Цифровой фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

О

ю ю

СлЭ

Ь

Изобретение относится к измерительной техника и может быть использовано для измерения среднего сдвига фаз между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами, например для определения угловых координат движущегося объекта. Упрощение конструкции фазометра и расширение частотного диапазона входных сигналов достигается тем. что в цифровом фазометре, содержащем первый 1 и второй 2 формирователи импульсов, входы которых являются соответственно опорным и измерительным входами фазометра, а их выходы соединены соответственно с входами первого 4 и второго 5 делителей частоты на два, R-входы которых соединены между собой, а их выходы соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, содержащем также первый 8 и второй 9 элементы И, формирователь 11 коротких импульсов и последовательно соединенные генератор 3 импульсов эталонной частоты, трехвходо- вый элемент И 7 и регистрирующий ревер-

Фиг.7

сивный сметчик 12, управляющий вход которого соединен с выходом триггера 10 выделения знака, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ б соединен с вторым входом трехвходового элемента И 7 и с первыми входами первого 8 и второго 9 элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого 1 и второго 2 формирователей импульсов, а выходы соИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в информационно-вычислительных системах для измерения среднего значения фазовых сдвигов.

Известен цифровой фазометр среднего значения, содержащий два триггера, элемент ИЛИ, два элемента И и реверсивный счетчик.

Недостатком известного фазометра является неустойчивая работа при совпадении входных импульсов, так как в этом случае RS-триггер работает в запрещенном режиме и после окончания действия импульсов может остаться в произвольном состоянии и результат измерений будет недостоверным.

Наиболее близким к предлагаемоу является фазометр, содержащий формирователи импульсов, входы которых подключены соответственно к опорному и измерительному входам фазометра, а их выходы соединены с входами соответственно первого и второго делителей частоты на два, выходы которых соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. выход которого соединен с входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов эталонной частоты, первый и второй триггеры выделения знака, третий триггер выделения знака, выход которого соединен с управляющим входом реверсивного счетчика, счетчик импульсов, вычитающий счетчик, три элемента ИЛИ, третий и четвертый формирователи импульсов, триггер, три элемента И и блок отсчета измерений,

В данном устройстве производится анализ длительности первого после сигнала Луск временного интервала, если временной интервал больше половины периода следования опорного сигнала, осуществляется обнуление ряда функциональных : узлов, необходимое для того, чтобы длительность всех последующих интервалов не превышала величины половины пеответственно с S- и R-входами триггера 10 выделения знака, вход формирователя 11 коротких импульсов соединен с входом задания калиброванного временного интервала фазометра и с третьим входом трехвходового элемента И, а выход формирователя 11 коротких импульсов соединен с R-входами второго делителя 5 частоты и реверсивного счетчика 12. 2 ил.

риода. При таком принципе измерений частотный диапазон входных сигналов резко ограничен, так как емкость счетчика импульсов подбирается по величине периода опорного сигнала, а флюктуация измерительного сигнала не должна превышать ±90°.

Кроме того, в фазометре, с целью повышения точности измерений при разности фаз вблизи О или 2п, предусматривается блокирование измерений при пропадании одного из импульсов входных сигналов, что имеет место при флюктуации входного сигнала вблизи нулевой фазы. Введение дополнительных функциональных узлов, обеспечивающих исключение ложных отсчетов при пропадании импульсов, значительно усложнило устройство и снизило надежностьего работы.

Целью изобретения является упрощение конструкции фазометра и расширение частотного диапазона входных сигналов.

Указанная цель достигается тем. что в известном цифровом фазометре, содержащем первый и второй формирователи импульсов, входы которых являются соответственно опорным и измерительным входами фазометра, а их выходы соединены соответственное входами первого и второго делителей частоты на два R-входы которых соединены между собой, а их выходы соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, содержащем также первый и второй элементы И формирователь коротких импульсов и последовательно соединенные генератор импульсов эталонной частоты, трехвходовый элемент И и регистрирующий реверсивный счетчик, управляющий вход которого соединен с выходом триггера выделения знака, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом трехвходового элемента И и с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходом первого и второго формирователей импульсов, а выходы соответственно с S- и R-входами триггера выделения знака, вход формирователя коротких импульсов соединен с входом калиброванного временного интервала фазометра и с третьим входом трехвходового элемента И, а выход формирователя коротких импульсов соединен с R-входами второго делителя частоты и реверсивного счетчика.

Обеспечение измерения средних значений фазовых сдвигов в широком диапазоне частот при флюктуирующем измерительном сигнале с помощью аналогичных технических средств не обнаружено в известных цифровых фазометрах.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого фазометра; на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Устройство содержит первый формирователь 1 импульсов, второй формирователь 2 импульсов, генератор 3 импульсов эталонной частоты, первый делитель 4 частоты на два, второй делитель 5 частоты на два, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, трехвходовый элемент И 7, первый и второй элементы И 8 и 9, триггер 10 выделения знака, формирователь 11 коротких импульсов, регистрирующий реверсивный счетчик 12 импульсов.

Вход первого формирователя 1 импульсов соединен с опорным входом фазометра, а вход формирователя 2 импульсов соединен с измерительным входом фазометра, выход первого формирователя 1 импульсов соединен с входом первого делителя 4 частоты на два, выход второго формирователя 2 импульсов соединен с входом второго делителя 5 частоты на два. Выходы первого и второго делителей 4 и 5 частоты на два соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И 8 и 9 и с вторым .входом трехвходового элемента И 7, первый вход которого соединен с выходом генератора 3 импульсов эталонной частоты. Вторые входы первого и второго элементов И 8 и 9 соединены с выходами соответственно первого и второго формирователей 1 и 2 импульсов. Выход трехвходового элемента И 7 соединен с входом регистрирующего реверсивного счетчика 12 импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом триггера 10 выделения знака, S-вход которого соединен с выходом первого элемента И 8, а его Rвход соединен с выходом второго элемента И 9. R-входы первого и второго делителей 4 и 5 частоты и регистрирующего реверсивного счетчика 12 импульсов соединены с выходом формирователя 11 коротких импульсов, вход которого соединен с третьим входом трехвходового элемента И 7 и с входом калиброваннрго временного интервала фазометра.

На фиг.2 приняты следующие обозначения: а - импульсы на выходе первого формирователя 1 импульсов: б - импульсы на выходе второго формирователя 2 импульсов, распределение по времени которых отражает наличие флюктуации фазы и отображены ситуации, когда имеет место пропадание измерительного или опорного импульсов: в - сигнал на выходе первого

5 делителя 4 частоты на два: г - сигнал на выходе второго делителя 5 частоты на два; д- сигнал на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6: е - сигнал на выходе триггера 10 выделения знака: ж - потенциал

0 калиброванного временного интервала на входе фазометра.

Устройство работает следующим образом.

Фронтом перепада (фиг.2 ж) калиброванного временного интервала, поступающего на вход фазометра, запускается формирователь 11 коротких импульсов и на его выходе образуется короткий импульс напряжения, который обнуляет делителя 4 и 5

0 частоты на два и регистрирующий реверсивный счетчик 12 импульсов, устанавливая их в.исходное состояние. Входные сигналы Ui и Uz поступают на формирователи 1 и 2 импульсов, которые в моменты времени, соответствующие переходу указанных сигналов через нулевое значение в определенном направлении, например из отрицательной области в положительную, формируют импульсы (фиг.2а, б, где для наглядности изложения все импульсы пронумерованы), которые поступают на входы соответственно первого и второго делителей 4 и 5 частоты на два. На выходе этих делителей частоты формируются перепады напряжения (фиг.2

5 в, г) длительностью, равной периоду входного сигнала, которые поступают на входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6. при этом напряжения противоположного значения, т.е. напряжение логического нуля на выходе

0 одного делителя и напряжение логической единицы на выходе другого делителя частоты, формируются только в интервалах времени, пропорциональных разности фаз Между входными сигналами.

5 На выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ появляется сигнал (фиг.2д) логической единицы, если на одном из входов имеется сигнал логического нуля, а на другом входе - сигнал логической единицы, а при наличии на двух входах одинаковых сигналов элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ б вырабатывает сигнал логического нуля.

Таким образом, на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 формируются положительные импульсы напряжения длительностью, пропорциональной разности фаз между входными сигналами.

Для определения знака разности фаз импульсы с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 поступают на первые входы элементов И 8 и 9, на вторы,е входы которых поступают импульсы с выходов соответственно первого и второго формирователей А и 5 импульсов.

При совпадении импульсов на входах элемента И 8 на его выходе формируется импульсный сигнал напряжения с уровнем логического нуля, который поступает на Sвход триггера 10 выделения знака и устанавливает его в единичное состояние.

Аналогично при совпадении импульсов на входах элемента И 9 на его выходе формируется импульсный сигнал, который устанавливает триггер 10 выделения знака в нулевое состояние.

Выходной сигнал триггера 10 выделения знака управляет режимом работы регистрирующего реверсивного счетчика 12, при этом сигнал с уровнем логической единицы устанавливает в счетчике режим суммирования, а сигнал с уровнем логического нуля - режим вычитания.

Для формирования пакетов импульсов эталонной частоты, пропорциональных разности фаз, сигнал с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЕЕ ИЛИ поступает на второй вход трехвходового элемента И 7, на другие входы которого поступают импульсы с выхода генератора 3 эталонной частоты и разрешающий потенциал калиброванного интервала времени.

В результате на выходе элемента И 7 формируются .пакеты положительных импульсов эталонной частоты в пределах калиброваиного временного интервала, которые поступают на счетный вход регистрирующего реверсивного счетчика 12 импульсов.

Совпадение импульсов на входе элемента И 8 происходит в том случае, когда опорнь)й импульс с выхода формирователя 1 опережает измерительный импульс, сформированный формирователем 2 (момент ti, где импульс 1 опережает импульс 1)Аналогично сигнал на выходе элемента И 9 формируется при опережении измерительного импульса (момент t2, где импульс 3 опережает импульс 3 опорного сигнала).

Таким образом, на выходе триггера 10 выделения знака формируются напряжения с уровнем логической единицы при запаздывании измерительного сигнала и с уровнем логического нуля при его опережении. При пропадании импульсов, т.е. когда в периоде входного сигнала отсутствуют импульсы другого сигнала, например между импульсами 3 и 4 (фиг.2а} или между импульсами 5 и б (фиг.2б) в предлагаемом устройстве не происходит потери информации, так как в этом случае измеряются временные интервалы между импульсами 3 и 3, 4 и 4, 5 и 5, 6 и б (фиг.2д) с соответствующим

знаком разности фаз.

Число импульсов, накопленных в регистрирующем реверсивном счетчике 12 импульсов за время измерений, отнесенное к числу измерений, будет пропорционально

среднему сдвигу фаз между входными сигналами.

Таким образом, за счет введения новых связей и исключения частотно-зависимых функциональных узлов (узел анализа длительности первого временного интервала) предлагаемый фазометр обеспечивает ту же точность измерения, что и в известном фазомбтре, при одновременном упрощении конструкции фазометра и расширении его

частотного диапазона. В известном фазометре счетчик числа импульсов настроен на частоту опорного сигнала, так как его емкость выбирается такой величины, чтобы импульс переполнения формировался через

1/2 периода опорного сигнала, а ограничение измеряемой фазы до 180° сужает пределы флюктуации до ±90°.

В предлагаемом фазометре фаза измерительного сигнала может изменяться в

пределах периода, вследствие чего допустимый диапазон флюктуации измерительного сигнала равен ±180.

Устройство может быть реализовано на типовых микросхемах, например на микросхемах серий 133 и 533;формирователи 1 и 2 - микросхеме 533 ТЛ2; генератор 3 импульсов на микросхеме 133 ЛА7 с кварцевым резонатором: делители 4 и 5 частоты на два - на микросхеме 533ТМ2; элемент

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ б - на микросхеме 533ЛП5; элемент И 7 - на микросхеме 533ЛА4; элементы И 8 и 9 - на микросхеме 533ЛАЗ; триггер tX) выделения знака - на микросхеме 533ТМ2; формирователь 11 коротких импульсов - на микросхеме 533АГЗ; реверсивный счетчик 12 импульсов - на микросхеме 133ИЕ7.

Использование предлагаемого цифрового фазометра позволяет с помощью про