Способ определения фазового времени задержки сигнала Советский патент 1988 года по МПК G04F10/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения фазового времени задержки радиотехнических звеньев в широком диапазоне частот.

Цель изобретения - повышение точности и исключений неоднозначности определения фазового времени задержки.

На чертеже приведен пример вьтол- нения устройства для осзпдествления способу определения фазового времени задержки.

Устрййство содержит высокочастотный генератор 1 с элементом 2 перестройки частоты, к выходу генер§тора 1 подключено исследуемое звено 3 с задержкой (со), выходом подключенное к входу линейного фазового детектора 4, второй вход которого через управляемый аттенюатор 5 и калиброванную линию 6 задержки с фазовой задержкой Е и коммутатор 7 соединен с выходом генератора 1. Выход линейного фазового детектора 4 через аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 8 соединен через шину ввода-вывода данных с шиной данных микроЭВМ 9. Через пшну вьтода данных к микроЭВМ 9 подключены цифровой дисплей 10 и многоканальный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11. Первый аналоговый I выход ЦАП 11 соединен с зшравлякщим входом элемента 2 перестройки частоты, второй выход ЦАП 11 соединен с управлянзщим входом аттенюатора 5, а третий выход - с управлякящм входом коммутатора 7.

Способ определения фазового времени задержки осуществляется следуклцим образом.

Высокочастотный сигнал изменяемой частоты Ug (t)(Q, t+Cf,) разделяют на опорньй и испытательный сигналы. Испытательный сигнал проходит через исследуемое звено с контролируемой задержкой t(co) и коэффициентом передачи К. Выходной сигнал исследуемого звена Up(t) СО, (t-С ) +If,3 сравнивают по фазе с

опорным сигналом )

При изменении частоты испытательного ио (t) и опорного Ufl(t) сигналов в заданном диапазоне частот фазовый сдвиг сравниваемых сигналов также изменяется в широких пределах

(( «Qt-27 (п+сО, (1)

0

5

где n - число целых циклов изменения разности фаз;

об - доля фазового цикла.

Выходное напряжение линейного фазового детектора изменяется в функ - ции от частоты по пилообразной зависимости. Каждый линейный участок преобразовательной характеристики соответствует изменению разности фаз сравниваемых сигналов от О до 21Г или от - 1Г до 4- Т в зависимости от схемных особенностей фазового детектора.

При измерении задержки , на начальной частоте 6Э, выходное напряжение линейного фазового детектора соответствует одному из линейных участков преобразовательной характеристики

0

5

0

5

0

и, S(1+y,)o,f, н-,.

(2)

где S - крутизна преобразования разности фаз cf, (0(1 в напряжение;

.м Д8(а)|) у, g - относительная мульти , -пликативная погрет- ,

ность преобразования из-за зависимости чувствительности от частоты;

0, utf(G),) - абсолютная аддитивная погрешность преобразования из-за неиден - тичности фазочастотш.1х характеристик преобразовательных каналов. Мультипликативная J, и аддитивная J, погрешности фазового преобразования зависят от частоты сравниваемых сигналов (О , неравенства амплитуд этих сигналов, т.е. коэффициента передачи исследуемого звена на этой частоте К(СО ), измеряемой разности фаз Cf (), температурной и временной нестабильности параметров линейного фазового детектора.

Вначале фиксируют результат первого измерения U . Затем изменяют частоту сравниваемых сигналов Q, на величину шага ДО), который выбирают из условия

lOSq, дсо, и: T IT-,

(3)

где о tf - порог чувствительности фазового детектора. При увеличении частоты сигналов на один шаг выходное напряжение ли

нейного фазового детектора изменяется в пределах одного линейного,участка характеристики и возрастает до значения

Ui S(1 + J,)(cO,+t.O), ,, (4)

где V, и о„ - погрешности преобразования второй разности фаз

qi (Q, +UO) J , при коэффициенте передачи звена К(со,+ЛСО).

Далее задерживают опорный сигнал на калиброванную задержку д, кото- рую выбирают также из условия изменения фазы в предалах части линейного участка преобразовательной характеристики

10 Stf &СО, tr

- .

°- 10

(5)

в этом случае выходное напряжение линейного фазового детектора уменьшается до значения

стью фаз ср, Цc. Следовательно, относительные и абсолютные погрешности всех четырех, измерений можно счи- тать, одинаковыми (JT, 1|Ч У , ).

Кз зафиксированных значений перво- го и второго измерений определяют разность напряжений

U2. - и, S(1+y)., (8) а по результатам третьего и четвертого измерений определяют следующую разность напряжений

и - и 5(14- ) ли (Г,-to). (9)

Далее определяют отношение разно - стных напряжений

и и,

iCO ,

,-(и,-и)

±

uQt,-&CO It,-То) (10)

Из полученных соотношений находят значение

t,(CO,)

и.

и

и,и,+

и

(11)

Изобретение может использоваться для измерения частотных характеристик фазового времени задержки. Цель изобретения - повьшение точности и исключение неоднозначности определения фазового времени задержки. При ступенчатом изменении частоты испытательного сигнала, проходящего через исследуемое звено в заданном диапазоне частот, и фиксировании на его выходе приращения сдвига фаз при из- мении частоты на малую величину производят измерение разности фаз на минимальной частоте испытательного сигнала. Затем увеличивают частоту сигнала на один шаг и измеряют возросшую разность фаз. После этого задерживают сигнал на калиброванную задержку и измеряют уменьшенную разность фаз. Вновь уменьшают частоту сигнала на один шаг и измеряют соответствующее значение разности фаз, Далее исключают калиброванную задержку,, изменяют частоту испытательного сигнала на заданное число шагов и вновь осуществляют четыре измерения при возвратных изменениях частоты на один шаг и введении калиброванной задержки в опорный сигнал. Снова изменяют частоту испытательного сигнала и повторяют указанные операции через равные интервалы частот, а фазовое время задержки определяют по. формуле, приведенной в тексте описания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. с (

где у.

и о, и, S(H-Jj)(G), + uoo)(,- c) н-дз,

(6)

погрешности третьего преобразования разности

фаз

с,(а),+ йсо)(-,-tg).

Восстанавливают первоначальное значение частоты сравниваемых сигналов ( ЛО 0) и фиксируют получен- ,нов напряжение

4 S(,( &,-cJ + 5, (7)

где погрешности четвертого преобразования разности фаз Q,(€ ,- TO) при коэффициенте передачи звена К (ф).

При выбранных приращениях фазового сдвига ucot, « ступенчатое изменение частоты на шаг йсб должно быть достаточно малым (ACO«-Q). Поэтому коэффициент передачи исследУе- мого звена меняется также мало и мож но считать, что К(О,)K(Q,+ &Q). Выбранные изменения фазового сдвига от дополнительной задержки также малы поэтому результаты второго и четвертого измерений будут получены в окресностях первоначальной точки преобразовательной характеристики линейного фазового детектора, задаваемой первоначальной разно

Таким образом, по результатам четырех измерений напряжений Щ, U, Uj и и, пропорциональных разности фаз 30 сравниваемых сигналов, и дополнительно вводимой зал,аржке д определяют контролируемую задержку . на частоте СО, .

Далее исключают калиброванную за- 35 держку Гд и изменяют частоту высокочастотного сигнзда до следующего

значения ,+

йа,где р - коли

чество шагов приращения частоты. При

частоте Q опорного и испытательного сигналов производят следующие четыре измерения, используя описанные операции:

и; S(U yl)Q,t,4.8:;

ui. s(i + j i)() cri . ;

(12) (13)

и S(1+yj)(cO,+ uO)(e2.- c;) + 3;

з()и()+5;,

(14) (15)

Tf( . фазовый сдвигисследуемого звена начастоте СО 2.

Решая систему уравнений(12) - (15) относительно новогозначения фазового времени задержки на частоте Qj , получаем

f.Cco,)

i

- и;

и.

и; - и - и

(16)

Исключают задержку с о и перестраивают частоту высокочастотного сигнала до следующего значения 03j

и производят очередные

+ ZI U

kr:l

4efbrpe измерения в окрвсностях фазового сдвига Cf, .

В резул этате решения четьфех уравнений, аналогичных (12) - (15),получаем значение фазового времени задержки на частоте Q,

г и:

и - и:

-и;-.

и:

(17)

При дальнейшем изменении частоты испытательного и опорного сигналов получают значение фазового времени задержки на частоте

О; :0; ico. J (о,-)

и

(

к. -.

. и

о.

(18)

-3 где Q; - текущее значение частоты

сравниваемых по фазе сигналов.

Далее определяют частотные приращения фазового времени задержки относительно значения фазового времени задержки на самой низкой частоте

At, (о) - е,(а,);

iir eSjCQ,) - г,(со,)|

(19)

ut;, ;(С;);) -(О,).

По значениям частотных приращений (19) строят частотную характеристику фазового времени задержки исследуемого звена

д (со;.,)( z:

и

и и,

) г

о

Ui - и, - и, - U4

где W - число дискретных

которых измеряют мя задержки.

и

10

20

25

йу

е4465976

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал генератора 1 проходит через исследуемое звено 3 с контролируемой задержкойС(С4)и воздействует на один вход линейного фазового детектора 4. На другой вход линейного фазового детектора 4 воздействует сигнал генератора 1, про- ХОДЯЩ1-1Й через управляемый аттенюатор 5 и линию 6 задержки с калиброванной задержкой С . Выходное напряжение линейного фазового детектора 4 с помощью АЦП 8 преобразуется в код и запоминается в памяти микроэвм 9. С помощью выходных напряжений ЦАП 11 устанавливается требуемая частота генератора 1 и положение коммутатора 7, подключающего линию 6 задержки в опорный канал линейного фазового детектора 4 по команде микроЭВМ 9.

Вначале по команде микроЭВМ 9 с помощью ЦАП 11 устанавливается начальное значение частоты высокочастотного сигнала U)j в левое по чертежу положение коммутатора 7. Выходное напряжение U линейного фазового детектора 4, пропорциональное разности фаз ср , кодируется в АЦП 8 и запоминается в памяти микроэвм 9. Далее на первом выходе ЦАП 11 формируется единичное приращение напряжения, которое воздействует на элемент 2 перестройки и изменяет частоту генератора 1 на величину шага доэ Полученное на выходе линейного фазового детектора 4 возросшее напряжение преобразуется в код и запоминается.

С приходом очередной команды напряжением с третьего выхода ЦАП 11 коммутатор 7 переключается и тем самым вводится калиброванная задержка fTg в опорный сигнал линейного фазового детектора 4. Уменьшенное выходное напряжение Uj кодируется и запоминается в памяти микроЭВМ 9, После этого командой от микроЭВМ 9 выходное напряжение по первому выходу ЦАП 11 приводится к исходному (Значению, при котором восстанавливается первоначальное частоты. Соответствутощее значен ие выходного напряжения линейного фазового детектора U кодируется и запоминается в микроэвм 9. После выполнения по формуле (20) соответствукяцих вычислений выходное напряжение ДАЛ 1.1

30

35

40

45

50

55

по первому выходу увеличивается на Р шагов, что изменяет частоту испытательного и опорного сигналов до значения а. Сигналом по третьему выходу ЦАП 11 исключают калиброванную задержку и вновь по предьщущему циклу программы производят четыре измерения при соответствующих изменениях частоты и задержки сравниваемых сигналов. В память микроЭВМ 9 введено в виде константы значение калиброванной задержки (,, которая периодически вводит.ся в схему комму10

и опорного сигналов на один шаг & -i 0, несущественно изменяют плитуду сигнала на вькоде исслед мого звена, что уменьшает влияние частотной зависимости коэффициент передачи K(Q;), т.е. неравномерно его амплитудно-частотной характер тики на точность определения фазо го времени задержки. Кроме того выборе фазовых приращений uco tj и 03; Сд порядка едишщ градусов в ответствии с выражениями (3) и (5 исключается неоднозначность опред

,,. ., ,Cf; СЭ; о; , возникающая и за периодического характера фазоч стотной характеристики исследуемо звена.

Формула изобретен

татором 7. Коэффициент передачи атте- 15 ления фазовых углов q, i:o,c.i cp.j нкзатора 5 вначале устанавливают примерно равным коэффициенту передачи исследуемого звена 3 на частоте са, , чтобы уравнять амплитуды сравниваемых по фазе сигналов. По мере измене-20 НИН частоты по командам с микроЭВМ 9 на аттенюатор 5 с второго выхода ЦАП 11 поступают управлянздие сигналы, изменяющие вносимое аттенюатором ослабление в направлении поддержания примерного равенства амплитуд сравниваемых по сигналов при изменении их частоты.

Программой микроэвм 9 предусмотрено изменение частоты испытательного сигнала через равные интервалы частот, которые формируются из постоянного числа шагов изменения частоты проведение четырех новых измерений при возвратных изменениях частоты на один шаг относительно установленной частоты и введение калиброванной задержки .

Результаты ряда измерений Cf. СО, сГ,,рг ttTj, ...,q), обра- батьшаются в процессоре микроЭВМ 9 к соответствукяцая частотная характеристика фазового времени задержки исследуемого звена воспроизводится на цифровом дисплее 10.

30

35

25 на ступенчатом изменении частоты пытательного сигнала, проходящего рез исследуемое звено в заданном диапазоне частот, фиксироваш-га на выходе приращения сдвига фаз при менении частоты испытательного си ла на ве-ничину, отлича щийся тем, 4TOj с целью иовь ния точности и исключения неодноз ности определения фазового времен задержки, после измерения разност фаз на минимальной частоте испыта тельного сигнала увеличивают част сигнала на один таг и измеряют во росшую разность фаз, задерживают опорный сигнал на калиброванную з жку и измеряют уменьшенную разнос фаз, уменьшают частоту сигнала на один шаг и измеряют соответствующ значение разности фаз, исключают

45 либрованную задержку и изменяют ч тоту испытательного сигнала на за данное число шагов, вновь производ четыре измерения при возвратных и нениях частоты на один шаг и введ калиброванной задержки в опорный

40

Анализ показывает, что предлагаемый способ по сравнению с известным позволяет повысить точность определения фазового времени задержки за счет исключения фазочастотных и амплитуд- но-частотных погрешностей. При этом, как следует из выражегшя (20), на результат определения не влияет аддитивная и мультипликативная V состав- лямщие фазочастотной погрешности во всем диапазоне частот, а малые изменения частоты оэ;в окресностях фазового сдвига ср; W; c-, испытательного

и опорного сигналов на один шаг &Q -i 0, несущественно изменяют амплитуду сигнала на вькоде исследуемого звена, что уменьшает влияние частотной зависимости коэффициента передачи K(Q;), т.е. неравномерности его амплитудно-частотной характеристики на точность определения фазового времени задержки. Кроме того при выборе фазовых приращений uco tj и 03; Сд порядка едишщ градусов в соответствии с выражениями (3) и (5) исключается неоднозначность опреде ,,. ., ,Cf; СЭ; о; , возникающая из- за периодического характера фазоча- стотной характеристики исследуемого звена.

Формула изобретений

ления фазовых углов q, i:o,c.i cp.j

ления фазовых углов q, i:o,c.i cp.j

на ступенчатом изменении частоты испытательного сигнала, проходящего через исследуемое звено в заданном диапазоне частот, фиксироваш-га на его выходе приращения сдвига фаз при изменении частоты испытательного сигнала на ве-ничину, отличающийся тем, 4TOj с целью иовьгша- ния точности и исключения неоднозначности определения фазового времени задержки, после измерения разности фаз на минимальной частоте испытательного сигнала увеличивают частоту сигнала на один таг и измеряют возросшую разность фаз, задерживают опорный сигнал на калиброванную задержку и измеряют уменьшенную разность фаз, уменьшают частоту сигнала на один шаг и измеряют соответствующее значение разности фаз, исключают ка-

иброванную задержку и изменяют частоту испытательного сигнала на заанное число шагов, вновь производят етыре измерения при возвратных изменениях частоты на один шаг и введении алиброванной задержки в опорный сиг

нал, изменяют частоту испытатепьного сигнала и повторяют указанные операции через равньзе интервалы частот, а фазовое время задержки определяют по формуле

й(;..)(2:

иГ -

гU,

Ui- и,- U,-f U где и,, Ujj, и,,

.}

.

и4,- напряжение,. COOT- 5 ветствующее разности фаз сравниваемых напряжений При начальной частоте, увеличе-; 10 НИИ частоты на

значениях через постоянный интервал;

п - число интервалов в заданном диапазоне частот.

П.1, отличаюшаг, введении калиброванной зачто шаг изменения частоты испытательного сигнала и калиброванную задержку выбирают такими, чтобы возникающая при этом дополнительная разность фаз испытательного

держки и уменьше- ig опорного сигналов превьавала порог .:-- о чувствительности линейного фазового детектора на менее, чем и три раза, и была меньше десятых долей периода изменяемого по частоте испытательнии частоты на шаг;

„- калиброванная задержка;

i - порядковый номер измерения фазового времени задержки на дискретных

20

ного сигнала, а интервал частот формируют из постоянного числа шагов из- .менения частоты испытательного сигнала.

5 10

10

значениях через постоянный интервал;

п - число интервалов в заданном диапазоне частот.

П.1, отличаючто шаг изменения частоты испытательного сигнала и калиброванную задержку выбирают такими, чтобы возникающая при этом дополнительная разность фаз испытательного

20

ного сигнала, а интервал частот формируют из постоянного числа шагов из- .менения частоты испытательного сигнала.

I