Изобрет€ ние относится к измерению электрических величин, в частности к измерению фаз сигналов, диапазон изменения которых значительно превьвва- ет Збо.
Устройство может быть использрвгано в многошкальных фазовых измерит ях многозначности фазового отсчета.
Известно устройство устранения, содеряСешее генераторы селекторн 1х импульсов и элементы И, причем выход первого генератора селектсфных импульсов соеди1 ен. с одним из входов первого элемента И, вход - с одним иэ входов второго элемента И, кроме того, выход второго генератора селекторных импульсов соединен с другим входом йторого элемента И,вход- с другим входом первого элемента И ti1« Основным недостатком устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью использования фазовременного преобразо вания. Кроме того, устройство ха рактеригГуётся невысокой достоверностью измерений, т.е. большой вероятностью неправильного определения числа целых периодов фаз, вследствие использования лишь двух измерительных шкаш.
Известно устройство, раскрытия многозначности фазовых измерений, содержащее блок ввода поправки и последрвательно соединенные блок спрямления точной шкалы, сумматор, блок, вычисления остатков, блок анализа, блок вывода результата, причем второй выход блока анализа соединен с входом блокд ввода поправки,
10 выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с вторым входом блока вывода результата t2l.
Известное устройство обладает
15 довольно высокой достоверностью измерений, однако быстродействие устройства - из-за необходимости вычисления наборов остатков для множества значений остается низким.
20 Причем этот недостаток усугубляется при увеличении масштаба. точной шкалы измерителя, т.е при повышении его точности. Кроме того, в устройстве определяется только число целых
25 циклов фазы измерений по точной шкале, в результате чего не реализуется потенцисшьная точность измерителя.
Цель изобретения - повышение бы30 .стродействия устройства наряду с
обеспечением высокой достоверности измерений.
Поставленная цель достигается тем что в устройство разрешения многозначности фазовых измерений, содержащее m фазовых датчиков, т-1 блоков определения остатка от OKpyipления, т-1 сумматор, введены т-1, т-входовых весовых сумматоров, т-1 блоков округления до целого, блоков умножения, ш блоков определения числа целых циклов, т-1 - входовой весовой сумматор, элемент сравнения, причем выходы m фазовых датчиков соединены с соответствую цими входами ш-в ходовых весовых сумматоров, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока определения остатка от округления и с входом блока округления до целого, выход которого соединен с входом каждого из m блоков определения числа целых.циклов, через последовательно соединенные сумматор и соответствующий блок умножен ия, кроме того, первые выходы блоков определения остатка от округления соединены с вторыми входами соответствующих сумматооов, выходы - с входами т-1 входового весового сумматора, выход которого coe динен.с первым входом элемента сравнения, при этом к выходу элемента сравнения подключены третьи входы сумматоров, а к второму входу клемма порогового кода,
В предлагаемом устройстве разрешение многозначности производится посредством вычисления т-1-ой координаты проекции т-мерного вектора измерений фаз на гиперплоскость, перпендикулярную вектору масштабных коэффициентов шкал измерителя, Иэ геометрической интерпретации разрешения многозначностиследует, что гиперплоскость разбивается на так называемые собственные или однозначные области„ Точкам каждой из областей Соответствуют определенные набор чисел целых циклов.
Для данных масштабных коэффициентов шкал измерителя можно опредеЛ1йть однозначное соответствие между координатами каждого из центров однозначных областей и набором га чисел целых циклов. Кроме того, для оптимальных по критерию максимума достоверности масштабных коэффициентов существуют вполне определенные расположения центров однозначных областей для каждого значения т.
Центры однозначных областей накодятся ц вершинах ш-1-мерных прямоугольных параллелепипедов соответствующих размеров и в их центрах. На гиперплоскости выбирают базис таким образом, чтобы центры параллелепипедов имели целочисленные координаты, а вершины - полуцелочисленные координаты. В этом случае в центральной части параллелепипеда находится одна однозначная область целиком, причем одна часть ее границы совпадает с гранями параллелепипеда, а другая часть определяется линейным уравнением модулей разностей координат проекции вектора измерений фаз и координат центра параллелепипеда. В каждом из 2 углов паргшлелепипеда находится 1/2 часть другой однозначной области, центр которой совпадает с соответствующей вершиной параллелепипеда.
При таком выборе базиса легко определить для любой точки гиперплоскости координаты ближайшего (что соответствует разрешению многозначности методом максимального правдоподобия) центра однозначной области. Действительно, округляя координаты точки до целового числа, находим координаты центра параллелепипеда, т.е. координаты центральной однозначной области. Сравнивая взвешенную сумму модулей остатков от округлния с постоянной величиной, фиксируем, в случае не превышения ее, попадание точки в центральную однозначную область, в противном случае в одну из угловых областей. В последнем случае координаты центра соответствующей однозначной области вычисляются посредством прибавления к координатам центра параллелепипеда чисел 0,5 с соответств5тощими знаками.
того, так как укладка центров однозначных областей является решетчатой, то имеется простая, в данног/ базисе аналитическая связь между координатами центра однозначной области и искомым набором чисел целых циклов, а именно: при изменени величин координат центров однозначных областей пропорционально изменяются значения чисел целых циклов с определенными коэффициентами пропорциональности по каждой координате
В соответствии с этим числа целых циклов, соответствующие измеренным значениям фаз, определяются посредством почленного сложения m-1-ro набора m чисел, постоянных для данных масштабных коэффициентов.-шкал измерителя, с весами,равными значениям найденных координат центра однозначной области.
Таким образом, в предлагаемом устройстве при разрешении многозначности фазовых измерений используются определенность форм однозначной области, а также связь между ее расположением на гиперплоскости и соответствующими m числами целых циклов,
вследствие чего отпадает необхода1мость в переборе векторов неоднозначности.
Кроме того, разбиение гиперплоскости, на однозначные области описанным Ёыше образом совпадает с разбиением при разрешении многозначности по методу максимума правдоподобия, а это обуславливает получение максимально возможной достоверности измерений.
За счет этого достигается высокое быстродействие устройства, практически не зависящее от числа шкал и их суммарной неоднозначности и обеспечивается высокая достоверность измерений.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - расположение однозначных областей, их центров, соответствующие им значения чисел циклов и параллелепипеды (изображены пунктиром) для случая масштабных коэффициентов шкал 14,9,8; на фиг.З - периоды неоднозначности шкал измерителя (обозначены черточками) и значения фазовых измерений по шкалам (обеспечены кружками 0,0,99, 0,5) с учетом неоднозначности, и значения полных фаз после разрииения многозначности (отмечены точками); на фиг.4 - значения фазовых измерений по шкалам 0,95; 0,12; 0,3; на фиг.5 - значения измерений по шкалам 0,3; 0,7; 0,7. .
Устройство состоит из m фазовых датчиков 1, т-1, т-входовых весовых сумматоров 2, т-1 блоков 3 округления до целого, т-1 блоков 4 определения остатка от округления, т-1 сумматоров 5, блоков б умножения, m блоков 7 определения числа целых циклов, m-1-входового весового сумматора 8, элемента 9 сравнения, клеммы 10 порогового кода, причем выходы m фазовых датчиков 1 соединены с соответствующими входами т-входовых весовых сумматоров 2, выход каждого из которых соединен с входом блока 4 определения остатка от округления и с входом блока 3 округления до целого, выход которого соединен с входом каждого из ш блоков 7 определения числа целых циклов через сумматор 5 и соответствующий блок 6 умножения. Кроме того первые выходы блоков 4 определения остатка от округления соединены с вторыми входами соответствующих сум торов 5,вторые выходы - с входами m-1-входового весового сумматора 8, выход которого соединен с входом элемента 9 сравнения, при этом к выходу элемента 9 сравнения подключен третьи входы сумматоров 5, а второй ее вход соединен с клеммой.
Устройство работает следующим образом: m фазовых датчиков 1 иэме- ряют значения дробных частей фаз Ч,/2 , -Чя которые в виде двоичных параллельных арифметических разрядных (2 соответствует 360®) кодов поступают на входы т-входовых весовых сумматоров 2. В каждомвесовом сумматоре 2 производится умножение значений , Ч .. на соответ0ствующие постоянные коэффициенты и суммирование, в результате чего с их выходов снимаются т-1 значений величин t-t 2 - Tm-t
t-, а, V-, + i/
5 12 32 1/ +3 2/2+---- a2 tf
t-m-i m--t M fn--f2 2 fi-lim чп Коэффициенты в весовых сумматорах 2 выбраны таким образом, чтобы
0 новые оси координат были перпендику- лярны между собой и,кроме того,перпендикулярны вектору lo(Toi.to2. где о,- - целочисленный масштабный коэффициент 1-ой шкалы. При этом
5 все координатные оси проходят через центры однозначных областей, причем т-2 из них - через центры ближайших к началу координат однозначных областей. Масштабы по осям выбраны
0 таким образом, что центры однозначных областей имеют координаты К, t, m или К+0,5; I +0,5; т+0,5, где К, С , m - целые.
С выходов весовых сумматоров 2 величины f.,, 12 tm-t виде двоич5ных арифметических параллельных кодов поступают на входы блоков 3 округления до целого и блоков 4 определения остатка от округления. В блоках 3 округления до целого производится
0 определение ближайших к ч , ч,
целых чисел г , tj t т-ч Таким образом производится опре-. деление координат центра параллелепипеда, в котором находится проекция
5 вектора измерений, фаз, а следовательно, и координат соответствую- . щей центральной однозначной области. Каждое из полученных значений-в виде параллельного арифметического
0 кода поступает на первый вход соответствующего сумматора 5.
Кроме того, коды чисел 1 i ч t ...7,с выходов т-входовых весовых сумматоров 2 поступают на входы
5 блоков 4 определения остатка от округления. В блоках 4 определения остатка от округления определяются модули величин flLi f Л г - / ч . , на которые изменяются величины
0 ti , Т2 Irn-i после округления до целого, и их знаки. Информация о последних в виде сигналов, уровней логической единицы или нуля с первых выходов блоков 4 определения
5 дстатка до округления поступает на вторые входы соответствующих сумма ров, а коды абсолютных значений ве личин ul , d i2 , . . . ГП--1 ° вторых выходов поступают на входы л1-1-вход вого весового сумматора 8, где опре деляется их взвешенная сумма; ,|dl f+P2Ml2l+.+Pm-.I ZmДалее значение величины d с выхо да п1-1 входового весового сумматора поступает в виде параллельного двоичного арифметического кода на первый вход элемента 9 сравнения, а на второй ее вход поступает пороговый код с клеммы 10 порогового кода. Если величина d меньше значения dp(jp порогового кода, то с выхода элемента 9 сравнения на третьи входы сумматоров 5 поступает нулево код, что соответствует случаю попадания проекции вектора измерений фаз центральную.однозначную область. Если же величина d больше пороговой величины «Зрор/ то на третьи входы сумматоров 5 поступает код-числа-О,5, что соответствует случаю попадания проекции вектора измерений фаз в одну из угловых однозначных областей параллелепипеда В первом случае в сумматорах 5 производится операция сложения кодо чисел, поступающих на их первые вхо-ды с нулевым кодом, во втором кодами числа 0,6, взятого со знаками, поступающими на вторые входы. ,m- т-1 m-1 ( О, при , 5 при d d пор знак Ь совпадает со знаком величины йЧ, С выходов сумматоров 5 снимаются найденные коды координат центра однозначной области, каждый из этих кодов далее поступает на входы m блоков 6 умножения, где производится умножение на постоянные коэффициенты с i J, где j l-(m-l В блоках 7 определения целых циклов происходит суммирование величин , которые поступают на их вхо ды с выходов блоков 6 умножения . 2 г-1 2г-2 - тиСн п mm-t tn-l и определение числа целых циклов 1i -Lo/i Чг тЧою где i , 2 m целые числа, выбираются из условия Коды чисеЛ целых циклов l-jtlz 1т поступают на выход блоков 7 определения числа целых циклов, причем выходы этих блоков являются выходами устройства разрешения многозкачности. Таким образом, в предлагаемом устройстве разрешения многозначности фазовых измерений производится сравнение лишь двух величин, пропорциональных квадратам расстояний: от точки проекции вектора измеренных фаз до центра центральной однозначной области и до центра угловой. ; За счет этого и достигается высокое быстродействие устройства. Кроме того, так как разбиение гиперплоскости на однозначные области совпадают с разбиением при разрешении многозначности по методу максимального правдоподобия, то для ошибок фазовых измерений, описываемых унимодальными симметричными законами распределения вероятностей, достигается максимально возможная достоверность. Устройство легко реализуется на элементах цифровой логики. В предлагаемом устройстве не производится перебор различных наборов чисел целых циклов с целью определения наиболее вероятных из них, разрешение многозначности осуществления в процессе выполнения нескольких алгебраических операций. Кроме того, форма однозначных областей (фиг.2) максимально приближается к гиперсфере, вследствие чего достигается максимальная достоверность для всех случаев унимодальных симметричных законов распределения вероятностей фазовых ошибок. Использование изобретения позволяет повысить быстродействие устройства разрешения многозначности фазовых измерений на один два порядка в зависимости от суммарной неоднозначности шкал измерителя. Причем время обработки фазовых измерений практически не увеличивается с возрастением числа шкал.
Формула изобретения
Устройство разрешения многозначности фазовых измерений, содержащее m фазовых датчиков, (т-1) блоков определения остатка от округления, (т-1)сумматоров, отличающес я тем, что, с целью повышения быстродействия наряду с обеспечением высокой достоверности, в него введены (т-1), т- входовых весовых сумматоров, т-1 блоков округления д целого, (т -т) блоков умножения m блоков определения числа целых циклов, (т-1)-входовой весовой суммато элемент сравнения, причем выходы m фазовых датчиков соединены с со- ответствующими входами ш-входовых весовых сумматоров, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока определения остатка от округления и с входом блока округления до целого, выход которого соединен с входом каждого из m блоков определения числа целых циклов через последовательно соединенные сумматор и соответствующий блок умножения, кроме того, первые выходы блоков определения остатка от округления соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров, вторые выходы - с входами (m-l)-BXOдового весового сумматора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, при этом к выходу элемента сравнения подключены третьи входы сумматоров, а к второму входу - Клемма порогового кода.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Ипатов В.П.,Титов А.В. К вопросу об однозначности и точности фазовых измерений при двухчастотном излучении,- Радиотехника и электротехника, T.XVin 1, 1973, с. 194, рис.2.
2. Кучумов В.А. Аналоговое устройство раскрытия многозначности фазовых, измерений. Труды МЭИ. Вып.270, 1970, с.119, рис.1.
,J ,
,9.7,
Ш5
.
. фиг.2
, 1.
