Цифровой фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/08 

2

ON

СО

го

0

Изобретение может быть использовано для построения высокочастотных фазоизме- рителей. Цель изобретения - расширение частотного диапазона в сторону высоких частот. Устройство содержит блоки 1 и 2 стро- бирования, стабилизаторы 3 и 4 уровня, преобразователи 5 и 6 частоты, фильтры 7 и 8, нуль-индикатор 9, меру 10 фазовых сдвигов, цифровой индикатор 11, аналого- цифровой преобразователь 12, преобразователь 13 частота-код, блок 14 микропроцессорной обработки, цифроаналоговые преобразователи 15 и 16, управляемый генератор 17 и формирователь 18 стробирую- щих импульсов. 3 ил.

Фиг./

Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике и может быть использовано при создании высокоточных цифровых фазометров для широкого диапазона высоких частот.

Известные фазометры, работающие в диапазоне высоких частот, например ФК2- 12 СССР, модель 8405А фирмы HEWLETT- PACKARD США, содержат стробирующие устройства, управляемый генератор стро- бирующих импульсов и систему фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора, выполняющие стробоскопические преобразование временного масштаба входных сигналов, а также усилители-ограничители и триггерный преобразователь фазового сдвига преобразованных сигналов во временной интервал.

Недостатком таких фазометров является их низкая точность. Кроме того, при работе фазометра в широком диапазоне частот требуется ручная настройка и контроль работы системы фазовой автоподстройки частоты.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой фазометр, содержащий включенные последовательно в каждом канале блока стробирования, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, а также систему формирования стробирую- щих импульсов, состоящую из делителя частоты, цифроаналогового преобразователя, генератора пилы, компаратора и формирователя стробирующих импульсов, выполняющих линейное преобразование временного масштаба входных сигналов и вычитание измеряемого и компенсирующего фазовых сдвигов. Соединенные между собой нуль-индикатор, мера фазовых сдвигов и цифровой индикатор обеспечивают создание прецизионного значения компенсирующего фазового сдвига, равного измеряемому, и индикацию результатов измерения.

Недостатком такого фазометра является ограничение верхней границы диапазона частот десятками мегагерц(практически достигнута верхняя граница диапазона частот 200 кГц в фазометре Ф5131). Кроме того, один из входных сигналов поступает на делитель частоты, поэтому фазометр имеет различные входные импедансы по каналам, что приводит к дополнительным погрешностям включения при измерении фазового сдвига.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона входных сигналов фазометра в сторону высоких частот.

Цель достигается тем, что в фазометр, содержащий два блока стробирования, первые входы которых являются входами фазометра, вторые входы подключены к выходу

формирователя стробирующих импульсов, фильтры, выходы которых подключены через нуль-индикаторов и меру фазовых сдвигов у к цифровому индикатору, аналого-цифровой и два цифроаналоговых преоб0 разователя дополнительно введены управляемый генератор, блок микропроцессорной обработки, преобразователь частота-код, два стабилизатора уровня и два преобразователя частоты, причем выход

5 каждого блока стро бирования через последовательно соединенные стабилизатор уровня и первый вход преобразователя частоты подключен к входу фильтра, вторые входы преобразователей частоты подключе0 ны к выходам меры фазовых сдвигов, входы блока микропроцессорной обработки через пара.ллельно включенные аналого-цифровой преобразователь и преобразователь частота-код подключены к выходу одного из

5 блоков стробирования, а его выходы через параллельно включенные цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемого генератора, выход которого подключен к входу формирователя строби0 рующих импульсов.

На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового фазометра; на фиг. 2 - пример выполнения блока микропроцессорной обработки и его подключение; на фиг. 3 - ал5 горитм работы блока микропроцессорной обработки.

Фазометр содержит блоки 1 и 2 стробирования, соединенные с входами фазометра, к выходам которых последовательно

0 подключены стабилизаторы 3 и 4 уровня, преобразователи 5 и 6 частоты, фильтры 7 и 8, выходы которых через нуль-индикатор 9 и через меру 10 фазовых сдвигов соединены с цифровым индикатором 11, выходы меры 10

5 фазовых сдвигов соединены также с вторыми входами преобразователей 5 и 6 частоты. Кроме того, один из блоков стробирования соединен с параллельно включенными аналого-цифровым преобразователем 12 и пре0 образователем 13 частота-код, выходы которых через блок 14 микропроцессорной обработки и параллельно включенные цифроаналоговые преобразователи 15 и 16 соединены с входами управляемого генера5 тора 17, выход которого через формирователь 18 стробирующих импульсов соединен с вторыми входами блоков 1 и 2 стробирования.

Блок 14 микропроцессорной обработки имеет стандартную конфигурацию и связи,

характерные для любых микропроцессорных устройств, и содержит процессор (ЦП), оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства и устройства ввода- вывода (УВВ). На фиг. 2 показана такая стандартная конфигурация и для примера указаны микросхемы, которые могут использоваться при практической реализации блока 14. Соединение микросхем в процессоре приведено в известной литературе.

В постоянно запоминающем устройстве хранится управляющая программа, реализующая приведенный пример алгоритма или другой алгоритм, обеспечивающий автоматическую настройку частоты управляемого генератора 17. Коды частоты и напряжения, поступающие с аналого-цифрового преобразователя 12 и преобразователя 13 частота-код через устройства ввода-вывода, а также коды, управляющие частотой генератора 17, хранятся в оперативном запоминающем устройстве. Процессор выполняет управление блоком 14 по заданному алгоритму.

Фазометр работает следующим образом.

Входные периодические сигналы, фазовый сдвиг рь основных гармоник которых

UBXI UlSln( ftfex t + ), UBx2 U2Sin Ofex t

необходимо измерить, поступает на входы блоков 1 и 2 стробирования, на вторые входы которых поступают короткие импульсы с частотой utT и фиксируют в обеих каналах фазометра мгновенные значения (производят выборки) входных сигналов. При этом основные гармоники входных сигналов преобразуются в сигналы вида

1)пч1 UiKcos( - m WcT)t + Л$.

Упч2 U2KCOS(Wnx - m OfcT)t + ,

sin

л (й%х - m MCT)

где К

(Уст

П ((Мвх - m ftfcr) ftJci

л коэффициент;

(т-)

аддинительный фазовый сдвиг;

т 1.2...

Аналого-цифровой преобразователь 12 и преобразователь 13 частота-код формируют на выходах коды, соответствующие среднему значению напряжения, например UaK, и частоты ufex - m Шст одного из выходных сигналов блока стробирования. Блок 14 микропроцессорной обработки анализирует по заданному алгоритму коды частоты и уровня преобразованного сигнала 1)пч2 и с

помощью цифроаналоговых преобразователей 15 и 16 формирует управляющие воздействия, устанавливающие чувствительность управляемого генератора 17 и изменяющие

частоту его выходных импульсов, а следовательно, и частоту стробирующих импульсов таким образом, чтобы значение частоты преобразований основной гармоники входного сигнала стремилось к постоянному за0 данному значению, т.е.

WBX - m ftfcr ft n4- -const. Критерием преобразования именно основной гармоники является максимум среднего значения преобразованного сигнала.

5 что исключает формирование на выходе блоков 1 и 2 стробирования сигналов промежуточной частоты УПЧ, полученных в результате преобразования высших гармоник входных сигналов, при котором обеспечива0 ется условие (Огм I WBX - m OJtT,

где I 2,3... - номер гармоники входного сигнала.

При изменении частоты (Овх в широких

5 пределах ( хмакс 100) значение m изменяется также в широких пределах, поэтому для повышения точности регулирования используется изменение чувствительности характеристики преобразования управляе0 мого генератора 17 в зависимости от значения т. Это также позволяет автоматически настраивать управляемый генератор 17 в широком диапазоне частот входных сигналов.

5 Алгоритм работы блока 14 микропроцессорной обработки приведен на фиг. 3.

Максимальная крутизна преобразования частоты, а следовательно, и крутизны управления генератора 17 равна

0 8-Ј -1 прит-1).

При увеличении т крутизна уменьшается. В приведенном алгоритме (фиг.З) вначале устанавливается максимальная крутизна уп- 5 равления частотой генератора 17 (S 1) и производится изменение частоты генератора 17 ОТ Шстмин СОвхмин - ДО О стмакс 2 о вхмин - . Анализируя значения промежуточной частоты , а точнее монотонность изменения этой частоты, уменьшается крутизна управления частотой генератора 17 до получения монотонной зоны (второй замкнутый цикл алгоритма). Получение монотонной зоны свидетельствует о правильном выборе значения m в выражении

0)вх - m СОст СОпч

Таким образом, не требуется измерять крутизну управления частотой генератора

0

5

17, хотя принципиально такая возможность есть. Между управляющим кодом, например цифроаналогового преобразователя 16 и крутизной (чувствительностью) генератора 17, существует однозначная зависимость,

Алгоритм управления предполагает скачкообразное увеличение крутизны до максимального значения (S 1); если не выполняется условие (Упч мин Опч ОЛпчмакс.

В этом случае происходит переход в начало алгоритма управления и устанавливается S 1 (на фиг. 3 этот переход указан).

Таким образом, предложенный алгоритм в процессе автоматической настройки предполагает уменьшение крутизны управления частотой генератора 17 от макси- мального значения до требуемого (определение т), а затем точную настройку частоты генератора 17 в режиме слежения, при которой (Упч- const, контролируется при этом выполнение условия од™мин сопчмакь Если это условие не выполняется, то происходит переход в начало алгоритма (скачок крутизны до максимального значения) и повторная настройка.

Стабилизаторы уровня формируют на выходах сигналы промежуточной частоты й)пч с постоянными средним значением напряжения 11пч const, которые поступают на входы преобразователей 5 и 6 частоты. На вторые входы преобразователей 5 и 6 частоты поступают напряжения с меры 10 фазового сдвига, основные гармоники которых равны

UMsln ((Ом t +

UMSln (Ум t,

ы

где (pk. - компенсирующий фазовый сдвиг.

Фильтрами 7 и 8 их выходных сигналов преобразователей 5 и б частоты выделяются гармонические составляющие

иф1 иф$1п( (Ист - УмИ + - fb+ ,

иф2 ифз1п(од1ч - )t + .

Разность фаз tpk выходных напряжений меры 10 фазовых сдвигов изменяется при помощи управляющих сигналов нуль-индикатора 9.

При достижении синфазности напряжений на входе нуль-индикатора 9 выполняется равенство # т-е измеряемый фазовый сдвиг рь равен компенсирующему фазовому сдвигу рь, который и индицируется цифровым индикатором как результат измерения.

Меры фазовых сдвигов на основе триг- герных пересчетных схем формируют прецизионные значения компенсирующего фазового сдвига с требуемой дискретностью, например 0,01°.

Таким образом, применение системы формирования стробирующих импульсов на

базе блока микропроцессорной обработки совместно с аналого-цифровым преобразователем, преобразователем частота-код и цифроаналоговыми преобразователями позволяют расширить диапазон частот входных сигналов фазометра, работающего в автоматическом режиме, до десятков гигагерц, обеспечить идентичные высокие входные импедансы (входную емкость - единицы пикофарад, входное сопротивление - сотни килоом).

Формула изобретения Цифровой фазометр, содержащий два блока стробирования, первые входы которых являются входами фазометра, вторые входы подключены к выходу формирователя стробирующих импульсов, два фильтра, выходы которых подключены через нуль-индикатор и меру фазовых сдвигов к цифровому

индикатору, аналого-цифровой и два циф- роаналоговых преобразователя, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона в сторону высоких частот, в него введены управляемый генератор, блок микропроцессорной обработки, преобразователь частота - код, два стабилизатора уровня и два преобразователя частоты, причем выходы первого и второго блока стробирования соответственно

через последовательно соединенные первый стабилизатор уровня и первый вход первого преобразователя частоты, второй стабилизатор уровня и первый вход второго преобразователя частоты подключены соответственно к входам первого и второго фильтров, вторые входы преобразователей частоты подключены к первому и второму выходам меры фазовых сдвигов, входы блока микропроцессорной обработки через аналого-цифровой преобразователь и преобразователь частота-код подключены к выходу одного из блоков стробирования, а его выходы через первый и второй цифро- аналоговые преобразователи подключены

к первому и второму входам управляемого генератора, выход которого подключен к входу формирователя стробирующих импульсов.

// fiafawfftifo//j2 faoww/godi/fiЯ

Г

CZJ.

ЛЛ

w

у

awcw

ЛЛ

w

5

I

л

w

JL

4

I

M

M38№ЈJH SZffX08ffd)l

§

Q8QH08S M ЕЮ

Л

I (k «

l

§

5

I

4

I

I начальна, я усммоька 1

| , W/fftf var 9л ffi«/ J

(чтение и a#awj кода UnntA ста ft/ил MJfsfof ret или I

kjy J|/-Wfr

считывание, полного Ktja tint

Ш

Фиг.д

Установил котором

(,dnn«u}rf e5.

J

mfcfcr.

UtH9H9MUb

U)«T яа

Ьоьпиьоеанил

KOffO П/Я1 KOTOptf)

eJnjf eon tt