Цифровой компенсационный фазометр Советский патент 1990 года по МПК G01R25/08 

ел

со

05

о:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть приме- пенс в гидроакустике, дефектоскопии, дальнометрии и других областях науки и техники, . где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радиоимпульсных сигналов (радиоимпульсов), которые разнесены либо смещены во времени друг относительно друга.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг.1 приведена структурная схема цифрового компенсационного фазометра; на фиг.2 - передаточная характеристика фазометра.

Цифровой компенсационный фазометр содержит два идентичн1/к ка нала 1 и 2, вычитатели 3 и 4, коммутатор 5, нуль-индикатор 6, синтезатор 7, вычислитель 8, ш фровой индикатор 9,

фильтры 10 и 11 нижних частот (ФНЧ), мультиплексоры 12 и 13, задатчик 14 кодов и узел 15 сравнения. Каждый канал 1(2) имеет сигнальный вход 1.1 (2.1), первый 1.2(2.2) и второй 1.3 (2.3) управляющие входы и выход 1.4(2.4). Синтезатор 7 частоты имеет три входа 7.1-7.3 и четыре выхода 7.4-7.7. Вычислитель 8 имеет входы 8.1-8.3 и выходы 8.4 и 8.5. Узлы фазометра соединены следуюи им образом. Вход 1.1 канала 1 соединен с входом , вход 2.1 - с входаьш 7.3 и 8.2, входы 1.3 и 2.3 - с выходом 7.5 синтезатора 7, выход 7.4 - с входом 1.2, выход 7.6 - с входом 2.2, выход 7.7 - с входом 8.3 вычислителя 8, выход 8.5 - с объединенными первыми входами вычитателя 3 и узла 15 сравнения, выход 8.4 - с первым входом вычитателя 4, выход вычитателя 4 - с .входом цифрового индикатора 9, выход вычитателя

о

С управляющим входом коммутатора 5, выход коммутатора 5 - с входом ФНЧ 10, выход 1.4 - с входом ФНЧ 11, входы нуль- индикатора 6 - с выходами ФНЧ 10 и 11, выходы нуль-индикатора 6 - с входами 7.1 и 7.2, выходы 2.4 - с входами коммутатора 5, первый выход за- датчика 14 - с первым входом мультиплексора 12, второй выход задатчика 14 - с первым входом мультиплексора 13, третий выход задатчика 14 - с

45

50

Каналы 1 и 2 практически представ ляют собой регулируемую частотой многоотводную линию задержки (ЛЗ) в виде линейки последовательно соединенных приборов с зарядовой связью (ПЗС). Выходы многоотводной ЛЗ и ее входы являются выходами и входами канала 2, Управляющие входы 1.2 и 2.2 предназначены для регулировки задержки, а входы 1.3 и 2,3 - для преобразования частоты сигнала заполнения радиоимпульсов, поступающих на входы 1.1 и 2.1 каналов. Число N отводов (выходов) канала 2 задает максимально возможный измеряемый фазовый сдвиг - (/ в соответствии с ц/д .,.Число N можн интерпретировать как число целых периодов , которое может быть записано в линию задержки ПЗС типа, образующую канал фазометра. Синтезатор 7, выполненный на основе умножителя и делителей частоты, форми рует на выходах 7.4, 7.6 и 7.5 импульсные сигналы частот .,F, f KjF, о-f «соответственно (здесь F - частота заполнения радио импульса на входе 7.3). Введенные вычитатели 3 и 4, мультиплексоры 12 13, задатчик 14 и узел 15 выполняют простейише арифметические и логичес кие функции: вычитания двух чисел (вычитатели 3 и 4), сравнения двух чисел (узел 15), коммутации одного из двух чисел на один выход (мульти плексоры 12 и 13). Задатчик 14 зада ет коды чисел 1,21Г- и N соответст - венно на первом, втором и третьем выходах (здесь N - число отводов канала 2).

Фазометр работает следующим образом.

Основной отличительной особенностью фазометра является то, что полная компенсация фазового сдвига входных сигналов фазометра выполняется на частоте f тактового сигнала канала 1 большей, чем частота f, тактового сигнала канала 2. Поскольку крутизна передаточных хараквторым входом узла 15 сравнения, теристик каналов фазометра обратно

вертый выход задатчика - с вторыми входами мультиплексоров 12 и 13 и узла 15, выходы мультиплексоров

5

0

5

0

5

0

45

50

12 и 13 - с вторыми входами соответственно вычитателей 3 и 4, выход узла 15 сравнения - с управляющими входами мультиплексоров 3.4.

Каналы 1 и 2 практически представляют собой регулируемую частотой многоотводную линию задержки (ЛЗ) в виде линейки последовательно соединенных приборов с зарядовой связью (ПЗС). Выходы многоотводной ЛЗ и ее входы являются выходами и входами канала 2, Управляющие входы 1.2 и 2.2 предназначены для регулировки задержки, а входы 1.3 и 2,3 - для преобразования частоты сигнала заполнения радиоимпульсов, поступающих на входы 1.1 и 2.1 каналов. Число N отводов (выходов) канала 2 задает максимально возможный измеряемый фазовый сдвиг - (/ в соответствии с ц/д .,.Число N можно интерпретировать как число целых периодов , которое может быть записано в линию задержки ПЗС типа, образующую канал фазометра. Синтезатор 7, выполненный на основе умножителя и делителей частоты, формирует на выходах 7.4, 7.6 и 7.5 импульсные сигналы частот .,F, f KjF, о-f «соответственно (здесь F - частота заполнения радиоимпульса на входе 7.3). Введенные вычитатели 3 и 4, мультиплексоры 12 и 13, задатчик 14 и узел 15 выполняют простейише арифметические и логические функции: вычитания двух чисел (вычитатели 3 и 4), сравнения двух чисел (узел 15), коммутации одного из двух чисел на один выход (мультиплексоры 12 и 13). Задатчик 14 задает коды чисел 1,21Г- и N соответст - венно на первом, втором и третьем выходах (здесь N - число отводов канала 2).

Фазометр работает следующим образом.

Основной отличительной особенностью фазометра является то, что полная компенсация фазового сдвига входных сигналов фазометра выполняется на частоте f тактового сигнала канала 1 большей, чем частота f, тактового сигнала канала 2. Поскольку крутизна передаточных харакпропорциональна частоте тактового сигнала, то точность, фазометра повышается за счет уменьшения погрешности, обусловленной нестабильностью частот f и f .

Фазометр измеряет кумулятивный фазовый сдвиг двух радиоимпульсов, т.е. фазовый сдвиг у, 2гГ(ц-1 )+с/, где F - частота заполняющих радиоимпульсы колебаний; t

и

Ч моменты времени, совпадающие с началом огибаюпщх соответственно и второго радиоимпульсов;. tp {/i- разность начальных фаз второго и первого радиоимпульсов соответственно. Процесс измерения содержит два такта. В первом такте вьшолняется грубая компенсация фазового сдвига, а во втором такте (после момента tu) тонкая компенсация i. Первый (опережающий) и второй радиоимпульсы поступают на входы первого и второго каналов соответственно, если . Под действием второго радиоимпульса в синтезаторе 7 на выходах 7.4, 7.6 и 7.5 вьфабатываются последовательности импульсов соответственно час- тот f, К/, ,jF и ,/K, где целые числа, причем

К ., Кх

к„ числа К ,2 и тыми.

К д являются

взаимно проса

и

К

К,

KjB

например , в течение первого такта течение второго такта.

В первом такте под действием импульсов (jj-F первый радиоимпульс, распространяясь в канале 1, к моменту t будет расположен в пер- вых Tij его разрядах. Числу п соответствует, например, отвод канала 2, так как каналы по числу разрядов идентичны. Число N определяется в вычитателе 8 путем квантования интервала (,) импульсами с частотой заполнения первого радиоимпульса Кроме того, в вычислителе 8 определяется разность . Число Nj с выхода 8.5 вычислителя поступает на узел сравнения и через вьгчитатель 3 на управляющий вход коммутатора 5. С помощью узла 15 сравнения число N сравнивается с числом N (число N поступает на второй вход узла сравнения от задатчика 14). Вь1ходной логический сигнал узла сравнения принимает значение О, если , либо 1, если N- N . С помощью мультиплексора 12 под действием выходного сигнала узла 15 сравнения коммутируется на его выход одно из чисел (00 либо 01), постоянно присутствующих на первом и четвертом выходах

задатчика 14. Обозначим выходное число мультиплексора 12 через С. Тогда с помощью вычитателя 3 формируется разность ,-C. Под действием числа N коммутатор устанавливается в положение, при котором выход канала 2 подключен к входу ФНЧ 10. Далее в первом такте, начиная с момента tJ, второй радиоимпульс под действием импульсов частоты f с выхода 7.6 синтезатора записывается и продвигается в канале 2 от входа к его выходу 2.4. Таким образом, в каналах фазометра исходные радиоимпульсы под действием тактовых импульсов частот f и

f задер

живаются на времена соответственно ,/,и , где число разрядов в канале 1; п,П(,Ы - число разрядов в канале 2 от входа до Nj-ro выхода. Разность фаз задержанных радиоимпульсов равна

(2frF(,)+2(to -ttfJ + (((,+

(1)

21Г( - -|i) . К, К

2 чтобы

Если принять, что упростить дальнейшие формулы, то, подставляя К (N,-N-C) и принимая во внимание, что ,-Nj, получим

n,K,-N,

5

0

5

0

5

V Vo+2t f(-|l- - |i-) - N-C..(2) 1 i В первом такте разность в круглых скобках равна нулю, так как К . Поэтому при - Lf-2 1. Таким образом, в первом такте выполнена грубая компенсация фазового сдвига /g , В этом случае 0, что указывает на наличие перекомпенсации, поскольку в результате большей задержки импульса первый импульс стал его опережать.

Во втором такте выполняется компенсация -оставшейся части (f-2 путем изменения частоты f,. Поскольку V - О, то нуль-индикатор 6 по одному из выходов вырабатывает импульсный сигнал, под действием которого увеличивается частота f на выходе 7.4 и увеличивается число К на выходе 7.7 синтезатора 7. Разность фаз задержанных радиоимпульсов начинает уменьшаться, поскольку уменьшается задержка первого импульса.Как только она станет равной нулю, что

соответствует полной компенсации, регулярное поступление импульсов рассогласования с указанного выхода прекращается. При этом частота f фиксируется, а К на выходе 7.7 ситезатора 7 принимает значение, например, К (т.е. Кр,К,).

Подставляя в (2) Кд,К, , получаем расчетное выражение

- it - -2«

Vt-2«c.

(3)

Вычислитель 8 работает в соответствии с (3) , определяя { . Из (3) следует, что значение ы фазовог

О

сдвига на выходе 8.4 вычислителя отличается от истинного на 2/ГС. Коррекция. ( 2Fc выполняется с помощью задат шка 14, мультиплексора 13 и вычитателя 4 следующим образом. Число 2 с второго выхода задатчика поступает на мультиплексор 13. С помощью узла 15 сравнения вырабатывается сигнал управления мультиплексором 4. Под действием выходного сигнала узла 15 сравнения мультиплексор подключает на второй вход вычитателя 4 либо число 21Г (если ,), либо О (если ). Рассматриваемому случаю соответствует первое. С помощью вычитателя 4 формируется разность ц , равная измеряемому фазовому сдвигу , которая индицируется индикатором 9. На этом работа фазометра в первом режиме заканчивается. Всякое изменение сдвига фаз входных радиоимпульсов фазометра приводит к изменению К и N описанным образом, а следовательно, и к изменению показания цифрового индикатора 9.

Во вторим режиме процесс компенсации фазового сдвига происходит аналогично, но на более низкой промежуточной частоте . Преобразование частоты заполнения исходных радиоимпульсов выполняется стробоскопическим способом под действием коротких импульсов частоты F, поступающих с выхода 7.5 синтезатора 7.

Кривые на фиг.2 поясняют описанньй процесс компенсации для конкретных соотношений чисел, входящих в (2), а именно: когда кумулятивные фазы радиоимпульсов равны vji, 24°, t 76S° (что соответствует .t,0, ,

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

.(f,24 , «р,) 15; число разрядов в каналах п 45; число отводов в канале 2 . Фазы задержанных радиоимпульсов к концу первого такта работы фазометра отображены на фиг.2 точкой А для первого и точкой Б для второго радиоимпульса и т.д. Выполняемая в течение второго такта тонкая компенсация фазового сдвига задержанных радиоимпульсов отображена на фиг.2 стрелками от точки А до точки С по линии, соответствующей передаточной характеристике канала, с учетом зависимости ((. Ордината точки равна фазе задержанного второго радиоимпульса, а абсцисса равна значению К .

Введенные дополнительно вычитате- ли, мультиплексоры, узел сравнения и задатчик кодов обеспечивают фазометру возможность повышения точности при увеличении значений кумулятивного фазового сдвига, если N .

Для этого в задатчике кодов вместо кодовых чисел 2 и 1 устанавливают в целое число раз большие значения, но не более чём в (N71) раз. В этом случае по результату измерения фазового сдвига определяют число N, затем увеличивают коды на выходах 2ТГ и 1 в о( раз и производят дополнительное измерение фазово- го сдвига. При этом в формуле (3) вместо коэффициента С надо брать коэффициент , что соответствует повьпвению точности в соответствующее число раз. Формула изобретения

Цифровой компенсационньй фазометр, содержащий первый и второй каналы, коммутатор, два фильтра нижних частот и последовательно соединенные нуль-индикатор, синтезатор и вычислитель, а также цифровой индикатор, причем аналоговые входы коммутатора подключены к выходам второго канала, первый фильтр нижних частот включен между выходом коммутатора и первым входом нуль-индикатора, второй фильтр нижних частот включен между выходом первого канала и вторым входом нуль- индикатора, первый и второй выходы синтезатора подключены к первым тактовым входам соответственно первого и второго каналов, третий выход синтезатора подключен к вторым входам

первого и второго каналов, сигнальные входы которых подключены соответственно к первому и второму сигнальным входам вычислитепя и являютс входами фазометра, о т л и ч а ю - щ и и С я тем, что, с целью повышения точности, введены задатчик кодов двухвходовые первый и второй вычита- тели, первый и второй мультиплексо- ры и узел сравнения, причем первый вьгаитатель входом подключен к перво- м выходу вычислителя, а выходом - к входу цифрового индикатора, второй вычитатель входом подключен к второ- му выходу вычислителя, а выходом - к кодовым входам коммутатора, вторые

входы первого и второго вычитатепей подсоединены к выходам соответственно первого и второго мультиплексоров первый вход узла сравнения подключен к второму выходу вычислителя, первый и второй выходы задатчика кодов подсоединены к первым входам соответственно первого и бторого мультиплексоров, а третий выход задатчика кодо подсоединен к второму входу узла сравнения, четвертый выход задатчика кодов подсоединен к объединенным вторым входам мультиплексоров, а выход узла сравнения подключен к объединенным управ. входам мультиплексоров.

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано в ультразвуковой и звуковой дальнометрии, где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радиоимпульсов, которые разнесены во времени относительно друг друга. Решаемая задача - повышение точности измерения кумулятивного фазового сдвига радиоимпульсных сигналов - достигается введением двух вычитателей 3 и 4, двух мультиплексоров 12 и 13, узла 15 сравнения и задатчика 14 чисел в компенсационный фазометр, который содержит два канала 1 и 2, два ФНЧ 10 и 11, нуль-индикатор 6, синтезатор 7, вычислитель 8, цифровой индикатор 9, аналоговый коммутатор 5. Первый канал 1 и ФНЧ 11 включены на первом входе нуль-индикатора 6. Второй канал 2, коммутатор 5 и второй ФНЧ 10 включены на втором входе нуль-индикатора. Каналы управляются выходными сигналами синтезатора 7 частоты, а коммутатор 5 - сигналом с выхода вычислителя 8. 2 ил.

J 5 7 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

KiК

иг.2