Способ измерения сдвига фаз и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01R25/08 

(5) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к радиоизме рительной технике и может быть испол зовано для измерения сдвига фаз с по вышенной точностью и помехоустойчивостью. Известен способ измерения сдвига фаз, основанный на ортогональной обработке, заключающийся в том, что формируют квадратурные составляющие опорного сигнала, перемножают интегрируют и вычисляют результаты измерения 1 . Недостатком известного способа является низкая точность измерения. Известен также способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том,что ограничивают измеряемый сигнал, формируют сдвинутые во времени импульсные последовательности, выделяют импульсы, соответствующие передним фронтам ограниченных измеряемых сигналов, совпавших с соответствующими импульсными последовательностями,умножают на коды чисел, соответствую(цих синусам и косинусам импульсных последовательностей, накапливают результаты умножения и вычисляют результат измерения 2 . Недостаток известного способа большая погреижость измерения. Известно устройство для осуществления способа измерения сдвига фаз, содержащее генератор опорного напряжения, квадратурный фазовращатель, перемножители, интеграторы, блок вычисления отношения двух сигналов и тригонометрический преобразователь З . Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, связанная с особенностями реализации операций способа. Известно также устройство для осуществления способа измерения сдвига фаз, содержащее ограничитель измеряемого сигнала, генератор опорного напряжения, (|юpмиpoвafeль опорных импульсных последовательностей, реверсивные счетчики, постоянный запоминающий блок, перемножители, блок управления и арктангенсный вычислительный блок t. Недостаток известного устройства большая погрешность измерения особен ности при больших отношениях сигнал/ шум. Целью изобретения является повышение точности измерения, при любом отношении сигнал/шум. Поставленная цель достигается тем .что в способе измерения сдвига фаз, заключающемся в том, что ограничиваю измеряемый сигнал, формируют сдвинутые во времени импульсные последовательности , умножают их на коды чисел соответствующих синусам и косинусам импульсных последовательностей, накапливают результаты умножения и вычисляют измеренное значение фазового сдвига, опорные импульсные последова тельности перемножают с ограниченным измеряемым сигналом, сформированные в результате перемножения интервалы времени заполняют счетными импульсами, количество которых подсчитывают. Устройство ДЛЯ осуществления способа, содержащее ограничитель измеряемого сигнала, генератор опорного напряжения, формирователь опорных импульсных последовательностей, реверсивные счетчики, постоянный запоминающий блок, перемножители, блок управления и вычислительный блок, причем генератор опорного напргяжения соединен с входом формирователя опор ных импульсных последовательностей и входом блока управления, выходы реверсивных счетчиков соединены с соответствующими входами перемножите лей, выходы которых соединены с входами вычислительного блока, управления соединен с входом постоянного запоминающего блока, выход которого соединен с входами перемножителей, снабжено двумя группами логических элементов и генератором импульсов, причем входы первой группы логических элементов соединены с выходами ограничителя измеряемого сигнала и генератора опорного напряжения, входы второй группы логических элементов - с выходами первой группы логиМеских элементов и выходами формирователя опорных импульсных последова тельностей, а выходы,- с соответствующими входами реверсивных счетчиков, другие входы которых соединены с генератором импульсов. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений в различных точках устройства. Устройство содержит ограничитель 1, генератор 2 опорного напряжения, формирователь 3 опорных импульсных последовательностей, логические элементы 4-6-1, - 6-п,7-1, - 7-п, блок 8 управления, реверсивные счет.чики 9-1, -, 9-п, 10-1, - 10-п, генератор 11 импульсов, перемножители 12 и 13, постоянный запоминающий блок It, вычислительный блок 15, причем ограничитель 1 соединен со входами логических элементов 4 и 5, генератор 2 опорного напряжения - со вторыми входами логических элементов 4 и 5 и со входом формирователя 3 опорных импульсных последовательностей, выходы логических элементов 4 соединены со входами логических -элементов 6-1 ,6-п, выходы логического элемента 5 соединены со входами логических элементов 7-1, - 7-п, логические элементы 6-1, - 6-п, 7-1, - 7-п по другим входам подключены к выходам формирователя 3 опорных импульсных послеДовательностей , выходы логических элементов 6-1, - 6-п, 7-1, - 7-п подключены ко входам реверсивных счетчиков 9-1,-9-п, 10-1,-Ю-п, блок 8 управления подключен к логическим элементам 6-1,-6-п, 7-1,-7-п,-и генератор 11 импульсов подключен к реверсивным счетчикам 9-1,-9-п, 10-1,10-п и выходы реверсивных счетчиков 9-1,-9-п, 10-1,-10-п подключены к перемножителям 12 и 13, выход постоянного запоминающего блока 14 подключен к перемЛожителям 12 и 13, выхбды которых подключены к вычислительному блоку. Устройство работает следующим образом. Входной измеряемый сигнал поступает на ограничитель 1, с выхода ограничителя снимаются ограниченные прямоугольные импульсы (фиг. 2а).Эти импульсы подаются на логические элементы 4 и 5. Опорный сигнал формируется генератором 2 опорного напряжения , причем генератор 2 формирует квадратурные составляющие ограниченного опорного сигнала (фиг. 26 и в). Прямоугольные импульсы, соответствующие синусоидальной составляющей sos(t) 592 (фиг,2в) поступают на логический элемент 5, а импульсы, соответствующие косинусоидальной составляющей sos(t) (фиг. 26) - на логический элемент +. С выходов логических элементов и 5 снимаются две последовательности прямоугольных импульсов, у первой (фиг. 2-Ца, фиг. 2-5а) логические единицы соответствуют промежуткам совпадений полярно.стей входных импульсов, у второй (фиг. , фиг.2-56 )логические единицы соответствуют промежуткам, в течение которых не совпадают полярности, импульсные последовательности с выхода логического элеменН та подаются на входы логических элементов 6-1,-6-п, с выхода логического элемента 5 - на входы логических элементов 7-1,. На дополнительные входы логических элементов , - б-п импульсные последовательности под ются с формирователя 3. Данные импул сные последовательности характеризую ся следующим: период опорного сигнал разбивается на Р интервалов. С привязкой к данным интервалам формирую ся симметричные прямоугольные импул ные последовательности. Для yмeJ ьшeния погрешности нужно исключить из опорного сигнала нечет ные гармоники. Полностью это сделат невозможно. В данном случае с увеличением Р, их число уменьшается. Так, при исключается 3-я, и 7-я гармоники. При исключается еще дополнительно 9-я и 11-я гармоники. Исключение гармоники на|- лядно вытекает из спектрального разложения аппроксимированной синусоидальной функции. Следует заметить что для осуществления способа можно использовать и иные структуры импульсных последовательоноей, но использованные в данном устройстве минимизируют объем аппаратуры (число логических элементов и реверсивных счетчиков). Далее импульсные последовательности с выхода формирователя 3 поступают на вторую группу логичес ких элементов 6-1,-6-п, 7-1,-7-п. Сигналы с выходов логических элементов 6-1,-6-п, поступают на управление реверсивных счетчиков 9-1,-9-п, 10-1,-10-п, на счетные входы которых подаются счетные импульсы от генератора 11 импульсов. Реверсивные счетчики , 10-1-10-п осуществляют алгебраический подсчет числа импульсов, поступибших на вход в моменты действия на его управляющих входах импульсов с выходов логических элементов второй группы 6-1,-6-п, 7-l77-n. Подсчет импульсов производится в течение ограниченного времени измерения, определяемого блоком 8 управления. По окончании измерения коды чисел с реверсивных счетчиков ,9П, 10-1 i-10-п поступают на перемножители 12 и 13, в которых осуществляется перемножение кодов чисел с реверсивных счетчиков 9-1-9-п, 10-1-10-п на коды чисел, формируемых постоянным запоминающим блоком 1, которые соответствуют значениям синуса и косинуса опорного сигнала в момента, соответствующие серединами опорных импульсных последовательностей. По результатам перемножения результат измерения определяется в арктангенсном вычислителе. Способ обеспечивает измерение сдвига фаз со случайной погрешноЬтью при воздействии нормальных шумов, близкой к минимальной, реализуемой при измерении при любом отношении сигнал/шум. Систематическая погрешность имеет место, но она значительно меньше, чем систематическая погрешность в известном способе. ТаК при систематическая погрешность в известном способе при больших отношениях сигнал/шум более 10. При систематическая погрешность не превышает О,1° при любом отношении сигнал/шум. ПрИоувеличении числа Р разбиений периода опорного сигнала на интервалы систематическая погрешность может быть уменьшена до любого минимального значения. От количеств выбранного Р зависит число логических узлов и реверсивных счетчиков п. При количество , при 3 что вполне приемлемо при реализации способа, т.е. обеспечение погрешности на уровне О,1 доле градуса не приводит к значительному усложнению устройства для осуществления способа . Итак, технико-экономический эффект изобретения заключается в повышении точности измерения сдвига фаз а широком диапазоне отношений сигнал/шум и при воздействии помех любого вида. При сравнении с известным способом пои выборе одинакового количества разбиений периода на временные интервалы, например, систематическая

погрешность уменьшается от величины,

;я до 0,1°. превышающей 10

Формула изобретения

Источники информации, лринятые во внимание при экспертизе

№ l, кл. с oi R 25/00,24.03..

. Драбкин Р,Л. Построение оптимального измерителя фазы.- Вопросы электроники. Сер. X. Техника радио: связи, 1967, вып. 5, с. .

а

М

гг &(

S

fefi)

I