погреш

- JQ 15

20 25 0 .

35

50

5

81

ность, обусловленная переменной составляющей температуры р-п-переходов туннельных диодов 25 и 26. Канал фор- мирования сигнала, состоящий-из согласующего блока 2, сумматора 13, переключающего элемента 4, токового ключа 6, D-триггера 15 и инвертирующего ключа 17, работает аналогично. Сигналы с выходов D-триггеров 14 и 15 поступают на входы элемента ИСК.ШОЧАЮ- ЩЕЕ ИЛИ 9, который формирует инта)- валы времени, длительность которьгх пропорциональна фазовому сдвигу между входными сигналами. Дополнительный элемент И 19 осуществляет квантование интервала времени. Времязадаю- щий блок 8 может быть реализован в виде последовательного соединения счетчика импульсов и триггера. Импульсы времени измерения с выхода времязадающего блока 8 управляют прохождением счетных импульсов с дополнительного элемента И 19 через элемент И 10 на счетчик П. Число импульсов, зарегистрированных счетчиком II,

N где t

V

HJAI

180,

время измерения, t - период частоты, вырабатываемой делителем 18 частоты на два;

Vo измеряемый фазовый сдвиг. Если 18-10, где п I, 2,3,..., то NI/ соответствует измеряемому фазовому сдвигу в градусах (п 1) или долях градуса в десятичной системе.

Инвертирующий ключ работает следую7 щим образом.

Если на управляющем входе логический О, на выходе элементов И 21, 22 также логический О, ключи 23 и 24 закрыты и напряжение на выходе инвертирующего ключа отсутствует. Если на управляющем входе логическая . J и на входе инвентора 20 также логическая J, ключ 23 открыт и на выходе инвертирующего ключа , отрицательное напряжение. Если на входе инвертора 20 логический О, от- - крыт ключ 24 и на выход проходит положительное напряжение.

Таким образом,использование новых элементов, а именно: двух сумматоров, двух D-триггеров, двух инверти- рующих ключей, дополнительного эле- . мента И и делителя частоты на два с

соответствующими связями позволяет исключить составляющую фазоамплитуд- |ной погрешности, обусловленную пере- менной составляющей температуры р-п- переходов туннельных диодов, и в целом повысить точность измерения сдвига фаз.

Ф о р м ула изобретения

1. Цифровой фазометр, содержащий два согласующих блока, два переключающих элемента, два токовых ключа, генератор квантующих импульсов, вре- мязадающий блок, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент И, счетчик, причем первые входы переключающих элементов соединены с прямым выходом генератора квантующих импульсов, а их выходы - с входами токовых ключей, выход вре- мязадающего блока соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом счетчика, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз, он снабжен двумя сумматорами, двумя D-триггерами, двумя инвертирующими ключами, делителем частоты на два, дополнительным элементом И, соединенным первым входом с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а вторым - с входами синхронизации D-триггеров, управляющими входами инвертирующих ключей, с входом времязадающего блока и выходом делителя частоты на два, причем вы- ход дополнительного элемента И соединен с входом элемейта И, выходы согласующих блоков соединены с первыми входами сумматоров,выходы которых

соединены с сигнальными входами переключающих элементов, выходы токовых ключей соединены с D-входами Б-тригге- ров, а выходы D-триггеров соединены с входами инвертирующих ключей, и входами элемента ИСКгаоЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инверсный выход генератора квантующих импульсов соединен с вторыми входами переключающих элементов,логический выход Генератора квантующих импульсов соединен с входом делителя часто - ты на два, а выходы инвертирующих ключей соединены соответственно с входами сумматоров,

2. Фазометр по п. 1,отлича- ю щ и и с я тем, что инвертирующий ключ содержит инвертор, второй и третий дополнительные элементы И, два ключа, причем первые входы элемен- тов И соединены между собой и с управляющим входом инвертирующего ключа, вход инвертора соединен с вторым входом второго дополнительного . элемента И и входом инверт фующего ключа, выход инвертора .соединен с вторым входом третьего дополнительного элемента И, выход /Ъ торого дополнительного элемента И соединен с управляющим входом первого ключа, информационный вход которого соединен с источником отрицательного напряжения, выход третьего дополнительного элемента И соединен с управляющим входом второго ключа, информационный вход которого соединен с источником положительного напряжения, выходы ключей объединены и соединены с выходом инвертирующего ключа.

а 6 6

г

LJ LJ

Изобретение может быть использовано в устройствах измерения сдвига фаз. Цель изобретения - повышение - точности. Цель достигается исключением фазоамплитудной погрешности, вносимой переменной составляющей температуры р-п-переходов туннельных диодов, входящих в переключающие элементы 3 и 4. С помощью сумматоров 12,13, D-триггеров. 14, 15, инвертирующих ключей 16, 17, делителя I8 на два и элемента И 19 вьтолняется переключение туннельных диодов на восходящую ветвь характеристики через один период.квантующей частоты. При этом средняя мощность не изменяется в течение периода входного сигнала и температуры р-п-переходов остается постоянной. Фазометр содержит также согласующие блоки 1 и 2, токовые ключи 5 и 6, генератор 7 квантующих импульсов, элемент ИСКЛЮ ШО- ЩЕЕ ИЛИ 9, элемент И 10, счетчик 11, времязадающий блок 8. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (О С/)

f f(

Фиг.г

аг.З

)

Редактор И.:Горная

Составитель М. Катанова

Техред Л.ОлийНык Корректор А.Обручар

Заказ 4427/46

Тираж 772

ВНИИПИ Госуда ственного комитета СССР

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

f2fJJ)

иг.

Подписное