Цифровой фазометр среднего сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радионавигационных системах для измерения среднего значения фазы между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом, в частности при угловых измерениях положения движущегося объекта.

Различие частот между опорными и у,змерительным сигналами может быть обусловлено, например, наличием частотного допплеровского сдвига, величина которого в пределах мерного интервала известна и изменяется мало.

Известно устройство, позволяющее измерять оптимальный сдвиг фаз между опорным флуктуирующим измерительным сигналом с частотным сдвигом. В этом устройстве с помощью сложных арифметических узлов производится раздельная обработка опорного измерительного сигнала, а результаты измерений обрабатываются по сложному алгоритму вычислений.

Известен преобразователь фаза-код, содержащий два усилителя ограничителя, два переключателя, два формирователя импульсов, триггер преобразования разности фаз в интервал времени, семь элементов И, три элемента задержки, три элемента ИЛИ, три триггера, времязадающий блок м генератор импульсов.

8 этом устройст;ае разность фаз выходных сигналов преобразуется Е интервал времени, который квантуется по времени м формируется в код счетчиком импульсов, при этом число импульсов, поступающих на вход счетчика, пропорционально фазе A -i-360

Данное устройство обеспечивает измерение сдвига фаз между сигналами одной частоты при флуктуациях фазы s пределах ±180°.

Однако это устройство не может работать с входными измерительными сигнзлами, имеющими сдвиг по частоте, так как в этом случае дополнительный сдвиг фазы между ними за мерный интервал времени может превысить несколько перг-одоа опорного сигнала, что не предусмотрена в Ё звестном устройстве.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее первый и второй формирователи импульсов, первый ii второй триггер, первый и второй злементы И, элемент ИЛИ и реверсивный счетчик б4мпульСО8. входы которого сое,дииены с выходами элементов И, причем первые входы п-осяедних соединены соотеэтственно с инверсным и прямым выходами первого триггера, вторые входы элементов И соединены с клеммой калиброванного временного интервала, а третьи - с клеммой генератора

счетных импульсов, при этом выход первого формирователя импульсов соединен с первым входом первого триггера, входы элемента ИЛИ соединены с выходом первого и второго формирователей импульсов, а его

0 выход - с входом второго триггера, выход которого соединен с четвертыми входами обоих элементов И, при этом выход второго формирователя импульсов соединен с вторым входом ервого триггера.

5 В данном устройстве за счет усреднения результатов измерений повышается точность измерения фазового сдвига при флуктуациях фазы вблизи нулевого фазового сдвига, но как и во втором аналоге, не

0 обеспечиваетсяизмерение сдвига фаз при наличии частотного сдвига в измерительном сигнале.

Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения измерения среднего значения сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом У: расширение диапазона измеренных фазовых сдвигов.

Указанная цель достигается тем, что в

0 цифровой фазометр, содержащий первый и второй формирователи импульсов входных С5 гналов, элемент ИЛИ, первый и второй триггеры, первый и второй элементы И и реверсивный счетчик импульсов, входы которого соединены с выходами элементов И, причем первые входы последних соединены соответственно с инверсным и прямым выходами первого триггера, второй вход первого элемента И соединен с прямым

0 выходом второго триггера, а третьи входы элементов И соединены с клеммой генератора эталонного сигнала, введены третий и четвертый триггеры, третий и четвертый злементы И, два делителя частоты (2П+1)

5 входных сигналов, где П 1,2,3- число

периодов сдвига между опорным и измерительным сигналами поделенной частоты, и счетчик числа усреднений, при этом выход первого формирователя импульсов соеди0 йен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом делителя частоты опорного сигнала, первый выход которого соединен с нулевым установленным входом первого триггера и с

5 единичным установочным входом четвертого триггера, выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с выходом второго форм роватэля импульсов, а его выход соединен со счетным входом делителя частоты

измерительного сигнала, выход которого соединен с нулевым установочным входом второго триггера, единичный установочный вход которого соединен с единичным установочным входом первого триггера и с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с вторым выходом делителя частоты опорного сигнала и с входом счетчика числа усреднений, выход которого соединен с нулевыми установочными входами третьего и четвертого триггеров, а второй вход элемента ИЛИ соединен со сбросовыми входами делителя частоты опорного сигнала, реверсивного счетчика импульсов, счетчика числа усреднений, с единичными установочными входами всех разрядов делителя частоты измерительного сигнала и с клеммой сигнала Пуск.

На фиг,1 представлена структурная схема устройства; на фиг,2 - временные диаграммы работы устройства.

Цифровой фазометр среднего сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом содержит первый и второй формирователи 1 и 2 и пульсов, элемент ИЛИ 3, первый и второй триггеры 4 и 5 первый и второй элементы 1/1 6 и 7, реверсивный счетчик 8 импульсов, входы которого соединены с выходами первого и второго элементов И б и 7, причем первые входы последних соединены соответственно с инверсным и прямым выходами первого триггера 4, второй вход первого элемента И 6 соединен с прямым выходом второго триггера 5, а третьи входы элементов И 6 и 7 соединены с клеммой генератора эталонного сигнала, третий и четвертый триггеры 9 и 10, третий и четвертый элементы И 11 и 12, делитель 13 частоты опорного сигнала, делитель 14 частоты измерительного сигнала и счетчик 15 числа усреднений, при этом выход первого формирователя 1 импульсов соединен с первым входом третьего элемента И 11, выход которого соединен со счетным входом делителя 13 частоты опорного сигнала, первый выход которого соединен с нулевым установочным входом первого триггера 4 и с единичным установочным входом четвертого триггера 10, выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И 12, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя 2 импульсов, а его выход соединен со счетным входом делителя 14 частоты измерительного сигнала, выход которого соединен с нулевым установочным входом второго триггера 5, единичный установочный вход которого соединен с единичным установочным входом первого триггера 4 и с выходом элемента ИЛИ 3, первый вход которого соединен с вторым выходом делителя 13 частоты опорного сигнала и с входом счетчика 15 числа усреднений, выход которого соединен с нулевыми установочными входами третьего и четвертого триггеров 9 и 10. Второй вход элемента ИЛИ 3 соединен со сбросовыми входами делителя 13 частоты опорного сигнала, реверсивного счетчика 8 импульсов,

0 счетчика 15 числа усреднений, а также с единичным установочным входом третьего триггера 9 и с единичными установочными входами всех разрядов делителя 14 частоты измерительного сигнала и с клеммой сигна5 ,

Устройство работает следующим обра зом.

Входной опорный сигнал с помощью первого формирователя 1 импульсов, тр.еть0 его элемента И 11 и делителя 13 частоты опорного сигнала преобразуется в импульсную последовательность поделенной в (2П+1) раза частоты, где П - число периодов сдвига между опорным и измерительным

5 сигналами поделенной частоты. Аналогично измерительный входной сигнал с помощью второго формирователя 2 импульсов, четвертого элемента И 12 и делителя 14 частоты преобразуется в импульсную последовательность также поделенной в (2П+1) раза частоту, но со сдвигом на П периодов входного опорного сигнала относительно импульсной последовательности опорного сигнала поделенной частоты.

5 В течение мерного интервала времени, кратного (2П+1) периодам опорного сигнала, формируемого счетчиком 15 числа усреднений, производится формирование временных интервалов сдвига между импульсами опорного и измерительного сигналов поделенной в (2П+1) раза частоты, вычитание из каждого сформированного временного интервала сдвига эталонного временного интервала, равного П периодам

5 входного опорного сигнала, и квантование полученных разностных временных интервалов сигналом эталонной частоты.

Процесс измерений среднего сдвига фаз начинается с приходом сигнала Пуск

0 (фиг.2а), устанавливающего устройство в исходное состояние, при котором делитель 13 частоты, счетчик 15 числа усреднений и реверсивный счетчик 8 импульсов устанавливаются в нулевое состояние, а делитель 14

5 частоты измерительного сигнала и третий триггер 9 устанавливаются в единичное состояние. Кроме этого сигнал Пуск, пройдя через элемент ИЛИ 3, устанавливает первый и второй триггеры 4 и 5 в единичное состояние, формируя на их выходах начало

соответственно вычитающего и измерительного временных интервалов (фиг. 2е, и, момент ti).

После этого через открытый третий элемент И 11 на счетный вход делителя 13 частоты опорного сигнала поступают опорные импульсы с выхода первого формирователя t импульсов (фиг.2б) и после подсчета П импульсов на его первом выходе сформируется импульс (фиг.2г), который устанавливает первый триггер 4 в нулевое состояние, формируя на его выходе конец вычитающего временного интервала (фиг,2е, моментti), и в единичное состояние четвертый триггер 10. который открывает четвертый элемент И 12 прохождения через него измерительных импульсов (фиг,2ж), сформированных вторым формирователем 2 импульсов.

Первый измерительный импульс (фиг.2з) с выхода элемента И 12 после сквозного прохода через делитель 14 частоты измерительного сигнала устанавливает второй триггер 5 в нулевое состояние, формируя на его выходе конец измерительного временного интервала (фиг.2и, момент t2).

После формирования вычитающего временного интервала с помощью первого и второго триггеров 4 и 5 и функционально связанных с ними первого и второго элементов И 6 и 7, формируется разностный вре менной интервал (фиг.2к,я), разный разности между измерительным и вычитающим временными интервалами, который квантуется по времени сигналом эталонной частоты, поступающим на третьи входы этих элементов И 6 и 7,

На первые два входа первого элемента И б поступают напряжения, сформированные на инверсном выходе первого триггера 4 и прямом выходе второго триггера 5 соответственно, а на первые два входа второго элемента И 7 поступают напряжения, сформированные на прямом выходе первого триггера 4 и инверсном выходе второго триггера 5.

При этом на выходах первого и второго элементов И 6 и 7 формируются пакеты импульсов эталонной частоты, пропорциональные величине разностных временных интервалов, причем на выходе первого элемента И 6 формируется пакет импульсов (фиг.2к) при положительном значении разностного временного интервала, т.е. когда измерительный импульс запаздывает относительно соответствующего ему опорного импульса, а на выходе второго элемента И 7 формируется пакет импульсов (фиг.2л) при опережении измерительного импульса.

Сформированные пакеты импульсов с выхода первого или второго элементов И 6 и 7 поступают соответственно на суммирующий или вычитающий входы реверсивного

счетчика 8 импульсов, в котором производится накаплиавние числа входных импульсов.

С приходом сигнала Пуск на выходе первого триггера 4 формируется вычитающий временной интервал, равный временному сдвигу между сигналом Пуск (фиг.2е. момент to) и первым опорным импульсом (момент ti). Аналогично формируется измерительный временной интервал между сигналом Пуск и первым измерительным импульсом (фиг.2и. момент ta).

Последующие формирования вычитающих и измерительных временных интервалов будут производиться через каждые

0 (2П+1) периодов опорного сигнала. При этом начало вычитающего временного интервала формируется в момент появления импульса на первом выходе делителя 13 частоты, а конец этого временного интервала формируется в момент появления импульса на втором выходе этого делителя частоты. Аналогично в момент появления импульса на первом выходе первого делителя 13 частоты формируется начало измеритель0 него временного интервала, конец которого формируется в момент появления импульса на выходе второго делителя 14 частоты.

После подсчета m импульсов опорного

5 сигналы поделенной в (2П+1) раза частоты на выходе счетчика 15 числа усреднений сформируется импульс (фиг.2м), который установит третий и четвертый триггеры 9 и 10 в нулевое состояние и запретит прохождение выходных импульсов первого и второго формирователей 1 и 2 импульсов через третий и четвертый элементы И 11 и 12 на входы первого и второго делителей 13 и 14 частоты. На этом цикл измерений прекращается

5 до следующего появления сигнала Пуск, период следования которого должен превышать т(2П+1) периодов опорного сигнала.

В результате, за мерный интервал времени в реверсивном счетчике 8 импульсов накопится число N. равное сумме двух слагаемых NI и N2. причем первое слагаемое NI пропорционально величине средней фазы, а второе слагаемое N2 - величине

5 дополнительного фазового сдвига, обусловленного наличием частотного сдвига между входными сигналами, который при постоянном частотном сдвиге, имеет постоянное значение и может быть определен из выражения (1) m ( m - 1 ) Ти-TO 2 m ( m - 1 ) C-frr)fofaV ) где m - число усреднений; К (2П+1) - коэффициент деления частоты; Ти, fn - период и частота измерительного сигнала; То, fo - период и частота опорного сигнала; Тэ, fa период и частота эталонного сигнала. Средний фазовый сдвиг определяется из выражения (2) где lit-T- - дискрет отсчета, еьфаженный в радианах. Предельно допустимый частотный сдвиг Д f зависит от числа усреднений m и интервала измерения и может быть определен из выражения (3) Л . о П . fo п . f о ,4-,(3) Af. и 2 П +1 К т К При этом интервал измерения должен превышать т (2П+.1) периодов опорного сигнала. Устройство может быть реализовано на типовых микросхемах например на микросхемах например на микросхемах серии 133,533: формирователи 1 и 2 импульсов на микросхеме 533ТЛ2; элемент ИЛИ 3 - на микросхеме 533ЛАЗ; триггеры 4, 5, 9 и 10 на микросхеме 533ТМ2; элементы 1/1 6, 7 и .11, 12 - на микросхеме 533ЛАЗ; реверсивный счетчик 8 - на микросхеме 133ИЕ7; делители 13 и 14 частоты - на микросхеме 133ИР1, используемый в режиме кольцевого сдвигового регистра; счетчик 15 числа усреднений - на микросхеме 133ИЕ7. Измерение среднего сдвига фаз между сигналами с частотным сдвигом яляется одной из основных операций в фазометрических системах при определении углового положения движущегося объекта. Предлагаемое устройство с помощью простых технических средств и операций позволяет производить измерение среднего сдвига фаз между сигналами с частотным сдвигом, обеспечивая при этом высокую точность и надежнос1ь измерений. Инструментальная погрешность устройства, определяемая соотношением частот опорного и зталонного сигналов, при применении современных высокочастотных элементов (микросхем) может составить пренебрежительно малую величину по сравнению с флуктуацион ной погрешностью, которая в предлагаемом устройстве за счет усреднения измерений уменьшается в Vm раз. Кроме этого, за счет исключения совпадения опорного и измерительного сигналов, устройство обеспечивает достоверность измерений при совпадении импульсов опорного и измерительного сигналов. Предлагаемое устройство можно использовать для визуального контроля среднего сдвига фаз. Для этого необходимо из содержимого а реверсивном счетчика 8 вычесть известное расчетное число Na м результат разделить на число усреднений. В этом случае сигналом Пуск в реверсивный счетчик 8 вводится дополнительное число, равное 2-1-N2, где Р - число разрядов реверсивного счетчика, а для обеспечения простого процесса деления число усреднений выбирается равным 2 , где М - целое число и результат измерения снимается, начиная с (М+1}-го разряда реверсивного счетчика. Формула изобретения Цифровой фазометр среднего сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом, содержащий первый и второй формирователи импульсов, элемент ИЛИ, первый и второй триггеры, первый и второй элементы И и реверсивный счетчик импульсов, входы которого соединены соответственно с выходами элементов И, причем первые входы последних соединены соответственно с инверсным и прямым выходами первого триггера, второй вход первого элемента И соединен с прямым выходом второго триггера, а третий вход первого элемента И и второй вход второго элемента И соединены с клеммой генератора эталонного сигнала, при этом входы первого и второго формирователей импульсов соединены с клеммами соответственно опорного и измерительного входных сигналов, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения измерения среднего значения сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом и расширения диапазона измеряемых фазовых сдвигов, в него введены третий и четвертый триггеры, третий и четвертый элементы И, два делителя частоты (2П+1), где П 1,2,3 - число периодов сдвига между опорным и измерительным сигналами поделенной частоты, и счетчик числа усреднений, при этом третий вход второго элемента И соединен с инверсным выходом второго триггера, выход первого формирователя импульсов соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого делителя частоты, первый выход которого соединен С нулевым установочным входом первого триггера и с единичным установочным входом четвертого триггера, выход которого соединен с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, а его выход соединен со счетным входом второго делителя частоты, выход которого соединен с нулевым установочным входом второго триггера, единичный установочный вход которого соединен с единичным установочным входом первого триггера и с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с вторым выходом первого делителя частоты и с входом счетчика числа

усреднений, выход которого соединен с нулевыми установочными входами третьего и четвертого триггеров, а второй вход элемента ИЛИ соединен с входами сброса первого

делителя частоты сигнала, реверсивного счетчика импульсов, счетчика числа усреднений, с единичным установочным входом третьего триггера, с единичными установочными входами всех разрядов второго делителя частоты и с клеммой сигнала Пуск, при этом второй вход третьего элемента И соединен с выходом третьего триггера.

Изобретение может быть использовано в радионавигационных системах для измерения средней фазы между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом, в частности при измерениях угловых положений объекта. Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения измерения среднего значения сдвига фаз между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом и расширения диапазона измеряемых фазовых сдвигов. Цифровой фазометр содержит формирователи 1 и 2, элемент ИЛИ 3. триггеры 4,5.9 и 10, элементы И 6.7.11 и 12, реверсивный счетчик 8, делители 14 и 13 частоты и счетчик 15 числа усреднений. 2 ил.VIОю toGJ Сл>&

Фаг. 2