Цифровой фазометр Советский патент 1991 года по МПК G01R25/00 

оэ

00

оо

05

ел

Јь

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения сдвига фаз между опорным и флуктуирующим измерительным сигналом той же частоты и может исполь зоваться, например, при измерении угловых координат.

Целью изобретения является повышение надежности работы, расширение диапазона частот и флуктуации измерительного сигнала.

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового фазометра ; на фиг.2 блок-схема блока выделения временных двигов; на фиг. 3 - временные диаграммы) работы цифрового фазометра.

Цифровой фазометр содержит первый 1 и второй 2 формирователи импульсов, -первый элемент И 3, первый триггер 4 управления, первый делитель 5 частоты, первый 6, второй 7 и третий 8 блоки выделения временных сдвигов, второй триггер 9 управления, счетчик 10 числа измерений, второй элемент И 11, второй делитель 12 частоты, первый 13 и второй 14 элементы ИЛИ, реверсивный счетчик 15 и генератор 16 квантующи импульсов.

Каждый из блоков 6, 7 и 8 выделения временных сдвигов содержит триггер 17, триггер 18, первый элемент И-НЕ 19 и второй элемент И-НЕ 20.

Вход первого формирователя 1 импульсов соединен с опорным входом устройства, а вход второго формирователя 2 импульсов - с измерительным входом устройства, причем выход первого формирователя 1 импульсов соединен с первым входом первого элемента И 3, второй вход которого соединен с выходом первого триггера 4 управления, а выход первого элемента И 3 соединен с входом первого делителя 5 частоты, первый выход которого соединен с первым входом первого блока 6 выделения временных сдвигов и вторым входом третьего блока 8 выделения временных сдвигов. Второй выход первого делителя 5 частоты соединен с первым входом второго блока 7 выделения временных сдвигов, вторым входом первого блока 6 выделения временных сдвигов и единичным входом второго триггера 9 управления. Третий выход первого делителя 5 частоты соединен с первым входом третьего, блока 8 выделения временных сдвигов, вторым входом второго блока 7 выделения временных сдвигов и входом счетчика 10 числа измерений, выход которого соединен с R-входа- ми,первого 4 второго 9 триггеров управления. Выход второго формироQ вателя 2 импульсов соединен с первым входом второго элемента И 11, второй вход которого соединен с выходом второго триггера 9 управления. Второй R-вход триггера 9 сое5 динец со сбросовым входом первого делителя 5 частоты, единичным входом первого триггера 4 управления, со сбросовым входом второго делителя 12 частоты, со сбросовым вхоQ дом реверсивного счетчика 15 и входом Пуск устройства. Первый, второй и третий выходы второго делителя 12 частоты соединены с третьими входами соответственно первого 6,

5 второго 7 и третьего 8 блоков выделения временных сдвигов . Первые выходы 6, 7 и 8 выделения временных сдвигов соединены с входами первого элемента ИЛИ 13, выход которого соединен ссумми0 рующим входом реверсивного счетчика 15, а вторые выходы блоков 6, 7 и 8 выделения временных сдвигов соединены с входами второго элемента ИЛИ 14, выход которого соединен с

5 вычитающим входом реверсивного счетчика 15. Выход генератора 16 квантующих импульсов соединен с четвертыми входами блоков 6, 7 и 8 выделения временных сдвигов.

0

Каждый из блоков 6, 7 и 8 выделения временных сдвигов содержит триггеры 17 и 18 и элементы Й-НЕ 19 и 20, причем первый вход 21 блока соединен

5 с S-входами триггеров 17 и 18, второй вход 22 - с R-входом триггера 17, инверсный выход которого соединен с первым входом элемента И-НЕ 19, а прямой выход - с первым входом

0 элемента И-НЕ 20, третий вход 23 блока соединен с R-входом триггера 18, инверсный выход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ 20, а прямой выход - с вторым входом эле- мента И-НЕ 19, четвертый вход 24 блока срединен с третьими входами элементов И-НЕ 19 и 20, выходы которых соответственно являются первым I и вторым выходами блока.

На фиг. 3 обозначены:

Q - сигнал, поступающий на вход

& - импульсы на выходе первого ормирователя 1 импульсов/

о - импульсы на выходе второго ормирователя 2 импульсовJ

1 ,Л,Т - импульсы ня первом, втоом и третьем выходах первого делиеля 5 частоты;

u,M, U - импульсы на первом втоом и третьем выходах второго делиеля 12 частоты,

,СР- импульсы временных интер алов на прямом выходе первого триггера 17 первого 6, второго 7 и третьего 8 блоков выделения временных сдвигов;

Ж,П, X - импульсы временных интервалов на прямом выходе второго триггера 18 первого 6, второго 7 и третг, его 8 блоков выделения временных сдвигов ,

И, О, Ц- пакеты квантующих импульсов на первом выходе, первого 6, втоого 7 и третьего 8 блоков выделения временных сдвигов;

К,С,Ч пакеты квантующих импульсов на втором входе первого 6, второго 7 и третьего 8 блоков выделения временных сдвигов.

Цифровой фазометр работает следующим образом.

Входные сигналы через опорный и измерительный входы фазометра (фиг.1ч

поступают на входы первого и второго формирователей 1 и 2 импульсов, на выходах которых формируются им- пульсные последовательности

(Фиг.з8,Б).

Сигналом Пуск (фиг.Зй) производится установка в исходное нулевое состояние первого и второго делителей 5 и 12 частоты на три, второго триггера 9 управления, реверсивного счетчика 15 и в единичное состояние первого триггера 4 управления, который разрешает прохождение через первый элемент И 3 импульсов (фиг.З) опорного сигнала на вход первого делителя 5 частоты, на трех выходах которого формируются импульсные последовательности (фиг.Зг,), сдвинутые друг относительно друга на период входного сигнала.

-

10

15

20

25

30

Второй после сигнала Пуск импульс опорного сигнала, снимаемый с второго выхода первого делителя 5 частоты, устанавливает второй триггер 9 управления в единичное состояние и разрешает прохождение измерительных импульсов (фиг.ЗЬ) на вход второго делителя 12 частоты. На трех выходах второго делителя 12 частоты формируются импульсные последовательности (фиг . ,м, (ft), сдвинутые друг относительно друга на период входного сигнала. Каждая импульсная последовательность дополнительно сдвинута на период опорного сигнала относительно импульсных последовательностей (Лиг,3Ј,А,т), формируемых на одноименных выходах первого делителя 5 частоты, т.е. введен дополнительный фазовый сдвиг, равный периоду опорного сигнала, вследствие чего исключается совпадение импульсов опорного и измерительного сигналов при флуктуации измерительного сигнала в пределах +360°.

Измерение фазового сдвига между опорным и измерительным сигналами производится между импульсными последовательностями, снимаемыми с одноименных выходов первого и второго делителей 5 и 12 частоты, в которых истинный фазовый сдвиг отличается от измеренного на 360°. Для исключения этого дополнительного сдвига формируются вспомогательные временные интервалы, равные периоду опорного сигнала, начала которых совпадают с началом временного сдвига между опорным и измерительным сигналами поделенной частоты.

Формирование временных сдвигов между импульсными последовательностями поделенной частоты и исключение дополнительного сдвига производится -блоками 6,.7 и 8 выделения временных сдвигов.

Работа блоков 6, 7 и 8 выделения временных сдвигов идентична.Рассмот- 50 рим работу первого блока 6 выделения временных сдвигов.

На первый вход 21 блока (фиг.2) с первого выхода первого делителя 5 частоты поступает опорная импульсная последовательность (фиг.3Ј) поделенной частоты, импульсы которой устанавливают триггеры 17 и 18 в единичное состояние, формируя начала вре35

40

45

55

менных интервалов (фиг.Зв, в момент времени t.Ha второй вход 22 блока с второго.выхода делителя 5 частоты поступает импульсная последовательность (фиг.З(Л), сдвинутая на один период опорного сигнала неделенной частоты, и устанавливает первый триггер 17 в исходное состояние, формируя конец вспомогательного интервала (момент t) .

Следующий измерительный импульс (фиг.Зб), пройдя через третий вход 23 первого блока 6, в момент t$ устанавливает второй триггер 18 в нулевое состояние, формируя конец временного сдвига.

Таким образом, на выходах триггеров 17 и 18 формируются временные интервалы, начала которых строго совпадают по времени, а длительности этих интервалов соответственно равны периоду опорного сигнала и периоду опорного сигнала плюс истинный временной сдвиг между опорным и измерительным сигналами неделенной частоты

Выделение истинного временного сдвига и формирование пакетов квантующих импульсов производится элементами И-НЕ 19 и 20.

При положительном сдвиге фаз конец временного интервала (фиг . 3,Ж,

момент Ц) задержан относительно конца временного интервала (фиг. 3,6, мо

мент

t,)

на

t 2 - tj между опорным

35

40

величину времени сдвига

и измеритепьным

импульсами неделенной частоты. В этом случае на первом и втором входах элемента И-НЕ 19 высокие уровни напряжений, снимаемые с инверсного выхода триггера 17 (фиг.Зе) и прямого выхода триггера 18 (фиг.3(), перекрываются и на выходе элемента И-НЕ 19 формируется пакет квантующих импульсов низкого уровня напряжения, которые через д5 первый выход блока 6 и первый элемент ИЛИ 13 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 15.

При отрицательном сдвиге фаз конец

Мерный интервал времен ется количеством периодов сигнала поделенной частот танных счетчиком 10 числа импульс переполнения кото ется концом мерного интер мени и возвращает в исход яние триггеры 4 и 9 управ торые запрещают прохожден и измерительных импульсов вый и второй элементы И 3 следующего появления сигн

Знак результирующего ч ляется суммой чисел, полу положительных и отрицател гах фаз.

При преобладании суммы рицательного значения рев счетчик 15 переходит чере состояние и его двоичный ется от большего числа к и старший знаковый разряд единичное состояние, что сигналом съема информации ных выходов разрядов числ

временного интервала (фиг.З,, момент 5Q реверсивного счетчика 15.

t,j.) опережает конец временного интервала (фиг. 3,е, момент tf) на величину временного сдвига t 4 - t5 между измерительным и опорным импульсами неделенной частоты. В этом случае на первом и втором входах элемента И-НЕ 20 высокие уровни напряжения, снимаемые с прямого выхода первого триггера 17 (фиг.3,б) и

55

При преобладании суммы ложительного значения ста вый разряд находится в ну тоянии и информация в это выдается с прямых выходов числовой члсти реверсивно ка 15.

Цифровой фазометр за сч ния совпадения опорного и

инверсного выхода второго триггера 18 (фиг., перекрываются и на выходе элемента И-НЕ 20 формируется пакет квантующих импульсов низкого уровня напряжения, которые через второй выход блока 6 и второй элемент ИЛИ 14 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 15.

Аналогично работают второй 7 (фиг.Зд,М,И,п,р,с) и третий 8 блоки (фиг .Зт,ц,ср, X, Ц, Ч) , сформированные пакеты квантующих импульсов которых через вторые и третьи входы элемен0

5

0

5

0

5

5 тов ИЛИ 13 и 14 поступают на входы реверсивного счетчика 15.

Таким образом, на выходе цифрового фазометра в виде двоичного кода формируется накопленная за мерный интервал времени сумма квантующих импульсов, определяющих сумму временных сдвигов между опорным и измерительным сигналами неделенной частоты.

Мерный интервал времени определяется количеством периодов опорного сигнала поделенной частоты, сосчитанных счетчиком 10 числа измерений, импульс переполнения которого является концом мерного интервала времени и возвращает в исходное состояние триггеры 4 и 9 управления, которые запрещают прохождение опорных и измерительных импульсов через первый и второй элементы И 3 и 11 до следующего появления сигнала Пуск,

Знак результирующего числа определяется суммой чисел, полученных при положительных и отрицательных сдвигах фаз.

При преобладании суммы чисел отрицательного значения реверсивный счетчик 15 переходит через нулевое состояние и его двоичный код изменяется от большего числа к меньшему и старший знаковый разряд принимает единичное состояние, что является сигналом съема информации с инверсных выходов разрядов числовой части

реверсивного счетчика 15.

При преобладании суммы чисел положительного значения старший знаковый разряд находится в нулевом состоянии и информация в этом случае выдается с прямых выходов разрядов числовой члсти реверсивного счетчи- , ка 15.

Цифровой фазометр за счет исключения совпадения опорного и измерительг-

ного сигналов путем деления на три частоты входных сигналов, формирования трех каналов попарных импульсных последовательностей, сдвига изме- рительных импульсных последовательностей на один период опорного сигнала относительно одноименной опорной импульсной последовательности, измерения временных сдвигов между попар- ными опорной и измерительной импульсными последовательностями и накопления результатов измерений всех трех каналов обеспечивает надежную работу вблизи нулевого фазового сдвига и высокую точность измерений в широком диапазоне частот при флуктуации фазы измеряемого сигнала в пределах +180

Формула изобретения

1. Цифровой фазометр, содержащий два формирователя импульсов, входы которых соединены соответственно с опорным и измерительным входами устройствами, два делителя частоты, два триггера управления, два элемента И, два элемента ИЛИ, счетчик числа измерений, реверсивный счетчик и генератор квантующих импульсов, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности работы и расширения диапазона частот и флуктуации измеряемого сигнала, введены три блока выделения временных сдви- гов-, при этом выход первого формирователя импульсов соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера управления, а выход первого элемента И соединен с входом первого делителя частоты, первый выход которого соединен спервым входом первого блока выделения временны сдвигов, с вторым входом третьего блока выделения временных сдвигов, второй выход первого делителя частоты соединен с первым входом второго блока выделения временных сдвигов, с вторым входом первого блока выделе- ния временных сдвигов и с входом установки единицы второго триггера управления, третий выход первого делителя частоты соединен с первым входом третьего блока, с вторым входом второго блока и с входом счетчика числа измерений, выход которого соединен с входами установки нуля перво25

ю15

20

30 354045 Q го и второго триггеров управления, выход второго формирователя импульсов соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго триггера управления, второй вход установки нуля которого соединен со сбросовым входом первого и второго делителей частоты, с входом установки единицы первого триггера управления, со сбросовым входом реверсивного счетчика, с входом Пуск устройства, первый, второй и третий выходы второго делителя частоты соединены с третьими входами соответственно первого, второго и третьего блоков выделения временных сдвигов, первые выходы которых соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, а вторые выходы блоков выделения временных интервалов соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, выход генератора квантующих импульсов соединен с четвертыми входами трех блоков выделения временных интервалов.

2. Фазометр по п. 1, отличающийся тем, что каждый блок выделения временных сдвигов содержит третий и четвертый триггеры и первый и второй элементы И-НЕ, причем первый вход блока выделения временных сдвигов соединен с входами установки единицы третьего и четвертого триггеров, второй вход блока соединен с входом установки нуля третьего триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом первого элемента И-НЕ, а прямой - с первым входом второго элемента И-НЕ, третий вход блока выделения временных интервалов соединен с входом установки нуля четвертого триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом второго элемента а прямой выход - с вторым входом первого элемента И-НЕ, четвертый вход блока выделения временных интервалов соединен с третьими входами первого и второго элементов И-НЕ, выходы которых соответственно являются первым и вторым выходами блока выделения временных интервалов.

Фиг. 2

Изобретение может быть использовано для измерения сдвига фаз между опорным и флуктуирующим измерительным сигналом той же частоты, например, при измерениях угловых координат. Цель изобретения - повышение надежности работы, расширение диапазона частот и флуктуации измерительного сигнала. Устройство содержит формирователи 1 и 2 импульсов, элементы И 3 и 11, триггеры 4 и 9 уп равления, делители 5 и 12 частоты, , блоки 6-8 выделения временных сдвигов, счетчик 10 числа измерений, элементы ИЛИ 13 и 14, реверсивный счетчик 15 и генератор 16 квантующих импульсов. Цель достигается формированием(трех импульсных последовательностей из измерительного и опорного сигналов, дополнительным сдвигом измерительных импульсных последовательностей на период опорного сигнала, измерением временных г сдвигов между попарными опорной и измерительными импульсными последовательностями и накоплением результатов измерения всех трех каналов. 1 з.п. - ф-лы, 3 ил. (Л