Формирователь ортогональных сигналов Советский патент 1992 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в фазометрах с преобразованием частоты, моноимпульсных системах с фазовой пеленгацией, а также в каналах приемных систем при квадратурной обработке сигналов,

Целью изобретения является повышение точности установки 90°-ного фазового сдвига между сигналами на выходах формирователя.

На фиг. 1 представлена структурная схема формирователя ортогональных сигналов; на фиг. 2 - диаграммы работы формирователя.

Формирователь ортогональных сигналов содержит источник 1 входного сигнала, выходные шины 2 и 3, смесители 4 и 5, фазовращатель 6, фильтры 7 и 8, гетеродин 9, шину 10 сигнала управления, шину 11 строб- импульса, общую шину 12, шину 13 источника питания, генератор 14 счетных импульсов, компараторы 15 и 16, коммутатор 17, счетчик 18, сумматор 19, регистр 20 сдвига, цифроаналоговый преобразователь 21, формирователи 22 и 23 коротких импульсов, элемент ИЛИ 24, компаратор 25. ключ 26, источники 27 и 28 опорного напряжения.

Первые входы смесителей 4 и 5 объединены и подключены к источнику 1 входного сигнала, а вторые входы подключены соответственно к входу и выходу фазовращателя 6 на 90°, вход которого соединен с выходом гетеродина 9, а выходы смесителей 4 и 5 соответственно через фильтры 7 и 8 подключены к выходным шинам 2 и 3.

Выходы фильтров 7 и 8 соединены соответственно с первыми входами компараторов 16 и 15, вторые входы которых подключены к общей шине 12, а входы управления объединены и соединены с шиной 11 строб-импульса и входами формироватесл

с

сл

00

сл

00

лей 22 и 23 коротких импульсов, а также седьмым входом коммутатора 17, первый вход которого подключен к основному, а второй - к инверсному выходам компаратора 16, третий и четвертый входы коммутатора подключены соответственно к основному и инверсному выходам компаратора 15, пятый вход коммутатора 17 соединен с выходом генератора 4 счетных импульсов, а шестой вход коммутатора 17 соединен с первым его выходом. Второй выход коммутатора 17 через счетчик 18, сумматор 19 и регистр 20 сдвига подключен к входу цифро- аналогового преобразователя 21 и вторым входам сумматора 19, выход цифроаналого- вого преобразователя 21 соединен с шиной 10 сигнала управления, которая подключена к входу управления фазовращателя 6. Выход формирователя 22 коротких импульсов через элемент ИЛИ 24 подключен к входу сброса счетчикэ 18, а выход формирователя 23 коротких импульсов подключен к входу разрешения записи регистра сдвига 20.

Шина 13 источника питания через ключ 26 и компаратор 25 подключена к второму входу элемента ИЛИ 24 и входу сброса регистра сдвига 20, другие входы компаратора 25 соединены соответственно с выходами источников 27 и 28 опорного напряжения.

Формирователь ортогональных сигналов работает следующим образом.

Напряжение гетеродина 9 U г 1 U0cos(2jrfrt ), где Do - амплитуда сигнала гетеродина, (р - начальная фаза сигнала гетеродина, fr - частота сигнала гетеродина, поступает непосредственно на вход смесителя 4. При отом через фазовращатель 6 на 90° на вход смесителя 5 поступает напряжение Ur2Ur2 U0 cos ( 2 л fr t -I- p -I- 90° )

UoCOS ( 2 ЛГ fr t + /Ј ) ,

где (ft - p + 90° .

Первые входы смесителей 4 и 5 объединяют на время калибровки и на них подают напряжение UBX Ui cos (2л: f0 t ) с источника 1 входного сигнала, где Ui - амплитуда входного сигнала, рз начальная фаза входного сигнала. С выхода смесителей снимают напряжения:

UBbix.cMl KnplUoUlCOS 2 Я ( f0 - fr ) t + + рЗ - Р + ф4 ) UcMl COS ( 2 П fnp t -I+ рз f +f-i),

UcM-i KnpiUoUi, где КПр1 - коэффициент преобразования смесителя 1.

ивых.см2 Knp2UoUlCOS 2 7Г ( f0 - fr ) t +

+ УЗ Pt + Р$ - (2 п fnp t +

yfc-iPi + iPs-)UCM2 Knp2UoUi, где Кпр2 коэффициент преобразования смесителя 2, фазовые сдвиги ре,, р5 учитывают сдвиг фазы промежуточной частоты (fnp) в смесителях 4 и 5.

После фильтров 7 и 8 сигналы

ивых2 приобретут вид

UBb x1 UcMlK( ( 2 JT fnp + - + +0М±р7),

ивых2 иСм2Кф2С05 2 Л fnp +

Oi +90°).

где фазовые сдвиги pi. рв учитывают сдвиг фазы промежуточной частоты в фильтрах 7 и 8; Кф1 и Кфг - коэффициенты пере- дач фильтров 7 и 8 соответственно.

Разность фаз выходных сигналов на шинах 2 и 3 составит

п

35

/ 90°-f 5-J--f(5y,

где

л

- дополнительный сдвиг фаз.

5

0

5

0

обусловленный нелинейностью характеристики фазовращателя 6, а также его температурой, фазочастотной и т.д. неста- бильностями,

д( р5±(() -дополнительный сдвиг фаз, обусловленный неиден- тичностыо каналов (смесителей и фильтров) фазовой системы, а также температурной, амплитудно-частотной, фазочастотной и т.д. нестабильностями системы. Очевидно, что

чем меньше величина б + б р, тем меньше будет отличаться сдвиг фаз на выходе формирователя оротогональных сигналов на 90°.

Для поддержания между сигналами на выходных шинах 2 и 3 сдвига фаз 90° в устройстве используется преобразователь разности фаз в напряжение, работающий следующим образом.

Перед началом работы элементы формирователя, имеющие память, устанавливаются в исходное состояние посредством подачи на входы сброса счетчика 18 и регистра 20 сдвига импульса сброса с двух- порогового компаратора 25. При этом в регистр 20 и счетчик 18 записывается по- столнное число, пропорциональное сдвигу фаз в 90. Импульс сброса формируется при включении ключа 26. Включение ключа 26 приводит к нарастанию на входе компаратора 25 напряжения UE, снимаемого с шины 13 питания, которое сравнивается с напряжениями Из и Ua источников 27 и 28 опорных напряжений. При выполнении условия Ui UE Us на выходе компаратора 25 формируется импульс сброса, который на шину сброса счегчика 18 поступает через элемент ИЛИ 24, а на шину сброса регистра 20 сдвига непосредственно.

Далее на шину 11 строб-импульса подают строО-имлульсы (фиг. 2ж), длительность которых определяется длительностью цикла усреднения значения вычисляемой ошибки разности фаз между сигналами на шинах 2 и 3. Строб-импульсы поступают на входы управления компараторов 15 и 16 и открывают их основание и инверсные логические выходы. При этом на основных выходах компараторов 15 и 16 формируются положительные импульсы (фиг. 2а, б), соответствующие сдвигам фаз между сигналами (шина 2 и 3) при переходе их через ноль в положительном направлении, а на инверсных выходах - положительные импульсы при переходе сигналов через ноль в отрицательном направлении (фиг. 2в, г), так как вторые выходы компараторов 15 и 16 объединены и подключены к общей шине 12. Положительные импульсы с основных и инверсных выходов компараторов 15 и 16 поступают на второй, третий, четвертый и пятый входы коммутатора 17, на первый вход которого поступают строб-импульсы, а на шестой вход - счетные импульсы с выхода генератора 14 счетных импульсов (фиг. 2,е). Следует отметить, что в качестве комму- татора 17 может быть применена, например, микросхема типа 133ЛР1, при подключении одного из ее выходов к ее седьмому входу. При этом на первом выходе коммутатора 17 (фиг. 2д), - входе счетчика 18 формируются пачки счетных импульсов в течение времени длительности строб-импульса. Коммутатор 17 совместно с компараторами 15 и 16, генератором 14 и счетчиком 18 представляют собой двухполу- периодную схему преобразователя разности фаз в цифровой код (фиг, 2,з). Для выполнения выше функции микросхемой 133ЛР1 необходимо ее выводы (4 и 2, 5 и 3, 9 и 10, 13) подключить соответственно к

инверсному и основному вь:холам компаратора 15, инверсному и основному выходам компаратора 16, входу управления компараторов 15 и 16, выходу генератора 14 счет них импульсов, а выводы 6 и 1 соедипчгь между собой.

Таким образом, при поступлении первого строб-импульса на входе Снсмпп .а . сформировано N пачек счетных импульсов, каждая из которых будет соотоетствоват разности фаз между сигналами па шинах 2 и 3. Так как между сигналами на выход х устройства (шины 2 и 3) должен быть уст, - новлеи постоянный сдвиг фаз, напримг ,

90°, то пачки счетных импульсов долчны соответствовать числу 90°.

Очевидно, из-за систематических погрешностей каналов фазоро: ; ичстемы,

приводящих к ошибке tp - 6 4- + б р в установке фазы на выходах устройства, пачки импульсов будут отличаться по длительности в большую либо меньшую сторону от истинной величины соответствующей разности фаз в 90°. Для записи в счетчик 18 за время усреднения - время длительности одного строб-импульса - н- формации об ошибке установки необх ;и- мого фазового сдвига, пропорциональ ой

величине д + 6 f, в счетчик 18 п здгарительно записывается число, пропорциональное величине сдвига фаз в 90° (исходное состояние счетчика 18) из кото рого вычитается количество импульсов всех пачек, сформированных на вычитающем входе реверсивного счетчика 18 за время усреднения. Таким образом, через время длительности строб-импульса на выходе счетчика 18 будет записан цифровой код, отображающий усредненную величину ошибки необходимого сдвига фаз, т.е. код, соответствующий величине

. Следует отметить, что перед

началом записи информации в счетчик 18 он устанавливается Б исходное состояние посредством подачи на его вход сброса с выхода формирователя 22 коротких импульсов, через элемент24 ИЛИ короткого импульса, соответствующего переднему фронту строб-импульса. После окончания первого строб-импульса, соответствующего времени усреднения, информация с выходов счетчика 18 переписывается через сумматор 19 в регистр 20 сдвига посредством подачи на вход записи регистра 20 сдвига короткого импульса с формирователя 23 коротких импульсов, сформированного на выходе вырабатываемого по заднему фронту входного импульса.

Следует отметить, что схема приведенного соединения сумматора 19 и регистра 20 сдвига представляет собой сумматор с накоплением и может быть реализована с применением сумматора чисел с разными знаками и регистров сдвига типа 155ИР13.

Суммирование чисел с разными знаками сумматором с накоплением вызвано ошибкой установки фазового сдвига ( ± А) на выходах устроитт т {шины 2 и 3), которая может иметь тот или иной знак относительно 90°, например

90° ± Лу 10° . При этом на выходе счетчика 1C будет формироваться число, пропорциональное ошибке установки фазового сдвига ± Л за время усреднения, определяемое длительностью первого строб-импульса. Цифровое число, переписанное в регистр 20 сдвига, после воздействия первого строб-импульса преобразуется цифро- аналоговым преобразователем 21 в аналоговое напряжение управления Uynp UBbixiian2i. Напряжение управления правильного знака, соответствующее ошибке установки фазового сдвига ± , воздействует через шину 10 на вход управления фазовращателя 6 и устанавливает его в положение, обеспечивающее на выходе устройства (шина 2 и 3) заданный фазовый сдвиг 90°. Очевидно, что из-за нелинейности фазовой характеристики фазовращателя f вь1хфв.б f(Uynp), а также из-за ее изменения при воздействии, например, температуры, полной компенсации ошибки фазового сдвига один интервал строб-импульса усреднения добиться невозможно. Для устранения остатка ошибки установки фазового сдвига (А А ) на шину 11 подают второй строб-импульс, определяющий второй интервал усреднения. При этом на выходе формирователя 22 формируется короткий импульс, которым счетчик 18 устанавливается в исходное . состояние. Следует отметить, что информация на выходе регистра 20 сдвига остается неизменной. По окончании второго строб-импульса на выходе счетчика 18 будет сформировано цифровое число, соответствующее величине остатка ошибки фазового сдвига ДД, которое с правильным знаком просуммируется с предыдущим значением, записанным в регистре 20 сдвига, после воздействия на его вход записи короткого импульса с выхода формирователя 23.

При этом на соответствующую величину изменится и напряжение управления на выходе ЦАП 21, а фазовый сдвиг на выходе устройства (шины 2 и 3) приблизится к истинному значению 90°. Остаточная ошибка () после воздействия второго импульса усреднения будет ДДЛ(р . Очевидно, что полное устранение ошибки установки фазового сдвига ДДу, определяемой систематическими погрешностями фазовой системы с преобразованием частоты, произойдет после воздействия нескольких строб-импульсов усреднения. Следует отметить, что многоразовое последовательное усреднение уменьшающейся ошибки установки заданного сдвига фаз позволяет устранить ошибки:

а)определяемые нелинейностью и не- стабильностью фезовой характеристики управления электронного фазовращателя,

б)грубые ошибки измерения, которые могут возникнуть при непредеиденпых обстоятельствах во время того или много иптервалаусреднения,

в)ошибку, определяемую уходом частоты генератора 14 счетных импульсов, что снижает требования к высокой стабилизации его частоты и соответственно его

сложности, габаритам, стоимости и надежности,

г)ошибку дискретности, определяемую периодом следования счетных импульсов,

д) случайную ошибку измерения, так как увеличивается время усреднения при сравнительно небольшой емкости счетчика 18 и сумматора с накоплением (сумматор 19 и регистр 20 сдвига), что обеспечивает устройству калибровки фазового сдвига приемлемые габариты.

Предлагаемое техническое решение позволяет автоматически за короткое время получить высокую точность установки фазового сдвига на выходе фазовой системы с преобразованием частоты за счет многоразового повторения процесса усреднения уменьшающейся от интервала к интервалу усреднения фазовой ошибки. Получение вы0 сокой точности установки фазового сдвига на выходе фазовой системы с преобразованием частоты позволяет использовать ее а точных фазометрах для устранения систематических фазовых погрешностей измере5 ния, в моноимпульсных системах с фазовой пеленгацией, для получения точных пелен- гационных характеристик с центральной симметрией, в каналах приемных систем

при точной квадратурной обработке сигналов, для устранения неоднозначности и т.д.

Формула изобретения

Формирователь ортогональных сигналов, содержащий два смесителя, первые входы которых объединены и подключены к источнику входного сигнала, а вторые входы соединены соответственно со входом и вы- ходом фазовращателя на 90°, вход которого соединен с выходом гетеродина, а выходы смесителей соответственно через первый и второй фильтры подключены к выходным шинам, отличающийся тем, что. с целью повышения точности установки 90°- ного фазового сдвига, в него введены генератор счетных импульсов, три компаратора, коммутатор, два формирователя коротких импульсов, элемент ИЛИ, счетчик, сумма- тор, регистр, цифроаналоговый преобразователь, два источника опорных напряжений и ключ, при этом выходы первого и второго фильтров соединены соответственно с первыми входами первого и второго компарато- ров, вторые входы которых соединены с общей шиной, а прямые и инверсные выходы соединены с соответствующими входами коммутатора, пятый вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, шестой вход - с первым выходом коммутатора, а седьмой - с шиной строб-импульсов, входами управления первого и второго компараторов и входами первого и второго формирователей коротких импульсов, выход первого из которых соединен через элемент ИЛИ с первым входом счетчика, второй вход которого соединен со вторым выходом коммутатора, а выход соединен через последовательно соединенные сумматор, регистр и цифроаналоговый преобразователь с управляющим входом фазовращателя, выходы регистра соединены со вторыми входами сумматора, вход разрешения записи регистра соединен с выходом второго формирователя коротких импульсоо, а вход сброса - со вторым входом элемента ИЛИ и выходом третьего компаратора, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго источников опорных напряжений, а вход управления третьего компаратора через ключ соединен с шиной источника питания.

Изобретение может быть использовано в фазометрах с преобразованием частоты, моноимпульсных схемах с фазовой пеленгацией, а также в каналах приемных систем при квадратурной обработке сигналов. Целью изобретения является повышение точности установки 90°-ного фазового сдвига между сигналами на выходах формирователя. Формирователь ортогональных сигналов содержит источник входного сигнала, выходные шины, два смесителя, фазовращатель, два фильтра, гетеродин, шину сигнала управления, шину строб-импульса, общую шину, шину источника питания, генератор счетных импульсов, три компаратора, коммутатор, счетик, сумматор, регистр сдвига, цифроаналоговый преобразователь, два формирователя коротких импульсов, элемент ИЛИ, ключ, два источника опорных напряжений.

L

faxft 5 У777Л

f,

Gwtl 9ч fO

c- . - r/,vtJCfPt Л -L ::,

be /

ч

JilllLJJIM Mill 1Я

ZZZL

K//VX

-t

-t

ь

г.г