Фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к электро-ра- диоизмерител ьной технике и может быть ис- пользовано при разработке цифровых фазометрических устройств.

Известен фазометр, содержащий два стробоскопических преобразователя, соединенных с низкочастотным измерителем разности фаз, последовательно соединенных цифрового измерителя частоты, вычислительного блока и запоминающего блока, последовательно соединенных генератора стробимпульсов и делителя частоты с переменным коэффициентом деления, соединенного со стробоскопическими преобразователями и вычислительным блоком, выход которого соединен с низкочастотным измерителем разности фаз. Недостатком данного фазометра является недостаточная точность измерения в автоматизированном режиме при работе в широком динамическом диапазоне входных сигналов.

Цель изобретения - повышение точности измерения в автоматизированном режиме при работе в широком динамическом диапазоне входных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в фазометр, состоящий из двух стробоскопических преобразователей, соединенных с низкочастотным измерителем разности фаз, последовательно соединенных цифрового измерителя частоты, вычислительного блока и запоминающего блока, последовательно соединенных генератора стробимпульсов и делителя частоты с переменным коэффициентом деления, соединенного со стробоскопическими преобразователями и вычислительным блоком, выход которого соединен с низкочастотным измерителем разности фаз, дополнительно введены блок поправок, а в каждый канал последовательно соединенные коммутатор и аттенюатор, выход которого соединен со стробоскопическим преобразователем соответствующего канала, входы управления коммутаторов и аттенюаторов соединены с вычислительным блоком, входы и выход которого соединены с блоком поправок и низкочастотным измерителем разности фаз, вход которого соединен с генератором стро- бимпульсов, оба входа фазометра соединены с входами коммутаторов обоих каналов. Введение дополнительных блоков с указанными связями позволяет повысить точность измерения сдвига фаз в автоматизированном режиме при изменении уровней вход- ных сигналов фазометра в широких пределах. Повышение точности достигается за счет измерения фазовых погрешностей стробоскопических преобразователей при изменении уровней их входных сигналов и аттенюаторов, а затем автоматического исключения данных погрешностей из ре- зальтата измерения сдвига фаз в низкочастотном измерителе.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого фазометра; на фиг. 2 - вариант реализации низкочастотного измерителя разности фаз; на фиг. 3, 4 - вариант вычислительного блока и блок-схема алгоритма его работы.

Фазометр содержит последовательно соединенные коммутатор 1, аттенюатор 2 и стробоскопический преобразователь 3, последовательно соединенные коммутатор 4, аттенюатор 5 и стробоскопический преобразователь 6, генератор импульсов 7, соединенный через делитель 8 частоты с переменным коэффициентом деления с входами стробоскопических преобразователей 3 и 6, выходы которых соединены с низкочастотным измерителем разности фаз 9, цифровой измеритель 10 частоты, вход которого соединен с входом стробоскопического преобразователя 6, а выход-с вычислительным блоком 11, входы и выходы вычислительного блока 11 соединены с блоком поправок 12, запоминающим блоком 13, коммутаторами 1 и 2, аттенюаторами 3 и 4, делителем частоты 8 с переменным коэффициентом деления и низкочастотным измерителем разности фаз 9 соединеным с генератором стробимпульсов 7.

Фазометр работает следующим образом.

Напряжения, сдвиг фаз между которыми необходимо измерить, поступают через коммутаторы 1 и 4, аттенюаторы 2 и 5 на первые входы стробоскопических преобразователей 3 и 6. На вторые входы их поступают короткие стробимпульсы частоты тстр с выходов делителя 8 частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), вход которого подключен к генератору 7 стробимпульсов. Коэффициент деления ДПКД 8 Kfl fr/fcTp, определяющий частотустробиро- вания, находится из условия наименьшего

отклонения преобразованной частоты РПр от ее некоторого среднего значения. Значение преобразованной частоты находится как (nfr)/Kfl при преобразовании на нижней боковой частоте, Fnp(rifY)/KA-fc при преобразовании на верхней боковой частоте, где п - номер гармоники частоты fcrp, на которой имеет место преобразование; f - частота генератора 7 стробимпульсов; fc 0 частота сигнала. Использование обоих боковых частот позволяет уменьшить амплитудную составляющую погрешности фазометра при изменении уровней его входных сигналов в широких пределах. Для

5 условия (nfr) на преобразованной частоте Fnp знак измеренного сдвига фаз входных сигналов фазометра меняется на обратный по сравнению с измеренным сдвигом фаз при условии (nfr).

0 Указанные режимы и условия выбора коэффициента деления ДПКД 8 определяют алгоритм работы вычислительного блока 11. При этом значения частоты сигнала находятся с помощью цифрового измерителя 10

5 частоты, а программа вычислений и значения Рпрмин, Рпрмакс хранятся в запоминающем блоке 13. Для ускорения поиска необходимых коэффициентов деления ДПКД 8, обеспечивающих минимальное от0 клонение преобразованной частоты относительно номинальной, их значения для определенных поддиапазонов частоты сигнала могут быть вычислены предварительно и записаны в запоминающем блоке 13,

5 Функции вычислительного блока 11 в этом случае сводятся к слежению за частотой сигнала, принятию решения о необходимости изменения Кд, выборке его значения из запоминающего блока 13 и занесения в ДПКД

0 8. Сигналы преобразованной частоты РПр с выходов стробопреобразователей 3 и 6 поступают на входы низкочастотного измерителя 9 разности фаз. Измеряемый им фазовый сдвиг соответствует фазовому

5 сдвигу между сигналами, действующими на входе фазометра. Работа вычислительного блока 11 и цифрового измерителя 10 частоты синхронизируется с работой низкочастотного измерителя 9 разности фаз. При

0 этом фазометр имеет два режима: режим калибровки и рабочий режим. В режиме калибровки осуществляется измерение амплитудной составляющей погрешности в каждом канале фазометра и определение

5 фазовых погрешностей аттенюаторов 2, 5 для данной частоты входного сигнала фазометра. При этом время измерения разбивается на два цикла; для заданного ослабления входного сигнала (например, в первом канале) и для первого цикла измерения определяется в вычислительном блоке 11 значение коэффициента деления делителя частоты 8, исходя из условия nfr/KA fc. Результат измерения сдвига фаз в блоке 9 за первый цикл измерения можно представить в виде

+№11

(D

где дош, - сдвиги фаз, вносимые в первом канале аттенюатором 2 и стробоскопическим преобразователем 3 соответственно в первой точке ослабления аттенюатора 2.

Для второго цикла измерения фазометра коэффициент деления делителя частоты 8 определяется в вычислительном блоке 11, исходя из условия nfi7Kfl fc, тогда результат измерения сдвига фаз в блоке 9 определяется формулой

р ,

(2)

где (рт сдвиг фаз, возникающий в узлах фазометра при перестройке ДПКД 8 для обеспечения работы на верхней, и нижней боковых частотах.

Значение сдвига фаз рг определяется автоматически путем подключения входов стробоскопических преобразователей 3 и 6 одному из входов фазометра с помощью коммутаторов 1 и 4, измерения сдвига фаз при нулевых ослаблениях аттенюаторов 2 и 5 в течение двух циклов при условиях nfr/KA fc и nfi7KA fc. При этом значение амплитудной составляющей погрешности фазометра определяется в вычислительном блоке 11 по формуле

.«ll+ribfi:

(3)

Для второй точки ослабления аттенюатора 2 и измерений фазовых сдвигов при условиях nfr/KA fc и nfr/Kfl fc в вычислительном блоке 11 получают значение амплитудной составляющей погрешности фазометра в виде

+ рс12, Р12 + - рМ2 + фсП + (fk,

уЬ+pfe-yv

(4)

ляющих погрешности фазометра в первом канале для заданной рабочей частоты устройства заносятся из вычислительного блока 11 в блок поправок 12. Описанные

операции выполняются для всего динамического диапазона входных сигналов второго канала фазометра путем изменения ослаблений, вносимых дискретным аттенюатором 5 от нуля до максимального значения.

Полученные при этом значения амплитудных составляющих погрешностей фазометра для второго канала (рс2, рс22, ..., рс2п) заносятся из вычислительного блока 11 и заполняются в блоке поправок 12.

Описанный режим калибровки может

выполняться перед началом работы фазометра, а также повторяться автоматически с заданным циклом, такая калибровка обеспечивает автоматическое измерение фазовых сдвигов аттенюаторов 2 и 5. а также амплитудных составляющих погрешностей фазометра на рабочей частоте устройства. Данные величины запоминаются в блоке поправок 12 и в дальнейшем используются для

коррекции значений сдвига фаз, измеренных фазометром в рабочем режиме при известной частоте и измеренных амплитудах входных сигналов фазометра.

При этом в АЦП 14, 15 осуществляется преобразование входных сигналов в цифровые коды. Перемножение кодов значений измеряемого сигнала на синусные и косинусные значения кодов опорного сигнала,

хранящиеся в блоке 17 и суммирование результатов перемножения производится блоками 18-21 соответственно. Результаты вычисления заносятся в регистры 22-25. По окончанию измерительного цикла устройства по сигналам управления от блока 26 в вычислительный блок 11 в соответствии с блок-схемой алгоритма его работы (см. фиг. 4) считывается измерительная информация последовательно с регистров 22-25 (Ki, Кз).

Перемножители 18-21 затем устанавливаются в исходное (нулевое) состояние сигналом от блока 26, а цикл измерения повторяется. Вычислительный блок 9 вычисляет функцию арктангенса отношения измеренных величин, т.е.

р arctg -р (5)р2. arctg - (б) К2К2

Изобретение относится к электро- и радиоизмерительной технике и может быть использовано при разработке цифровых фазо- метрических устройств. Цель изобретения - повышение точности измерения в широком динамическом диапазоне входных сигналов, что достигается путем введения блока 12 поправок в каждом канале, последовательно соединенных коммутатором 1 и 4 и аттенюаторов 2 и 5, а также новыми функциональными связями. Изобретение позволяет в режиме калибровки фазометра определять фазовые сдвиги в преобразователях для данной входной частоты фазометра во всем динамическом диапазоне входных сигналов устройства. 4 ил.

Аналогичным образом определяются амплитудные составляющие погрешности фазометра в 3,4 раза и т.д. до п точках ослабления аттенюатора 2 ($Рс13, ,..., еш)- Полученные значения амплитудных состав

и определяет фазовый сдвиг входных сигналов p .

Кроме измеренного фазового сдвига, в вычислительном блоке 11 вычисляется также уровень входного сигнала в первом и

втором каналах в соответствии с блок-схемой алгоритма (см. фиг. 4) по формулам

Ci- V(K i)2+(K|)2,

с2 (.

(7)

где Ki , K21 - коды чисел, накопленные, например в блоках 18, 19, соответственно.

Результат измерения фазового сдвига входных сигналов фазометра вычисляется с учетом амплитудных составляющих погрешностей при измеренных уровнях входных сигналов по формуле

()-()) (8)

где , рс2$ -амплитудныесоставляющие погрешностей в первом и втором каналах фазометра при i-м и j-м уровнях входных сигналов устройства, хранящиеся в блоке поправок 12.

Коды отсчетов , Ci, €2 выдаются из вычислительного блока 11 на индикацию по окончанию измерительного цикла устройства. Блок синхронизации 16 обеспечивает синхронизацию работы блоков 14, 15, 17 по времени. Кроме описанной схемы, измеритель разности фаз может быть реализован по иной схеме.

Вычислительный блок 11 может быть реализован как на элементах жесткой (непрограммируемой) логики, так и на основе микропроцессора по типовой структуре. Структурная схема варианта вычислительного блока 11 приведена на фиг. 3. Дешифратор 30 обеспечивает выбор постоянного 28 или оперативного 29 запоминающих элементов, в которых хранятся программы, константы или текущая информация соответственно. Микропроцессорный модуль 27 выполняет обработку и обмен информацией в соответствии с блок-схемой фиг. 4 и связан с блоками 28-30 шиной адреса (ША) и информационной шиной данных (ШД), может иметь управляющие выходы с сигналами Чтение и Запись для управления постоянным 28 и оперативным 29 запоминающими элементами соответственно Вывод (например, для вывода информации по шине ШД в индикаторным блок 30), вход Запрос прерывания (для ввода информации в вычислительный блок 11).

Сигналы обращения (вывода) со стороны вычислительного блока 11 к внешним блокам формируются путем дешифрования кода адреса соответствующего регистра в дешифраторе 31 и конъюкции его выходных сигналов с сигналом Вывод в элементах И

39-45. По выходным сигналам элементов И 39-45 производится запись информации на микропроцессорного модуля 27 в регистры 32-38. При реализации вычислительного

блока 11 на базе микропроцессора К 580 микропроцессорный модуль 27 состоит из трех БИС - центрального процессора К 580 ИК 80, системного контроллера К 580 ВК 28, тактового генератора К 580 ГФ 24. Регистры

0 22-25 могут быть выполнены, например, на микросхемах К 155 ИР 15, К 555 ИР 22,К 555 ИР 23 с тремя состояниями на выходе, что легко обеспечивает режим обмена информацией с вычислительным блоком 11.

5 Формирователь импульсов 26 выполняет функции формирования управляющих сигналов, необходимых для организации обмена информацией мехсду перемножителями 18-21, регистрами 22-25, вычисли0 тельным блоком 11. Блок поправок 12 и запоминающий блок 13 реализуются аналогично блоку 29. Коммутаторы 1, 4 могут быть выполнены, например, на pin - диодах или микросхемах КР590КНЧ. Таким образом,

5 благодаря новым элементам и связям достигается повышение точности предлагаемого фазометра за счет исключения фазовых сдвигов, вносимых узлами преобразования (блоки 3, 6) при изменении в широких

0 пределах уровней входных сигналов, обеспечивается работа стробоскопических преобразователей в режиме малых изменений уровней входных сигналов. В прототипе фазовые сдвиги, вносимые узлами и преобра5 зованные при изменении уровней входных сигналов, не учитываются в результате измерений и проявляются в фазометре в виде фазовой погрешности. Известно, что узлы преобразователей при изменении уровней

0 входных сигналов вносят значительные по величине фазовые сдвиги. Это показывает, что фазовые сдвиги, вносимые преобразователями частоты при изменении уровней входных сигналов в 3-5 раз, достигают еди5 ниц градусов и сильно зависят от частотного дипазона работы устройства (частотных свойств транзисторов).

В предлагаемом устройстве для изменения уровней входных сигналов, поступаю0 ЩИУ на вход, включается дискретный управляемый аттенюатор. При этом аттенюатор вносит фазовые сдвиги величиной единицы градусов на частоте единицы гигогерц при ослаблении сигнала 40-60 дб, а с пони5 жением рабочей частоты вносимые на фазо- вые сдвиги сигналы уменьшаются. Описанные элементы и связи позволяют в режиме калибровки фазометра определить фазовые сдвиги в преобразователях для данной входной частоты фазометра во всем

динамическом диапазоне входных сигналов фазометра. В предлагаемом фазометре повышается точность измерения фазовых сдвигов по сравнению с прототипом за счет автоматического учета фазовых погрешностей преобразователей при изменении уровней входных сигналов фазометра в широких пределах.

Формула изобретения Фазометр по авт. св. № 969675, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в широком динамическом диапазоне входных сигналов, в него

Пс/) чал

Фие.2

0

дополнительно введены блок поправок, а в каждый канал - последовательно соединенные коммутатор и аттенюатор, выход которого соединен со стробоскопическим преобразователем соответствующего канала, входы управления коммутаторов и аттенюаторов соединены с вычислительным блоком, входы и выход которого соединены с блоком поправок и низкочастотным измерителем разности фаз, вход которого соединен с генератором импульсов, оба входа фазометра соединены с входами коммутаторов обоих каналов.

5 А От блока 11

Г Начало J

Х.----«3 од значений кодов частоты зх.сигнала из блока 10

Јсо::лрсв лпе xcj- да управления дтя блока 8

Оотг лрогянге кодов у плавче ;гля| для блоков 1,2, 4,5

В,1 зч-глеылп из блока 9

.ОЛОЕ с 3

-сгг, . Т /JTl I СГ

дт: бюг.оз 1,3,

ТЛЗвод значений кодов из блока 9

Г.БОД значений кодов из блсзса 12

Зич-лс.теи.19 Ч,

ЙЗМ

тс-. -гнх :-:а ияд.г:сэд;ш