Способ измерения изменений фазового сдвига периодических сигналов Советский патент 1982 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радио электронике и может быть использовано в измерительной технике при обработке фазомодулированных сигналов, преимущественно для измерения перемещения .

Известен способ измерения сдвига фаз между двумя периодическими сигналами, основанный на принципе гетеродинирования измерительных сигналов сигналами опорной частоты, сравнении фазы промежуточных частот с помощью фазочувствительного детектора, который вырабатывает импульсы, поступающие на гетеродин с целью достижения синфазности на входе фазочувствительного детектора Cl 3.

Недостатком такого способа является измерение фазового рассогласования только в интервале 0-2А, кроме того, невозможно прямое измерение скорости изменения фазйвого рассогласования.

Наиболее-близким по технической сущности к предлагаемому, является способ компенсационного измерения сдвига фаз, основанный на управлении постоянным напряжением временным сдвигом одного из входных напряжений до компенсации измеряемого сдвига фаз. Измерительный прибор показывает среднее за период значение напряжения компенсации, пропорциональное измеряемому сдвигу фаз t21.

Недостатком известного способа является возможность измерения только в диапазоне О-ЗбО, что ограничивает применение его в целом ряде измерительных устррйств, где нужно учитывать количество переходов через 2л.

Примем невозможно контролировать скорость изменения фазового рассогласования Отсутствие цифрового отсчета затрудняет применение способе в цифровых устройствах, так как поименение отдельного аналого-ци(й)о39

вого преобразователя приведет к дополнительным погрешностям.

Цепь изобретения -.расширение диапазона регистрации изменений фазы до , где К - коэффициент кратности при одновременном измерении скорости изменения фазы.

Поставленная цель достигается тем что выбирают частоту следования опорных сигналов многократно большую частоты следования измерительных сигналов, причем коэффициент кратности обратно пропорционален дискретности измерения изменений фазы, затем из опорной последовательности формируют вспомогательную последовательность сигналов с частотой, равной средней частоте измерительных сигналов, сравнивают временное положение измерительных и вспомогательных сигналов и формируют в зависимости от знака изменений фазы первый или второй импульсы, длительность которых равна временному интервалу между измерительными и вспомогательными сигналами, после чего изменяют временное положение вспомогательных сигналов на величину, равную длительности указанных импульсов, при этом первый импульс изменяет временное положение в сторону опережения, а второй - в сторону запаздывания, одновременно оценивают скорость изменения фазы по длительности указанных импульсов, а значение изменений фазы определяют путем интегрирования длительностей первого импульса со знаком плюс, второго - со значком минус.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - временная диаграмм работы устройства.

В устройство входит источник 1 сигналов опорной частоты, делитель 2 частоты, включающий первый двоичный каскад 3 на j-К-триггере с элементами Ц и S совпадения и элементом 6 объединения и второй каскад 7, импульс но- фазовый дискриминатор 8 на основе двух триггеров 9 и 10, элементы совпадения 11-13 и удвоителя 1 длительности, а также реверсивный счетчик 15 с элементом 16 совпадения. Вход триггера 9 соединен со входом 17 устройства.

Скорость изменения фазы контролируется по длительности сигналов на

4 Д

выходах 18 и 19, результирующиА сдвиГ-по состоянию разрядов счетчика 15.

Значение опорной частоты fp на выходе генератора 1 и коэффициент. К деления делителя 2 частоты выбирается исходя из необходимой дискретности измерения изменений фазы сигналов на входе 17.

Рассмотрим работу устройства с момента времени , когда фаза измерительного сигнала с частотой f по отношению к сигналам с частотой fo неизменна, частоты сигналов f и f на

выходе делителя 2 равны и формируются синхронно. При этом триггеры 9 и 10 дискриминатора 8 устанавливаются в единичное состояние одновременно, после чего сигналом с выхода элемента 13 возвращаются в исходное состояние. Очевидно, что сигналы фазового рассогласования на выходах элементов 11 и 12 формироваться не будут, что и соо ветствует нулевой

скорости изменения фазы. Элементы совпадения 5 и 1б закрыты, поэтому состояние рязрядов реверсивного счетчика неизменно. Поскольку сигналы управления первым каскадом делителя не формируются (сигналы переноса с первого каскада формируются элементом k совпадения, то фаза сигналов с частотой f(j также неизменна, т.е. состояние схемы является устойчи вым5.

При изменении временного положения сигналов на входе 17 например в сторону запаздывания, временное положение сигналов с частотами f

и fo станет как показано на фиг. 2р, 6. Поскольку триггер 10 установится в единичное состояние первым, то на выходе элемента 12 сформируется импульс (фиг. 2,в) сигнала фазового рассогласования, длительность которого равна величине фазового сдвига за один период. С целью определения величины фазового, сдвига в дальнейшем осуществляется восстановление равновесия путем сдвига во времени сигнала с частотой fy. Для этого вход делителя блокируется на время, равное длительности сигнала фазового рассогласования.

Сигнал с выхода элемента 12 поступает на вход j и К триггера 3, блокируя его работу.в счетном режиме. Состояние триггера 3, зафиксированное по переднему фронту сигнала на

выходе элемента 12, остается неизменным на протяжении всего импульса рассогласования. С целью исключения сигнала переноса элемент j совпадения также блокируется.5

Счетчик 15 и элемент 16 совпадения обеспечивают одновременное измерение величины фазового сдвига в виде количества периодов опорной частоты с .выхода генератора 1 за время, ю равное длительности сигнала рассогласования.

Очевидно, что измерение однократного сдвига осуществляется за один период следования сигналов с часто- is той fX.

В случае равномерного изменения фазы входных сигналов соответствующий сигнал рассогласования формируется в каждом периоде входных сигналов. 2о Длительность его представляет собой информацию о скорости изменения фазы и определяется количеством импульсов с частотой fQ в пачке на выходе элемента 16 совпадения„ Результат накоп-25 ления (интегрирования) количества импульсов в счетчике 15 представляет собой о&цее значение фазового сдвига.

Сдвиг за каждый период следова- зо ния сигнала с частотой fj будет компенсироваться соответствующим изменением временного положения сигналов с частотой f, поэтому общее значение изменения фазы может превышать jj 2л и ограничивается только объемом счетчика.

При сдвиге во времени сигнала с частотой fx в сторону опережения (фиг. 2,а,г) первым опрокидывается о триггер 9 и сигнал фазового рассогласования (фиг. 2,е) формируется на выходе элемента 11 совпадения. Этот сигнал через удвоитель Ц длительности поступает на входы j и К j блокирования триггера 3 первого каскада делителя, и, кроме того, на элемент удвоения частоты следования сигналов переноса на входе второго каскада 7 делителя 2. Это обеспечивает изменение временного положения сиг- налов с частотой fo в сторону опережения, причем величина сдвига равна длительности сигнала управления.

Поскольку формирование сигнала рассогласования на выходе элемента П и сдвиг сигнала с частотой f происходит одновременно, а окончание сигнала на выходе элемента П определяется моментом формирования сигнала с частотой fp (фиг. 2,i-), то длительность сигнала на выходе элемента 11 окажется вдвое меньше фактического рассогласования. Для компенсации этого уменьшения служит удвоитель длительности, формирующий сигнал (фиг. 2,), длительность которого равна фактическому рассогласованию на момент поступления входного сигнала с частотой f.

Число периодов опорной частоты f определяемое длительностью сигнале управления (элемент 5), подсчитывается счетчиком 15 по другому входу.

Как и в предыдущем случае, общий фазовый сдвиг может превышать 2 5Г и определяется объемом счетчика.

В исходный момент времени или во время переходных процессов при включении питания разряды реверсивного счетчика должны быть установлены в состояние, соответствующее начальном отсчету, а фазовое рассогласование сигналов с частотами fo и f будет отработано автоматически.

Как видно, устройство, реализованное по предлагаемому способу, отличается существенной простотой, не связано с выполнением каких-либо математических операций и выделения моментов времени изменения фазы со значения 2J на О и наоборот, работает в реальном масштабе времени. При этом одновременно определяется как величина изменения фазы периодических сигналов, так и скорость ее изменения.

Формула изобретения

Способ измерения изменений фазового сдвига периодических сигналов, основанный на сравнении временного положения измерительных и опорных сигналов, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазо на регистрации изменений фазы до +360° К, где.К - коэффициент кратности, выбирают частоту следования опорных сигналов многократно большую частоты следования измерительных сиг налов, причем коэффициент кратности обратно пропорционален дискретности измерения изменений фазы, затем из опорной последовательности формируют вспомогательную последовательность с частотой, равной средней частоте измерительных сигналов, сравниваот временное положение измерительных и вспомогательных, сигналов и формируют в зависимости от знака изменений фазы первый или второй импульсы, длительность которых равна временному интервалу между измерительным и вспомогательным сигнала ми, после чего изменяют временное положение вспомогательных сигналов на величину, равную длительности ук занных импульсов, при этом первый импульс изменяет временное поло)йение в сторону опережения, а второй 8 в сторону запаздывания, одновременно оценивают скорость изменения фазы по длительности указанных импульсов, а значение изменений фазы определяют посредством интегрирования длитель ностей первого импульса со знаком плюс, второго - со знаком минус. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.СМИР.НОВ П.Г. Цифровые фазометры. Л., Энергия, 197, с. 7-8. 2.Авторское свидетельство СССР ff 387301, кл. G 01 R 25/00, 1970,