Цифровой фазометр Советский патент 1983 года по МПК G01R25/08 

(5) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР

1

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами,один из которых искажен шумами, а также гармоническими составляющими.

По основному авт.св. N° 7б7б64 известен цифровой фазометр, содержащий последовательно соединенные стробоскопический и аналого-цифровой преобразователи, синхронизирующий блок, запоминающий блок, два перемножителя,, подключенные к запоминающему блоку и через сумматоры с накопителями - к вычислителю функции arctg х/у, сумматор,.подключенный в аналого-цифровому преобразователю и синхронизирующему блоку, последо- вательно соединенные блок регистров и блок управления регистрами, который подключен к синхронизирующему блоку, причем выход блока регистров

соединен с пе емножителями и сумматором, а выходы синхронизирующего блока подключены к стробоскопическому и аналого-цифровому преобразователям и запоминающему блоку, выход сумматора соединен с блоком регист:ров 1.

Недостаток известного фазометра состоит в низкой точности измерения. Если и t-iw () входной сигнал, а квантования по уровню квант аналого-цифрового преобразователя (АЦП), то при Uo работоспособность измерителя становится невозможной в связи с большой погрешностью дискретизации по уровню.Причина этого в том, что аналого-цифровое преобразование осуществляется синхронизированным по уровню АЦП. Это значит, ,что при отсутствии внешних аддитив(ных шумов коды, снимаемые с АЦП в одноименных точках всех периодов, будут одинако39выми. Таким образом, для этой ситуации, усреднение по ансамблю теряет смысл и высокая точность измерения не может быть обеспечена . Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем что в цифровой фазометр, содержащий последовательно соединенные первый стробоскопический и аналого-цифровой преобразователи, синхронизирующий блок, запоминающий блок, два перемно жителя, подключенные к запоминающему блоку и через сумматоры с накопителями - к вычислителю функции arctg х/у, сумматор, подключенный к аналого-цифровому преобразователю и синхронизирующему блоку, последовательно соединенные блок регистров и блок управления регистрами, подклю ченный к синхронизирующему блоку, пр чем выход блока регистров соединен с перемножителями и сумматором, вход с выходом сумматора, а выходы синхро низирующего блока подключены к перйому стробоскопическому, аналого-циф ровому преобразователям и запоминающему блоку, введены последовательно соединенные генератор шума и второй стробоскопический преобразователь, выходом соединенный с первым входом первого стробоскопического преобразователя, и линия задержки, выходом соединенная со вторым входом второго стробоскопического преобразователя, а входом - со вторым входом первого стробоскопического преобразователя. В основе работы устройства лежит принцип усреднения результатов прербразювателей одного и того же мгновенного значения входного сигнала (в различных периодах )в цифровой код. При этом необходимо обеспечить на входе преобразователя аддитивную смесь преобразующего напряжения и шу ма с определенными характеристиками. Тогда, дисперсия погрешности .-п П J цii. . fe VV1 -tlrti U expf-f l Uo/J/ где Т)щ (Т, - дисперсия шума; - количество усреднений (J - шаг квантования по ур Hto; К - номер интервала квант Как видно из вырах ения для Эс при фиксированных yi и Up ростом дисперсии шума первое слагаемое увеличивается, а последнее - уменьшается. Таким образом, фракция имеет минимум. Достижение этого минимума обеспечивается при вполне определенном соотношении VuJ D --UjEH u(m-)3/4li:: Таким образом, одним из путей умены шения погрешности преобразования напряжения в цифровой код является перевод АЦП в режим несинхронного преобразования с небольшой (в пределах и ) дисперсией 21. На фиг.1 приведена структурная схема цифрового фазометра; на фиг.2эпюры напряжений, Устройство состоит из генератора i шума, стробоскопических преобразователей 2 и 3, линии А задержки, аналого-цифрового преобразователя 5, соединенного с сумматором 6, который подключен к блоку 7 регистров. Блок 7 регистров через перемножители 8 и 9 соединен с сумматорами 10 и 11 с накопителями, которые, в свою очередь, подключены к вычислителю 12 функции arctg х/у. Синхронизирующий блок 13 соединен с первым стробоскопическим преобразователем 3, аналого-цифровым преобразовтелем 5, сумматором 6, линией 4 задержки, блоком 14 управления регистрами и запоминающим блоком 15. Устройство работает следующим образом. Стробопреобразователь 3 производит квантование по времени входного сигнала, формируя на своем входе постоянное напряжение, пропорциональное мгновенному значению входного сигнала в момент считыван11Я. Поскольку стробоимпульсы сдвигаются во времени относительного входного сигнала, что обеспечивается синхронизирующим блоком 13 то на выходе стробопреобразователя 3 формируется ступенчатое напряжение, огибающа; которого повторяет входной сигнал. Аналого-цифро вой преобразователь 5 осуществляет дискретизацию напряжения с выхода стробопреобразователя 3, т.е. преобразует его в цифровой код. Блок 7 регистров содержит Р ре- . гистров, способных осуществлять нл598753

крплениеии отсчетов входного сигнала фиг.2 каждый. Блок И управления регистра- и u-r , ми подключает регистры по очереди к сумматору 6. В момент первого отсчета во втором периоде входного сигнала к сумматору 6 оказывается подключенным первый регистр блока 7 регистров. В момент первого отсчета в третьем периоде к сумматору 6 подключается снова первый регистр и т.д. Аналогично производится накопление информации в остальных регистрах. Деление «а уц , необходимое при усреднении, обеспечивается за счет снятия информации со старших разрядов регистра. Таким образом, по окончании всех усреднений в регистрах оказываются записанными коды, пропорциональные усредненным мгновенным значениям Входного сигнала во всех точках дискретизации (отсчета). Перемнржители 8 и 9 перемножают - код, например нулевой точки с первого регистра из блока 7 регистров, и коды весовых функций (sin ilt)tpИ cos ,) для рассматриваемого случая i О с запо минающего блока 15. Результаты перемножения переносятся в сумматоры 10 и 11с накопителями. Подобные onepa ции проводятся с кодами всех точек при вызове из запоминающего блока 15 соответствующих значений весовых функций. После обработки всего массива, . хранимого в блоке 7 регистров, в сум маторах 10 и 11 с накопителями оказы ваются записанными соответственно си нусная и косинусная составляющие разложения входного сигнала в ряд Фурье в базисе тригонометрических функций. Вычислитель 12 функции arctg х/у определяет искомый фазовый сдвиг. На фиг.2 показано возможное взаим ное расположение напряжения с выхода первого стробопреобразователя 3 и кванта АЦП 5. Поскольку U 7 то код, снимаемый с ЛЦП 5, будет нулевым, что эквивалентно отсутствию входного сигнала.Причина этого, как указывалось, в синхронизированности по уровню АЦП. Перевод АЦП 5 в режим несинхронного преобразования обеспечивается с помощью генератора 1 шума Сумма входного сигнала и шума на фиг

представлена значениями U Как видно, возможны ситуации, когда Jj UQ,т.е. код АЦП -5 станет отличным от нулевого значения. Многократное усреднение кодов, снимаемых с АЦП 5 для одной и той же точки отсчета, позволяет значительно повысить точность представления отсчетов и как следствие - снизить погрешность измерения при малых сигналах. . Случайное изменение порога срабатывания АЦП 5 обеспечивается подклю:Чением к накопительной емкости первого стробоскопического преобразователя 3 напряжения, которое является вы борками шума с нулевым усреднением, формируемым генератором 1 шума. Управление работой стробоскопического преобразователя 2 осуществляется стробоимпульсами, прошедшими через линию h задержки и задержанными относительно исходных примерно на половину периода. Технико-экономический эффект фазометра основывается на обеспечении возможности измерения с высокой точностью в большом динамическом диапаг зоне, Формула изобретения Цифровой фазометр по авт.св. № 7б7б6А, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные генератор мума и второй стробоскопический преобраователь, выходом соединенный с первым входом первого стробоскопического реобразователя, и линия задержки, ыходом соединенная с вторым входом торого стробоскопического преобраователя, а входом - с вторым входом ервого стробоскопического преобразоателя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 76766, кл. G 01 R 25/08, 16.10.78. 2.Ефимов В.М. Квантование по времени при измерении и контроле. М., Энергия, 1969, с.39. .

Vo

/

I/:

f

фуг. 2