Цифровой фазометр Советский патент 1989 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радио-, измерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя периодическими электрическими сигналами.

Цель изобретения - повьшение точности и быстродействия устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы а, б, в, г, д, ж, и- сигналов в соответствующих характерных точках схемы; на фиг.З - схематическая иллюстрация процесса марки-, ровки и кодирования долей текущего, кванта и фазовых соотношений сигналов на выходах квантующей линии задержки (также диаграммами логических уровней сигнала); на фиг,4 - временные диаграммы а, б, в, ж, к, д, л, 3, и сигналов в соответствующих точках схемы при появлении опережения второго входного сигнала по отношению к первому и соответствующей смены знака фазы; на кг.5 - функ31499264

циональная схема для реализации сумматора-дешифратора.

Цифровой фазометр содержит формирователь 1 опорного полупёриода, формирователь 2 импульсов исследуемого сигнала, причем взводы формирователей 1 и 2 соединены с соответствующими выходами коммутатора-3 входных сигналов. Первый прямой выход форми- д рователя 1 опорного полупёриода и выход формирователя 2 импульсов исследуемого сигнала соответственно со единены с входами ключевого элемента 4, выход которого соединен с входом 15 триггера 5 выделения знака, выход последнего соединен с управляющим входом коммутатора 3 и с знаковым информационным выходом фазометра. . Второй (инверсный) выход формировате 20 ля 1 опорного полупериода соединен. ; с входом формирователя 6 импульсов ; инвертированного опорного сигнала и 1ерез элемент 7 задержки с входом формирователя 8 импульса разрешения 25 обнуления, выход которого подключен k управляющему входу счетчика 9 квантующих импульсов и к одному из вко- дов управляющего триггера 10, выход последнего подключен к одному из .30 входов второго ключевого элемента 11i Фазометр содержит также первый ре- гистр 12, второй элемент 13 задержкиj сумматор-дешифратор 14, в торой .ре ч гистр 15 и квантующую линию 16, за- 35 держки, состоящую из элементов ИЛИ 17.1,..,,17.П с прямым и инверсным выходами (ИЛИ-НЕ/ИЛИ), между-первым ; выходом каждого из которых и первым входом последующего включены элемен- .40 ты 18,1,..,,8,п-1 задержки, а также дополнительного элемента 19 задержки, {включенного между вторым входом пер- ; вого элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 17.1 и BTO-V рым выходом одного из остальных эле- 45 ментов ШШ-НЕ/ИЛИ квантующей линии задержки. Первый вход первого элемента Шта-НЕ/ИЛИ 17,1 и вторые входы Всех остальных этих элементов являют-СЯ входом линии 16, который ПОДКЛЮ- JQ

чан к nepBO fy выходу формирователя 1 опорного полупериода. Вторые выходы .всех элементов 17 линии 16 подключены I входам второго регистра 15, первый вход которого со.единен с « счетным входом счетчика 9 квантирую- щих импульсов, информационные выходы которого через первый регистр 12, служащий для записи целого числа периодов квантующих импульсов, подключены к.информационным входам сумматора-дешифратора 14, к вторым информационным входам которого подключены информационные выходы второго регистра 15, Информационные выходы сумматора дешифратора 14 являются выходом устройства. Выход формирователя 2 импульсов исследуемого сигнала подключен к управляющим входам первого и второго регистров 12 и 15, выход ключевого элемента 4 через ; второй элемент 13 задержки подключен к второму входу управляющего триггера 10, выход формирователя 6 импульсов инвертированного опорного сигнала подключен к второму входу второго ключевого элемента I1, выход которого соединен с управляющим входом матора-дешифратора 14,

Второй регистр 15 содержит то же количество разрядов, что и количество фаз, генерируемых в квантукяцей линии :16 задержки (на фиг,1 и 3 изображена генерация пятифазных сигналов). Запись сигналов в регистр должна осу ществляться за время, меньшее Тцб/2п где п - количество счетных долей пе- риода квантующих импульсов, Тце, - период квантующих импульсов. Длитель- ность и форма управляющих сигналов определяются формирователями 2 и 6, : Сумматор-дешифратор 14 на (фиг,1) суммирует информацию с регистров 12 , и 15 с соответствующим весом, обеспечивая одновременно запись полученного кода в выходной регистр по внешней команде. Пример реализации сумматора-дешифратора изображен на фиг.5 Код, соответствующий.количеству, прошедших целых квантов, поступает из регистра 12 в умножитель 20, где он умножается на постоянную величину, / равную 2п (количество счетных долей периода кйантующих импульсов). Полученное число суммируется в сумматоре 21 с количеством отсчитанных до- ; лей в прошедшей части незавершенного кванта, которое поступает из регистра 15, и передается в дешифратор 22. В дешифраторе код, соответствующий суммарному количеству отсчитанных долей кванта, преобразуется в код разности фаз. Запись результата в выходной регистр 23 производится по команде из ключевого элемента 11, ; Формирователь импульсов исследуе- Мого сигнала обеспечивает дпитель51499264

ность импульсов, меньшую длительности счетной доли кванта (т.е. ,/2n). Вершина импульса может соответство-

1, так и логи10

15

20

30

вать как логической 1 ческому О в зависимости от выбранной реализации ключевого элемента 4 и регистров 12 и 15 (фиг.1). На временных диаграммах(фиг.2 и 4) принято для определенности, что вершина импульса соответствует логическому нулю.

Ключевой элемент 4 (фйг.1) должен пропускать импульс от формирователя 2 только при значении сигнала на выходе формирователя 1 опорного полупериода, соответствующего запертой линии 16. На временной диаграмме фиг.4 этому состоянию отвечает логическая 1 в точке Ь. .

Счётчик 9 квантующих импульсов производит счет по переходам от логического нуля к логической единице, причем в зависимости от сигнала на управляющих входах ведется либо счет 25 импульсов, либо запись кода, поданного на его информационные входы.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, т.е. при отсутствии сигналов U( и Уа на входах коммутатора 3, на выходе Ь (фиг.5, 2, 4) формирователя 1 имеет место уровень логической единицы (высокий уровень), соответственно на прямых выходах элементов ИЛИ-НЕ/ИЛИ 17.1- 17.П также будут иметь место уровни логической единицы, а на их инверсных - уровни логического нуля. Состо- яние коммутатора 3 зависит от состояния триггера 5 выделения знака. При этом возможны два варианта состояния: первый, когда на выходе триггера 5 имеет-место потенциал логической 1, и напряжение 11 поступает на форми- ро ватель 1 через выход в. точке О в виде опорного напряжения, а U на формирователь 2 через выход в точке :$ в качестве исследуемого напряжения ; второй, когда на выходе триггера 5 имеет место потенциал логического О, и напряжение U поступает На формирователь 2 в качестве иссле- Дуемого, а напряжение UQ. - .на фор- 14Ирователь 1 в качестве Опорного, I Работа устройства описывается Двумя возможными случаями. ; В первом случае коммутатор 3 вклкг- чен по .варианту 1; напряжение отста35

40

45

55

е у

си ли си ле ло мо и не с

де

за щи ру вх ки вы ве ур ме ме а ко вх ва

до

50

ча

-

за ве ме вы

гд вы ны

ра с В ни ве ва ма

ет по фазе от Г;, менее чем на 180° (во всех пояснениях имеется в виду установивщийся режим). С появлением

сигнала Иц и ll/j на выходе b устанавливается меандр с частотой опорного сигнала. Отрицательный фронт и далее низкий уровень меандра fypoBeHb логического нуля) с выхода блока 1 формируется низки11 уровень на прямом выходе элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 17.1 и разрешает формирование низких уровней на прямых выходах элементов 17.2- 17.() линии 16. Низкий уровень с первого выхода элемента 17.1 с З аU t

Ткь

на элементе

п

18.1

0

0

5

5

0

5

5

задержки (где Ткв период квантующих импульсов, п - количество формирующих элементов 17) поступает на вход элемента 17.2 и формирует низкий уровень на его прямом выходе и высокий (логическая 1) - на инверсном выходе 24.1. Далее низкий уровень проходит вдоль линии из эле-, ментов 18.2-17.3-18.3-17.4...-18.п-1- 17.П с задержкой в каждой группе элементов 18-17 на ту же величину ut, а высокий уровень проходит с задержкой t(j в элементе 19 на второй вход элемента 17.1 и запирает его, формируя на его прямом выходе снова высокий уровень. Сумма задержек

ТкЬ

должна быть равна

В частном слу- ut, +

0

чае, изображенном на фиг.1,

- at. Jf.

Следует отметить, что элемент 19 задержки может быть подключен к инверсному выходу любого другого элемента 17. Достаточно только, чтобы выполнялись условия

Ut5. + mAt, m - номер элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 17, выход которог о соединен с дополнит ель ным элементом/19 задержки,

п m - .

Сформировавшийся высокий уровень распространяется по цепочке 17-18-17 с теми же задержками, что и низкий. В результате последовательных смен низкого и высокого уровней на инверсных выходах 24.1-24.п устанавливаются сигналы, временная диаграмма которых изображена на фиг.З для

случая n 5, m 1.Их период равен периоду квантующего сигнала. Эти сигналы существуют до тех пор, пока на выходе Ь формирователя 1 поддерживается уровень логического нуля (низкий уровень), т.е. в первый полупериод рабочей частоты.

С выхода 24.1 квантующий сигнал поступает на счетный вход счетчика 9, наращивающего содержимое по переходам от логического О к логической 1, т.е. по положительным фронтам. Поскольку первый положительный фронт по 14992648

(фиг.3, на которой приведены сигналы в виде логических уровней, а коды записаны колонками в таблице в нижней части рисунка для случая I n 5). Следовательно, значение кода в промежутке между отсчитываемыми фронтами квантующих импульсов определяют прошедщую к моменту отсчета to долю текущего квантующего периода с разрешающей способностью Тце,/2п.

В момент ti2i (фиг.2), соответствующий отрицательному переходу через ноль исследуемого сигнала ПЦССА

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя сигналами. С целью повышения точности и быстродействия один из сигналов, между которыми измеряется разность фаз (опорный), преобразуется в меандр с фронтом, совпадающим с его нуль-переходом. В момент такого же нуль-перехода другого (исследуемого) сигнала формируется короткий импульс. В специальной линии меандр заполняется сериями квантующих импульсов, сдвинутых по фазе и жестко синхронных по времени с фронтом меандра. Количество импульсов с выхода, в котором сдвиг фазы относительно нуль-перехода нулевой, отсчитывается до прихода импульса от нуль-перехода исследуемого сигнала и составляет целое число "квантов" фазы. Сигналы с выходов цепочки элементов задержки образуют код, который меняется во времени так, что маркируется каждая доля текущего (незаконченного) "кванта" фазы. В момент прихода импульса от нуль-перехода исследуемого сигнала упомянутый код записывается во второй регистр, и одновременно переписывается в первый регистр содержимое счетчика целых "квантов" фазы, имеющееся к этому моменту. Сумма чисел, записанных в первом и втором регистрах, с учетом их веса определяет искомую разность фаз. Синхронность квантующих импульсов и возможность определения доли "кванта" фазы обеспечивают достижение положительного эффекта. 5 ил.

является одновременно с фронтом опор-; 15 на выходе формирователя 2 формирует-;

ся короткий импульс (на фиг.1 и 2 диаграмма в точке Ж). Этот импульс дает команду в регистры 12 и 15 на :запись информации. В регистр 12 за- : писывается целое число квантов, прошедшее до прихода команды на запись информации, а в регистр 15 - код, соответствующий величине доли неза- вершившегося кванта (по сигналам 24.1-24.П).

ного полупериода, количество импульсов, отсчитанное счетчиком 9, на единицу превьшает количество прошед .ших целых квантов фазы. Дпя устра нения такого эффекта, а также дня исключения воздействия возможных помех, счетчик 9 обнуляется перед; каждым циклом счета. Чтобы это обеспечить, отрицательный фронт инвер- тированного опорного полупериода с формирователя 1 Ссоответствующий моменту окончания генерации квантующих импульсов) задерживается в.элементе 7 на интервал времени, колько меньший опорного полупериода, и подается в формирователь 8, в кото ром создается импульс с фронтом, совпадающим с фронтом пришедшего ; меандра, и такой длительности,/ чтобы его срез (момент t на фиг.2) опережал положительный фронт опорного полупериода на инверсном выходе формирователя 1 менее, чем на период кванта, , ( фиг.2, сигнал в точке с| ). Этот импульс подается на управлякхцие входы счетчика 9 и разрешает запись сигналов с ин формационных входов счетчика, на которых постоянно установлень уровни логического нуля. Так как разрешение приходит раньше первого положительного Лронта, то этот фронт обнуляет счетчик, и счет начинается со второго фронта. Следовательно, в счетчике отсчитывается точное количество прошедших целых квантов. Интервалы, меньшие кванта, контролируются по сигналам с выходов 24.1-24.п. Распре деление этих сигналов во- времени изображено на фиг.З. Если фиксировать одновременно сигналы; со всех выходов 24.1-24.n одновременно, то они образуют п-разрядный код, который меняется во времени с шагом

0

5

0

ся короткий импульс (на фиг.1 и 2 диаграмма в точке Ж). Этот импульс дает команду в регистры 12 и 15 на :запись информации. В регистр 12 за- : i писывается целое число квантов, прошедшее до прихода команды на запись информации, а в регистр 15 - код, соответствующий величине доли неза- вершившегося кванта (по сигналам 24.1-24.П).

; Информация от обоих регистров подводится к сумматору-дешифратору 14. ; В нем количество целых периодов суммируется с величиной доли последнего незавершившегося кванта, преобразу- ётся в код разности фаз и запоминается.

Разрешение на запоминание (обновление) информации на выходе суммато5 ра-дешифратора 14 поступает с выхода Z формирователя 1 через формирователь 6. Формирователь 6 формирует -им- , пульс в момент (Лиг.2) отрица- тельного перехода через ноль сигна0 ла на выходе 2 . По отнов1ению к прямому выходу формирователя 1 это бу- дет импульс в момент перехода через нуль опорного сигнала в положительном направлении. Этот импульс про5 ходит через подготовленный ключ 11 и дает команду в сумматор-дешифратор 14 на запоминание информации.

Подготовка второго ключевого элемента 1I осуществляется триггером 10, который по импульсу с выхода g формирователя 8 устанавливается в состояние логической 1.

Временные диаграммы процессов в фазометре изображень на фиг.2.

Во втором случае коммутатор 3 включен по варианту 1, но напряжение Uij опережает U4 по фазе не более, чем на 180(фиг.4). Тогда блоки 1,17i 18,19,8 и 9 работают также, как и в

0

5

10

15

91499264

случае 1, но импульс с формирователя 2 команда на фиксацию значения разности ф|аз) приходит тогда, когда уровень логического нуля опорного полупериода на выходе Е формирователя 1: уже сменился уровнем логической еди- ницы. Этот уровень поступает на ключевой элемент 4, подготавливает его к работе, и когда на выходе ж форми- .рователя 2 появляется импульс, он проходит через элемент 4 на вход триггера 5. Выходной сигнал триггера 5 изменится с 1 на О, и коммутатор 3 переключится по варианту 2, При этом нулевой логический сигнал с выхода триггера 5 будет воспринят на информационном выходе как знак плюс (исследуемый сигнал опережает опорный),

При переключении коммутатора 3 уровень логической 1 на выходе В формирователя I сменится на логический О. Из-за инерции коммутатора 3 и элементов управления эта смена может- произойти с запозданием и тем самым внести погрешность в следующий аа этим цикл измерений. Чтобы исключить подобное явление, дополнительный сигнал с элемента 4 через второй элемент 13 задержки (с задержкой, несколько меньшей длительности половины периода меандра) переводит триггер 10 в состояние логичесг кого нуля, то есть запирает второй ключевой элемент 11. Тем самым запрещается прохождение команды на за- Ьнсь (смену) информации на выходе сумматора-дешифратора 14 до следую20

25

30

35

щего нормального (без переключе- 40 ния) измерительного цикла.

Из описания работы фазометра вид-- но, что как при опережении первого сигнала на входе вторым, так и при его отстаивании на выходе устройства 45 будет им.ть место информация,о величине и знаке разности фаз.

Положительный эффект предлагаемое го устройства состоит в том, что одновременно повьшается точность опре- jg деления разности фаз и обеспечивается измерение фазового сдвига за один период опорного сигнала, что повышает быстродействие. При этом при прочих равных условиях увеличение точ- кости не связано с уменьшением быст- родейстВИЯ.

Использование когерентного квантующего сигнала полностью ,искЛ Очагг

I

I

-в

10

0

5

0

5

0

ет дополнительную погрешность из-за . несинхронности квантующего сигнала и заполняемого им временного интервала, соответствующего углу сдвига фаз. Интервал между моментом прихода команды на измерение и срезом последнего квантующего сигнала контролируется фиксацией кода с выходов ли НИИ. Поэтому уменьшается также пог- решность из-за некратности периода кванта длине измеряемого интервала.

Формула изобретения

Цифровой фазометр, содержащий формирователь опорного полупериода и формирователь импульсов исследуемого сигнала, входы которых.подсоединены к соответствующим выходам коммутатора входных сигналов, первый выход формирователя опорного полупериода и выход формирователя импульсов исследуемого сигнала соответственно соединены с входами ключевого элемента, выход которого соедиг нен с входом триггера вьщеления знака, выход последнего соединен с упг равляющим входом коммутатора входных сигналов и является знаковым ; информационным выходом, второй выход формирователя опорного полупериода подключен к входу формирователя им5

0

5

g

пульсов инвертированного опорного сигнала, формирователь импульсов разрешения обнуления, выходом подключенный к первому входу управляющего триггера, выход которого подключен к первому входу второго ключевого элемента., первый и второй регистры, первый и второй элементы задержки и счетчик квантующих импульсов, отличающийся тем, что,

с целью повьшения точности и быст- I

родействия, в него дополнительно введены сумматор-дешифратор, квантующая линия задержки, состоящая из п+1 элементов ИЛИ, между первым выходом каждого из которых и первым входом последующего включения п квантующих элементов задержки, и

дополнительного элемента задержки, I

включенного между вторым входом первого элемента ИЛИ и выходом одного из последующих элементов ИЛИ кванту-. ющей линии задержки, первый вход пер- -вого элемента ИЛИ и вторые входы всех остальных элементов ИЛИ под-

11

ключены к первому выходу формирователя опорного полупериода, а вторые выходы элементов ИЛИ подключены к входам второго регистра,-первьй вхо которого соединен со счетным входом счетчика квантующих имПуЛьсов, уп- равляющий вход которого соединен с первым входом управляющего триггера а информационные выходы которого через первый регистр подключены к первым информационн1)1м входам сумматора-дешифратора, к вторым информационным входам которого подключены информационные выходы второго ре- гистра, второй выход формирователя опорного полупериода соединен через tiy

Счея

импульсов

tjaijf хввнж }

4

12

первый элемент задержки С входом формирователя импульсов разрешения обну ления, выход формирователя импульсов исследуемого сигнала подключен к управляющим входам первого и второго регистров , выход первого ключевого элемента через второй элемент задержки подключен к второму входу управляющего триггера, выход формирователя импульсов инвертированного опорного сигнала подключен .к второму входу второго ключевого элемента, выход которого соединен с управляиицим входом сумматора-дешифратора, информационные выходы которого являются входами цифрового фазометра.

Puz.1

uZfi

И . Фш.1

w ill

Я5

KoSbt НО выходе линии

Ж

93MfWa,

/в9уаеа W

r«j

V

Фи1.5 ЪыюЗ