Цифровой фазометр Советский патент 1993 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радиолокации и радионавигации для измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами при наличии узкополосной аддитивной помехи.

Цель изобретения - повышение точности определения сдвига фаз.

Сущность изобретения заключается в разделении измерений за интервал накопления на измерения, приводящие к ошибке из-за разрыва фазы в точке 0 - 360°, и не приводящие к такой ошибке, и в последующей компенсации ошибки, вносимой первой группой измерений.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием блоков выбора поправки и вычисления поправок, а также их связей.

Сравнение заявляемого устройства с другими аналогичными устройствами показывает, что введение новых блоков и их связей дает возможность значительно повысить точность определения сдвига фаз при небольших отношениях сигнал/шум.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.

Цифровой фазометр содержит первую 1 и вторую 2 входные шины, соединенные соответственно со входами первого и второго усилителей-ограничителей 3 и 4, выходы которых соединены со входами АЦП фаза-код 5, выходы которого соединены со входами накопительного сумматора б, сумматор 7, выходную шину 8, мультиплексор 9, а также блоки выбора поправки 10 и вычисления поправок 11, входы которых соединены с выходом АЦП фаза-код 5, с шиной ТАКТ, с тактовым входом АЦП фаза-код 5, с тактовым входом накопительного сумматора 6 и с тактовым входом блока обнуления 12, выход которого соединен с собственным входом обнуления, с выходом синхронизации 13 и со входами обнуления накопительного сумматора 6, блока выбора поправки 10 и блока вычисления поправок 11, выходы последних двух соединены соответственно с управляющими и информационными входами мультиплексора 9, выходы которого соединены со второй группой входов сумматора 7, первая группа входов которого

ел

соединена с выходами накопительного сумматора 6, а выходы - с выходной шиной 8.

Кроме того, в цифровом фазометре блок выбора поправки 10 выполнен в виде набора дешифраторов и счетчиков, причем входы всех дешифраторов соединены с выходом АЦП фаза-код 5, а выходы - с входами разрешения счёта соответствующих счетчиков, счетные входы которых соединены с шиной ТАКТ, а выходы - с соответствующими входами управления мультиплексора 9.

Кроме того, в цифровом фазометре блок вычисления поправок 11 выполнен в виде набора дешифраторов и счетчиков, выходы последних из которых соединены с информационными входами мультиплексора 9, счетные входы - с шиной ТАКТ, а входы разрешения счета - с выходами соответствующих дешифраторов, входы которых соединены с выходами АЦП фаза-код 5.

Цифровой фазометр работает следующим образом.

Входные сигналы со входов 1 и 2 поступают через усилители-ограничители 3 и 4 на вход АЦП фаза-код 5, на выходе которого формируется код. пропорциональный сдвигу фаз $ между входными сигналами. В накопительном сумматоре б производится суммирование отдельных измерений в на интервале времени, равном 2Г периодам тактовых импульсов. Тактовые импульсы формируются в усилителе-ограничителе 3 или 4, в зависимости от того, куда поступает опорный сигнал, и с выхода АЦП фаза-код 5 поступают на шину ТАКТ. Таким образом вычисляется сумма 2Г отдельных измерений #,. За интервал времени, равный периоду накопления накопительного сумматора 6, в блоке выбора поправки 10 определяется такое значение сдвига фаз &.пор.. которое не принадлежит области Д#, охватывающей все возможные измерения $, отличающиеся друг от друга на величину, не превышающую максимально допустимого разброса Ар (Ар 360°). Интервал накопления определяет блок обнуления 13, который может быть выполнен в виде счетчика (например, 530 ИЕ17), выход старшего разряда которого формирует сигнал обнуления как самого счетчика, так и других блоков схемы. Блок выбора поправки 10 можно выполнить в виде набора дешифраторов и счетчиков. Спектр всех возможных значений ф разбивается с помощью дешифраторов на несколько секторов. Счетчики определяют число измерений $, входящих в выбранные сектора, за интервал накопления за счет того, что логический уровень на выходе дешифратора, разрешающий считывание тактовых импульсов, появляется только при попадании отдельного измерения в, в сектор, определяемый данным дешифратором. Характер распределения отдельных измерений в по секторам, как будет показано ниже, дает возможность разделить все отдельные измерения за период накопления на измерения, приводящие к ошибке, связанной с наличием точки разрыва фазы 0 - 360°, и измерения, не приводящие к подобной ошибке.

Тактовые импульсы, синхронизирующие работу накопительного сумматора 6,

блока выбора поправки 10, блока вычисления поправок 11 и блока обнуления 12, передаются из АЦП фаза-код 5, который транслирует их из усилителя-ограничителя, принимающего опорный сигнал. Блок обнуления 12 определяет интервал накопления, равный 2Г тактовых импульсов, посредством формирования сигнала обнуления.

При этом предлагается следующая схема разбиения на сектора. Ширина каждого

сектора должна составлять 180°. Тогда лишь по одному выходу счетчика, определяющего количество измерений Охлопавших в выбранный сектор, можно оценить: больше половины измерений $ попало в этот сектор,

или меньше половины. Так единичный уровень на 2Г выходном разряде счетчика свидетельствует о том, что число измерений &,. попавших в выбранный сектор, превышает величину 2г/2, то есть превышает половину

измерений за интервал накопления. Нулевой уровень на выходном разряде счетчика свидетельствует об обратном.

Теперь рассмотрим, какое количество и какое взаимное .расположение секторов необходимо для однозначного определения &.пор. при условии минимальных аппарат турных затрат. Эти вопросы связаны с мак- симально допустимым разбросом Ар значений $ из-за воздействия шумов. В качестве примера приведем следующую таблицу (табл, 1)

где А 0- максимальная зона разброса измерений 0 относительно истинного значе- ния сдвига фазы вп;

А- зона, не охватываемая зоной Дф К - целое число зон А укладывающихся в диапазоне 360°;

&.пор. - точки раздела областей значений ф на область 1 (область значений в от 0° до .пор., приводящих к ошибке из-за наличия точки разрыва фазы 0 - 360° и область 11 (область значений & от ft.nop. до 360°, не приводящих к ошибке).

Число К определяет минимальное количество значений вк.пор., а 1А|- максимальное расстояние между соседними $с.пор.

При выполнении этих условий для любого истинного значения сдвига фаз вп всегда найдется такое &.пор., которое не будет охвачено разбросом Д0, что и необходимо для разделения всех значений ф на области 1и.11.

Для однозначного определения А в (а, значит, и &.пор.) предлагается разбиение всего диапазона значений $ на К/2 секторов шириной 180° и сдвинутых друг относительно друга на величину IAI. причем первый сектор предлагается сместить на IAI/2 относительно 0° против часовой стрелки. Такое смещение первого сектора, обусловлено выбором первого значения Фс.пор., равным 0°, при котором к значению, вычисленному накопительным сумматором 6, не потребуется добавления корректирующей поправки. Это позволяет уменьшить число узлов, определяющих величины поправок, с К штук до К-1 в блоке вычисления поправок 11. Для наглядности проведенных рассуждений приведем таблицу для Ар в 7 я/4 (табл. 2). Такое значение Ар требует наличия 4 секторов (К/2 4, табл. 1). которые обозначим следующим образом: С16 я/8, 3 я/8, С2 € Зя/8, 5 ж/8.

C3€R я/8, 7 я/8, я/8, 9я/8. В табл. 2 нули и единицы в строках С1, С2, СЗ и С4 свидетельствуют, больше (единица) или меньше (нуль) половины измерений & попало в данный сектор. Табл. 2 наглядно демонстрирует однозначность соответствия кода на выходах четырех счетчиков, определяющих количество измерений $, попавших в соответствующие четыре сектора С1, С2. СЗ и С4, одному значению вк.пор. Это значение вк.пор. и определяет границу раздела областей значений И на области 1 11. .. , ; V. : . ../

Для компенсации ошибки, вносимой измерениями 6, попавшими в область 1 О, А.пор., необходимо к каждому из этих значенийQI добавить 360°. Эта операция экви- ваяентна переносу точки разрыва фазы 0 - 360 в точку &.пбр, а так как &.пор. не принадлежит области Д.0, то в результате такого преобразования удаётся избавиться от ошибок, связанных с наличием разрыва фазы. ; ; . .- .

В предлагаемом устройстве компенсация ошибки накопительного сумматора 6 осуществляется путем добавления к его результату величины пк 360°. где п« - число отдельных измерений Ф. попавших в область , велюр.. Так как вк.пор. может при0

5

нимать несколько значений, в зависимости от величины Ар (табл. 1), то, следовательно, необходимо и несколько счетчиков для определения пк. Так, при Ар 7 я/8, #к.пор. может принимать 8 значений (табл. 1), которые определяют семь областей 1: 0, я/4, О, я/2, 0,3 я/4, 0, я, 0,5 я/4, 0,3 я/2, 0,7 я/4. Следовательно, необходимо 7 счетчиков, каждый из которых будет определять число Пк измерений ф, попавших в свою область. В зависимости от #к.пор. добавляется одна из семи поправок.

Блок выбора поправки 10 позволяет определить вк.пор., что, в свою очередь, однозначно определяет, какую из поправок через мультиплексор 9 подать на вторые входы сумматора 7. Величина всех возможных поправок определяется в блоке вычисления поправок 11, который предлагается выполнить в виде набора дешифраторов на все возможные области 0, вк.пор. и такого же количества счетчиков для определения

Пк, : - . -V- - ;; .

Результат с выхода накопительного сумматора 6 поступает на первые входы сумматора 7. Код же числа пк подается на вторые входы, причем таким образом, чтобы младший разряд числа пк соответствовал разряду с ценой 360°. То есть на выходе .сумматора 7 получается результат

2г-1 . .:

#2 2 i+пк -360° .;. i-o... . Откинув от него г младших разрядов, пол5 искомую среднюю оценку сдвига фаз 0 6z/2r.л

Предложенная структура построения цифрового фазометра позволяет значительно повысить точность определения $при

0 небольших отношениях сигнал/шум за счет добавления поправок, компенсирующих ошибку усреднения, возникающую вследствие наличия точки, разрыва фазы 0 - 360°. Для определения предполагаемого эко5 номического эффекта от внедрения предложенного фазометра сравним его с базовым устройством ШПИР. 461314.001, в котором реализован прототип. Рассмотрим случай, когда выход АЦП фаза-код четырехразрядный, число выборок за интервал накопления не превышает 16. а дисперсия случайной величины и составляет OQ - я/б. В этом

случае для реализации устройства по структурной схеме прототипа потребуется 24 микросхемы. При этом максимальная ошибка д определения сдвига фаз в составит:

I 5i I а#/16 +Ар Pi -180/ /16-6+45-0,067 «5 град.

0

5

0

0

5

В предлагаемом варианте для реализации устройства с допустимым разбросом Ар 2 я/3 потребуется 16 микросхем, Причем максимальная ошибка д составит:

I & i (70/16 + Др2 Р2

180/6 16 + 180 3 град, где Pi м Ра - вероятности отклонений измеренных значений $ от истинного значения сдвига фаз на величину превышающую Api и Д р2 соответственно, при заданной дисперсии а л/6. Величины Pi и Pa определены по таблице приложения 1.

Из сборника Обмен опытом в радиопромышленности известно соотношение:

Т2/Т1 V E2/B1 SK -VC2/C1 0) где К - коэффициент, устанавливающий нижний порог эффективности, который можно принять равным единице;

С2, Т2, Б2 и С1, Т1, Б1 - стоимости, точности и быстродействия базового и предлагаемого устройств соответственно.

Согласно формуле (V) определим эквивалентную стоимость С2 базового образца при достижении им параметров предлагаемого устройства:

С21 (Т2/Т1)2Б2С1/Б1

- (5/3)2124«67р

Здесь отношение Б2/Б1 принято равным 1, так как по быстродействию предлагаемое устройство не уступает базовому, а С1 определено как С1 18 Сер, где ССр - средняя стоимость микросхем (принята Сер 1,5 р).

Экономический эффект теперь можно определить по формуле:

Э - С21 - С1 67 - 27 - 40 р/шт

Формула изобретен и я 1. Цифровой фазометр, содержащий первую и вторую входные шины, соединенные соответственно с входами первого и второго усилителей-ограничителей, выходы которых соединены с входами аналого-циф- рового преобразователя (АЦП) фаза-код, выходы которого соединены с входами накопительного сумматора, сумматор, выходную шину, мультиплексор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в

него введены блоки выбора поправки и вычисления поправок, входы которых соединены с выходом АЦП фаза-код, с шиной Такт, с тактовым входом АЦП фаза-код, с тактовым входом накопительного сумматора и с

тактовым входом блока обнуления, выход которого соединен с собственным входом обнуления, выход которого соединен с собственным входом обнуления, с выходом синхронизации и с входами обнуления накопительного сумматора, блока выбора поправки и блока вычисления поправок, выходы последних двух соединены соответственно с управляющими и информационными входами мультиплексора, выходы

которого соединены с второй группой входов сумматора, первая группа входов которого соединена с выходами накопительного сумматора, а выходы - с выходной шиной.

2. Фазометр по п. 1, от л и ча ю щ и й- с я тем, что блок выбора поправки выполнен в виде набора дешифраторов и счетчиков, причем входы всех дешифраторов соединены с выходом АЦА фаза-код, а выходы - с входами разрешения счета соответствую- щих счетчиков, счетные входы которых соединены с шиной Такт, а выходы - с соответствующими входами управления мультиплексора.

3. Фазометр по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что блок вычисления поправок выполнен в виде набора дешифраторов и счет- чиков, выходы последних из которых соединены с информационными входами мультиплексора, счетные входы - с шиной Такт, а входы разрешения счета - с выходами соответствующих дешифраторов, входы которых соединены с выходами АЦП фаза-код,

Использование: радиоизмерительная техника, измерение сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами. Сущность изобретения: устройство содержит две входные шины, два усилителя-ограничителя, АЦП фаза-код, накопительный сумматор, сумматор, выходную шину, мультиплексор, блоки выбора поправки, блоки вычисления поправок, блок обнуления, выход синхронизации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Таблица 1

Таблица 2