Способ фазового детектирования Советский патент 1993 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для измерения и контроля параметров различной природы и может быть использовано в системах автоматического управления и телеуправления переме- щающимися и манипулирующими

аппаратами и протекающими процессами различных природ, в радио, оптической и акустолокации, в системах связи и телеметрии, а также для измерения контроля величин реактивной и активной составляющих частей изменяющегося полного сопротивления устройств и датчиков или волнового показателя распространения в среде.

Цель изобретения - расширение области применения, повышение быстродействия и точности фазового детектирования.

Сущность изобретения заключается в том, что по способу фазового детектирования генерируют сигнал воздействия Ui и опорные когерентные сигналы U2 и Us, осуществляют детектирование по фазе, пере- множая смещенный по фазе измеряемый сигнал ответа 1М, фаза которого изменена пропорционально величине измеряемого параметра Ах, с опорным сигналом и со смещенным по фазе на 90° квадратурным опорным сигналом, измеряют синфазную и квадратурную части измеряемого сигнала ответа по отношению к соответствующим опорным сигналом, осуществляют сдвиг фазы опорного сигнала и фазы квадратурного опорного сигнала на угол, равный 360°/N0n, где Non - число, выбранное по требуемой точности измерений по опорному сигналу, в отличие от прототипа генерируемый сигнал воздействия 1М распределяют по времени в пдф направлениях и из распределенного сигнала воздействия формируют абсолютно когерентно квазианалоговый синусоидальный сигнал с числом уровней квантования пкф, осуществ- ляют изменение в сторону уменьшения величины амплитуды первой полуволны Vmi квазианалогового синусоидального сигнала, если у сформированного измеряемого сигнала фаза сдвинута в сторону отставания относительно фазы опорного сигнала или (и) в сторону увеличения величины амплитуды второй полуволны этого сигнала, а если у сформированного квазианалогового синусоидального сигнала фаза сдвинута в сторо- ну опережения относительно фазы опорного сигнала осуществляют изменение в сторону увеличения амплитуды первой полуволны квазианалогового синусоидального сигнала и (или) в сторону уменьшения величины амплитуды второй полуволны Vm2 этого сигнала, соответственно на величину -rjr- и Vm2 NB, гдеЫв

число необходимых изменений амплитуды соответствующей полуволны Vmi, Vm2, после чего на любом из указанных изменений одной из амплитуд полуволн осуществляют аналогичные с описанными выше операции формирования полностью когерентных, сдвинутых на различные значения фиксированных фаз, нескольких опорных квазинепрерывных в вершинах сигналов, затем осуществляют фазовые сдвиги этих сигналов путем изменения начала распределения сигнала воздействия и сформированного измеряемого сигнала без разрушения когерентности независимо от их частоты до тех пор, пока не выполнится измерение, соответствующее нулевому значению напряжения продетектированного сигнала.

На фиг.1 показана структурная схема реализации способа фазового детектирования; на фиг. 2 - принципиальная схема распределителя сигнала; на фиг.З - принципиальная схема формирователя переменных амплитудно-полуволновых и фазовых сигналов; на фиг.4 - принципиальная схема формирователя полностью когерентных квадратурных опорных сигналов переменного фазы.

Устройство (один из вариантов), реализующее предлагаемый способ фазового детектирования (фиг.1), содержит опорный генератор 1, формирователь 2 когерентных квадратурных опорных сигналов переменной фазы, фазовый датчик 3, фазовые детекторы 4 и 5, интегратор-преобразователь 6, распределитель 7 сигнала, формирователь 8 переменных амплитудно-полуволновых и фазовых сигналов, переключатель 9. Информационные выходы интегратора-преобразователя 6, являющиеся информационными выходами 10 и 11 устройства, а также управляющие входы для управления фазой формирователя 2 и для управления амплитудами полуволн и фазой формирователя 8, которые являются управляющими входами 12 и 13 устройства.

Способ не исключает, а обусловливает возможность соединения информационного выхода 10 с управляющим входом 13 для улучшения динамических свойств устройства, реализующего предлагаемый способ.

Куправляющим входам и информационным выходам устройства может подключаться внешняя ЦВМ.

На фиг,2 обозначены: Pi - разрядный счетчик 14 и его дешифратор 15 с 2Pi п дискретными выходами.

На фиг.З обозначены: триггерный регистр памяти 16 с многоразрядным входом 13 управления NB и с пдф группами Р2 - разрядных выходов; пдф логических ключей 17 и соответствующее количество весовых резисторных делителей 18; сумматор 19 пкф квантов по каждому из пдф дискретов.

На фиг.4 обозначены: Р-разрядный счетчик 20 с многоразрядным входом 12 управления Non и его дешифратор 21с дискретными выходами; формирователь 22 квадратурного опорного сигнала, содержащий фиксированные по косинусу квадратурно-весовые резисторные делители 23 и

сумматор 24 квантов; формирователь 25 синфазного опорного сигнала, содержащий фиксированные по синусу синфазно-весо- вые резисторные делители 26 и сумматор 27 квантов.

Устройство включает в себя блоки:

- опорный генератор 1 предназначен для генерирования сигнала Ui тактовой высокостабильной частоты и выполнен, например, по обычной осцилляторной схеме автогенератора, выход которого подключен к счетным входам счетчиков 14 и 20 соответственно, распределителя 7 и формирователя 2;

- формирователь 2 полностью когерентных квадратурных опорных сигналов переменной фазы (фиг.4) предназначен для формирования полностью когерентных, по модели, между собой и относительно сигнала воздействия соответственно синфазного U2 и квадратурного 11з, квантованных на позициях тактовой частоты, бинарных опорных сигналов с квазинепрерывными вершинами, фаза которых одновременно изменяется пропорционально десятичному весу кода управления Non, поступающего на многоразрядный Р-вход счетчика 20 формирователя 2, обеспечивающего сохранение квадратуры и полной (без вносимой погрешности е) когерентности опорных сигналов во всем диапазоне фазовых изменений и независимо от частоты сигнала воздействия Ui, при этом выход счетчика 20 через дешифратор 21 подключен соответственно через делители 23 к сумматору 24 формирователя 22, а через делители 26 - к сумматору 27 формирователя 25, выходы сумматоров 24 и 27 формирователя 2 подключены к ключевым входам 2 соответственно квадратурного детектора 5 и синфазного детектора 4;

- фазовый датчик 3 представляет собой многополюсник, вносимые которым фазовый сдвиг и затухание необходимо проконтролировать, измерить и которые могут являться как собственно параметрами датчика 3, так и параметром внешнего воздействия той или иной природы на датчик по управляющему входу Ах или непосредственным влиянием состава и процессов среды распространения сигнала воздействия Us, при этом сигнал воздействия подается на сигнальный вход фазового датчика с выхода сумматора 19 формирователя 8 (фиг.З) переменных амплитудно-полуволновых фазовых сигналов, а индикативный выход фазового датчика подключен к аналоговым входам 1 фазовых детекторов 4 и 5;

- фазовый детектор 4 (5) предназначен (каждый) для преобразования разности амплитуд разнопо лярных полуволн квазианалогового сигнала ответа 1М, поступающего на аналоговые входы 1 детекторов 4 и 5, и (или) разности фаз перемножаемых сигнала

ответа и опорных сигналов U2 и Уз, с квазинепрерывными вершинами, поступающих каждый на входы 2 соответственно детекторов 4 и 5 в квадратуре относительно друг друга - в напряжения сложных фаз соответ0 ственно U1 и U1e, подаваемых на входы интеграторов 33 интегратора-преобразователя 6, при этом фазовый детектор выполнен по общеизвестной схеме, например, кольцевого фазового детектора, содержа5 щего два полупроводниковых триода в качестве нелинейных элементов, эмиттеры которых соединены вместе на общую нагрузку, коллекторы через парафазный каскад расщепления соединены с датчиком 3, а

0 базы этих триодов соединены, одна - с ключевым входом 2 детектора 4 (5); другая - с источником смещения;

- интегратор-преобразователь 6 предназначен для фильтрации, сглаживания и

5 преобразования напряжения сложной формы в выделенную за период постоянную составляющую напряжения постоянного тока в удобном для измерения и обработки цифровом виде;

0 - распределитель сигнала 7 предназначен для распределения по времени, с помощью Pi-разрядного счетчика 14 и его дешифратора 15, в пдф направлениях сигнала воздействия Ui в виде, например, потен5 циальных интервалов периодов следования генерируемого сигнала воздействия, при этом многопозиционный выход дешифратора 15 распределителя 7 подключен каждый по счетному порядку позиций к первым РЗ

0 входам соответствующих Пдф двухвходовых логических ключей 17 формирователя 8 (фиг.З), а счетный вход счетчика 14 подключен к выходу опорного генератора 1;

- формирователь переменных ампли- 5 тудно-полуволновых и фазовых сигналов 8 (фиг.З) предназначен для абсолютно когерентного формирования из импульсных распределенных по Пдф направлениям последовательностей квазианалогового, на- 0 пример, синусоидального сигнала воздействия Us и изменения как амплитудных значений каждой из полуволн сформированного сигнала Us, так и его начальной фазы пропорционально десятичному весу 5 кода управления NB, поступающего в регистр памяти 16 по управляющему входу 13, при этом Пдф Р2-разрядных групп выходов регистра 16 подключены раздельно к вторым управляющим входам логических ключей 17, выходы которых соединены с

многоразрядными резисторными делителями типа R-2R или компенсационных, выходы которых подключены к гь входам сумматора 19, выход которого подключен к сигнальному входу датчика 3;

- переключатель 9 предназначен для шунтирования датчика 3 при измерении и контроле вносимого затухания.

Работа устройства при фазовом детектировании двух неизвестных сигналов U4 (переключатель 9 разомкнут) и Us (переключатель 9 замкнут в точку а) позволяет после интегрирования и аналого-цифрового преобразования измерить и проконтролировать коэффициент передачи (активную часть комплексного параметра фазового датчика 3) в виде:

щ ,, л|и ;г Уг..,,ч (()(.)Г

K wa Kn PwiiU..

разность потенциалов р-гГ-перехода стабилитрона 28;

R - сопротивление резистора 29;

RO - сопротивление магниторезистора RM при напряженности ЬЬО;

С - емкость конденсатора 32;

п - общее результирующее число измерений.

Вносимый фазовый сдвиг параметриче- ски является реактивной частью комплексного параметра устройства 3.

При работе устройства фазового детектирования с переключателем 9 (фиг.1), замкнутым в точку а, вносимый контролируемым устройством 3 фазовый сдвиг компенсируется на величину фазовой компенсации не только по опорным сигналам U2 и Уз, как в прототипе и аналоге, но в отличие от них, и по квазианалоговому сиг- налу воздействия Us с помощью распределителя 7 и формирователя 8 и определяется при этом как

Использование: предназначено для измерения и контроля параметров различной природы и может быть использовано в системах связи и телеметрии, а также для измерения и контроля величин реактивной и активной составляющих изменяющегося полного сопротивления устройств и датчиков. Сущность изобретения: при фазовом детектировании генерируют сигнал воздействия и опорные когерентные сигналы, перемножают смещенный по фазе измеренный сигнал, фаза которого изменена пропорционально величине измеряемого параметра, и опорные квадратурные сигналы, измеряют сепарацию и квадратурную части измеряемого сигнала, осуществляют сдвиг фазы квадратурных опорных сигналов на угол 360°/N0n, где N0n число, выбранное по требуемой точности измерения, отличием служит то, что негенерируемый сигнал воздействия распределяют по времени в дф направлениях, формируют из него абсолютно когерентный квазйаналого- вый синусоидальный сигнал с числом уровней квантования пкф, осуществляют изменение в сторону уменьшения величины амплитуды первой полуволны Vmi квазианалогового синусоидального сигнала,если фаза его сдвинута в сторону отставания или/и в сторону увеличения величины амплитуды второй полуволны квазианалогового синусоидального сигнала, а если фаза сдвинута в сторону опережения, осуществляют изменение в сторону увеличения амплитуды первой полуволны квазианалогового синусоидального сигнала или/и в сторону уменьшения величины амплитуды второй полволны Vm2 этого сигнала соответственно на величину Vmi/Nb и Vm2 NB, где Mb - число изменений Vmi и Vm2, после чего на любом из указанных изменений одной из амплитуд полуволн осуществляют аналогичные операции формирования полностью когерентных, сдвинутых на различные значения фиксированных фаз, нескольких опорных квазинепрерывных в вершинах сигналов, затем сдвигают по фазе эти сигналы путем изменения начала распределения сигнала воздействия и сформированного измеряемого сигнала без разрушения когерентности, независимо от их частоты, до нулевого значения продетектированных сигналов. 4 ил. со 00 о о со 00 ел

2 JC где Ф on (Ј) тп-Ј - фазовые сдвиги,

1чоп

осуществляемые с помощью формирователя 2 по опорным квадратурным сигналам U2 и из;

Vmi,2 (Ј ) Vmi,2/NB изменения амплитуд полуволн квазианалогового синусоидального сигнала воздействия, осуществляемые в отличие от прототипа с помощью распределителя 7 и формирователя 8 переменных амплитудно-полуволновых и фазовых сигналов;

р (Ах) - вносимый контролируемым устройством 3 фазовый сдвиг на примере кон- кретных схем фазовых датчиков, 45 определяемый как

р arctg

1

CoYVp-nи р arctg 2 jrfe С RM( H)

соответственно, где Vp-n - контролируемое напряжение постоянного тока; Со начальная емкость р-п -перехода стабилитрона 28 при k - конструктивный коэффициент, характеризующий контактную

ч(

, иГ и;((м

f lLNon N00 J

Ј 0,1..,

Nc

КЬ -1

,...NC

35

Ј 0,1,., NB

0

5

0

5

Non - выбранное по требуемой точности число фазовых сдвигов и измерений по опорным сигналам, определяющее величину дискрета 360/N0n фазового сдвига, устанавливаемого по входу управления 12 (фиг.1);

NB Non/Ke-1 - число необходимых фазовых сдвигов квазианалогового сигнала воздействия, обеспечивающее необходимое повышение быстродействия фазового детектирования и измерения в Кб 2,3,.,(Non+1) раз, которое может выбираться из указанного ряда значений коэффициента быстродействия Кб и которое устанавливается по входу управления 13 (фиг.1).

Амплитудно-полуволновое балансирование площадей полуволн при фазовом детектировании и фазовая компенсация по квазианалоговому сигналу могут осуществляться как порознь, так и одновременно, взаимно дополняя друг друга по своим достоинствам, обеспечивая повышение быстродействия фазового детектирования в два и более раз, при этом позволяя уменьшить дискрет фазовых сдвигов по опорному сигнал 360/Non увеличением числа N0n, что обусловливает повышение точности при выбранном быстродействии (увеличение Кь), нейтрализуя тот факт, что обычно (как у прототипа и аналога) с повышением точности (увеличением числа N0n) уменьшением фазового дискрета должно снижаться быстродействие по гиперболическому закону в координатах точность - быстродействие. Одновременно при этом повышается динамическая устойчивость работы устройства к случайным выбросам по величине измеряемых параметров фазового датчика 3.

Таким образом, устройство, реализующее и раскрывающее способ фазового детектирования, не снижая точности измерений и контроля или повышая ее уменьшением дискретности фазовращения формирователем 2, обеспечивает повышение быстродействия в связи с возможностью осуществления изменения амплитуд полуволн и фазовращения формирователем 8 квазианалогового синусоидального сигнала воздействия.

Более того, устройство повышает принципиально точность фазового детектирования измерения и контроля с связи с тем, что предлагаемый способ обеспечивает как детерминированную связанность всех параметров спектра (частота, фаза, коэффициент формы и уровень)„т.е. полную когерентность, так и их независимость в широких диапазонах изменений, т.е. абсолютную когерентность, что интерпретируется п-мер- ным вектором, представляемым в виде предельной композиционной суммы коэффициентов корреляции параметрических функций частоты и их последующих производных с нарастающим от члена к члену порядком, при этом для абсолютной когерентности вектор обозначает одну из выбранных материальных точек шаровой поверхности. Поэтому предлагаемый способ повышает точность фазового детектирования исключением погрешности (е) , присущей прототипу и аналогам, при формировании квадратуры опорных сигналов, так как решает эту проблему обеспечением абсолютной когерентности сигналов воздействия и опорных, формируя их квазианалоговыми все без исключения и обеспечивая детерминизацию фазового детектирования и тем самым детерминизацию интегрируемого приращения напряжения и его аналого- цифрового преобразования.

Формул а изобретения Способ фазового детектирования, по которому генерируют сигнал воздействия и опорные когерентные сигналы, осуществляют детектирование по фазе, перемножая смещенный по фазе измеренный сигнал, фаза которого изменена пропорционально величине измеряемого параметра, с опорным сигналом и со смещенным по фазе на 90°

0 квадратурным опорным сигналом, измеряют синфазную и квадратурную части изме- ряемого сигнала по отношению к соответствующим опорным сигналам, осуществляют сдвиг фазы опорного сигнала и

5 фазы квадратурного опорного сигнала на угол 360°/N0n, где N0n - число, выбранное по требуемой точности измерений по опорному сигналу, отличающийся тем, что с целью расширения области при0 менения, повышения быстродействия и точности фазового детектирования, генерируемый сигнал воздействия распределяют по времени в пдф направлениях и из распределенного сигнала воздействия фор5 мируют абсолютно когерентно квазианалоговый синусоидальный сигнал с числом уровней квантования Пкф, осуществляют изменение в сторону уменьшения величины амплитуды первой полуволны Umi квази0 аналогового синусоидального сигнала,.если у сформированного измеряемого сигнала фаза сдвинута в сторону отставания относительно фазы опорного сигнала или/и в сторону увеличения величины ам5 плитуды второй полуволны этого сигнала, а если у сформированного квазианалогового синусоидального сигнала фаза сдвинута в сторону опережения относительно фазы опорного сигнала, осуществляют из0 менение в сторону увеличения амплитуды первой полуволны квазианалогового синусоидального сигнала и/или в сторону уменьшения величины амплитуды второй полуволны Um2 этого сигнала соответствен5 но на величину Umi/Ne и Um2 NB, где NB число необходимых изменений амплитуды соответствующей полуволны Umi, Um2,после чего на любом из указанных изменений одной из амплитуд полуволн

0 осуществляют аналогичные с описанными операции формирования полностью когерентных, сдвинутых на различные значения фиксированных фаз, нескольких опорных квазинепрерывных в вершинах

5 сигналов, затем осуществляют фазовые сдвиги этих сигналов путем изменения начала распределения сигнала воздействия и сформированного измеряемого сигнала без разрушения когерентности, независимо от их частоты, до тех пор, пока не выполнится измерение, соответствую- жения п р о д ет е кт и р о в а н н о г о щее нулевому значению напря- сигнала.

Mi fl №

фаг. i

I

I

/

,

98С0081

-т-

СтЈлЛ;

/

i

i

rj - i ..:

L2Ј

k

ur.

1

г

20

23

-to

U3

25- ;

к 5.5

Jl

VI i.v