Способ цифрового измерения фазового сдвига и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01R25/08 

Изобретение относится к радиоиз,мерительной технике, в частности к фазовым измерениям, и может быть использовано для повышения быстродействия в цифровых фазометрах, в частности в фазометрах с постойнным измерительным временем; Известен способ измерения сдвига фаз. между двумя колебаниями при помощи цифрового фазометра с постоянным измерительным временем/ основанный на подсчете числа счетных импуль сов. Частота этих импульсов находится в целочисленном отношении с частотой измеряемых колебаний; они сгру пированы в пачки, длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу между колебаниями и обратно пропорци нальна частоте колебаний и которые проходят на ход счетчика за измерительное время, кратное частоте счетных импульсов. Однако такой способ, кроме пониженной точности измерения фазового сдвига , характеризуется большим временем измерения 1 J. Наиболее близким по технической , сущности к предлагаемому является способ измерения разности фаз, основанный на подсчете числа счетных импульсоы, сгруппированных в пачки. длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу между колебаният ми и обратно пропорциональна часто,те Fj( колебаний, за измерительный интервал, кратный периоду счетных импульсов, при одновременном равно-мерном измерении фазы счетных импульсов. По указанному способу получают значение фазового сдвига в цифровой форме С 2 . Данный способ в силу специфики цифрового метода определения cyMi iapной длительности заранее заданнЪго количества ) временных интервалов между моментами перехода исследуемых напряжений через нуль позволяет получить значение фазового сдвига только по окончании измерительно-. го интервала, что снижает и ограничивает быстродействие. Наиболее близкий к предлагаемому способ измерения фазового сдвига за постоянный измерительный интервал осуществляется цифровым фазометром, являющимся наиболее общим и близким к изобретению и содержапдам генератор квантующих импульсов, счетчик и два формирователя, выходы которых соединены с соответствующими входами элемента И, выходом соединенного с вторым элементом И, который через второй триггер соединен с делителем частоты 33. Недостаток известного устройства - достаточно большое время измерения . Цель изобретения - повышение быст родействия . Указанная цель достигается тем, что согласно способу цифрового измерения фазового сдвига, заключающемуся в том, что подсчитывают число сче ных импульсов, сгруппированных в пачки, длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу между коле баниями и обратно пропорциональна частоте колебаний, за измерительный интервал, кратный периоду счетных импульсов, при одновременном равномерном изменении фазы счетных импуль сов измеряют длительность периода Тд исследуемых колебаний и полный измерительный интервал заменяют на ряд интервалов, привязанных началами к спадам последних импульсов очередных ,пачек ( производят подсчеты чисел импульсов чисел пачек за каждый i-ый интервал, причем длительность первого интервала выбирают рав ной 10(п - целое число) от длительности полного измерительного интервала, а длительность каждого из последующих временных интервалов берется равной, умноженной на 10, разности между длительностью предыдущего интервала и произведением результата предыдущего подсчета числ пачек на длительность периода Т, при этом общим резул1-:татом измерений считают суммы М.- 1.В устройство для осуществления . способа цифрового измерения фазового сдвига, содержащее генератор счет ных импульсов с фазовращателем, первый счетчик, формирователь временных интервалов и два формирователя, выходы которых соединены с соответствующими входами триггера, выход ко торогЪ соединен с одним из входов первого элемента И, другой вход кот рого через фазовращатель соединен с выходом генератора счетных импульсо а выход подключен к первому входу второго элемента И, второй вход кот рого соединен с выходом формировате ля временных интервалов,введены вт рой счетчик и третий элемент И, ком мутатор, блок управления и преобразователь периода, в код, первый вход которого соединен с одним из формирователей, второй вход объединен с первым входом блока управления и выходом генератора счетных импульсо а третий вход - с первым выходом бл ка управления, второй вход которого соединен с выходом преобразователя, а третий вход - с выходом разрядов второго счетчика, первый вход которого соединен с вторым выходом блока управления, четвертый вход блока управления объединен с выходом первого триггера и первым входом третьего элемента И, выходом соединенного с вторым входом второго счетчика, а вторым входом подключенного к выходу формирователя временных интервалов-, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, четвертый . выход которого соединен с одним из входов коммутатора, выходами соединенного с первым счетчиком, а вторым входом соединенным с выходом второго элемента И. На чертеже представлена структурная схемаустройства для цифрового измерения фазового сдвига. Устройство содержит формирователи 1 и 2 импульсов, триггер 3, элементы И 4-6, генератор 7 счетных импульсов, фазовращатель 8, преобразователь 9 периода в код, блок 10 управления, формирователь 11 временных интервалов, второй счетчик 12, коммутатор 13 и первый счетчик 14 с индикаторами-. Формирователь 2 сое.динен с объединенными входами преобразователя 9 и триггера 3, выход которого соединен с входами элементов И 4 и б и блоком 10 управления, имеющего взаимные обратные связи как с преобразователем 9, так и с вторым счетчиком 12. Выход генератора 7 счетных импульсов соединен с одной стороны через фазовращатель 8 с вторым входом элемента И 4, ас другой - с входом преобразователя 9 и блока 10 управления, выходы которого ;соединены с кo лмyтaтopoм 13 и формирователем 11 временных интервалов, выход которого соединен с элементами И 6 и 5-. Коммутатор 13 соединен с выходом элемента И 5, а своими выходами - с первым счетчиком 14. Кроме того, выход элемента И 6 соединен с входом второго счетчика 12. Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Для определения величины фазового сдвига прежде всего производят измерение длительности периода Тх исследуейых сигналов. Поскольку квантование периода производится сигналами от генератора счетных импульсов с периодом TO(,0,1 мне, то результат измерения длительности периода. T,3W 713 МКС. Первый временной измерительный интервал формируется длительностью Tj 0, 36 io 360 NfKc. Если привязать, начало этого интервала к спаду последнего импульса предшествующей пачки импульсов, то в этот интервал TI уложится Nf,360 :71, 301247 5,049 периодов входной исследуемой последовательности. Поскольку каждая пачка представляет собой целый период, то

подсчитанное число пачек N будет равно 5.

Второй временной измерительный интервал Тц формируется как умноженная на 10 разность между предыдущим временным интервалов и произведением числа точек, измеренных за предыдущий временной интервал, На длительность периода исследуемых сигналов. Сооласно сказанному Ту,- (3, -71,3-5)10 (360-356,б ) 10 3,5-10 35 МКС..

Формирование кода этого временного интервала не займет существенного времени, так как на определение иэм можно использовать первый из числа подсчитываемых периодов.

Определение произведения . осуществимо в самом процессе подсчета числа периодов при использовании последовательного суммирования кода Т изм. каждым подсчитываемым сигналом из числа Nfl.. Таким образом, код произведения Т изм. «Мр может быть получен уже в момент завершения интервала TI,. В этот же момент.может быть получен и цод разности (T 4 -TxИЗм. N41) , если для формирования разности использовать параллельное суммирование при вводе в сумматор вычитаемого в обратном коде. И, наконец, умножение кода разности на 10 не требует дополнительного времени, ибо достаточно формировать код разности со СДВИГОМ на один десятичный разряд.Таким образом, код второго временно1 о измерительногб интервала может быть получен уже в конце первого временного измерительного интервала.

Поскольку длительность Т равна 35 МКС и в этот интервал укладЕэзвает-, ся Nn 35:71,301247 0,490875 пачек, то начало интервала совмещено со спадом последнего импульса предадущей пачки, поэтому результатом измерения числа пачек за Т дбулет нуль.

Длительность третьего временного измерительного интервала Ти..И2- Nf, .Т;( изм. )10(35-0-ТхИзм. ) мкс В этот интервал укладывается i Nf,3 350:71,301247 4,90875 .периодов исследуемых сигналов. Поскольку начало временного интервала сфазировано с пачками импульсов, .то результатом подсчета числа пачек за интервал Т будет N,4.

Длительность четвертого временног измерительного интервала Т(,{ ,,-Тхизм. ) 10 ( 350-4 71.3)(35Т}-285,2 ) 10 64,В-10 648 мкс.

В этот интервал укладывается. .N, 648:71,301247 90882 периодов исследуемых сигналов. Поскольку на- . чало временного интервала сфазирован с пачками импульсов, то результат подсчета числа пачек за интервал Тм4 будет .

На этом Процесс измерения можно .закончить.

Результат измерения формируется следующим образом.

Количество счетных импульсов

подсчитанных за равно числу импульсов в пачке , умноженному на количество пачек Nn. Аналогично подсчитывается число счетных импуль.сов NCM. , Nc4o сч за каждый из О интервалов Т Ту и Т.. Общий зультат измерений формируется как сумма . Поскольку п в приведенном примере равно 3, а общее число пачек Nf,+Nn3+Nn4 lS Ю то

5 можно считать, что среднее число импульсов в пачке в результате усреднения до 18 пачек может быть .принято равным N.,,8. Тогда NC Nn NMnl03-1+ + Npj-rV O - +

0 Мп Мип-10 г5-19,8-10 +4-19,8х i40+9-19,8 99000-ь792+178, 2 99970,2 99970 импульсов.

Устройство для реализации способа работает следукядим образом.

5 В исходном состоянии счетчики 12 и 14 обнулены, формирователь 11 аре менных интервалов подает запирающие сигналы на элементы И 5 и 6, генератор 7 счетных импульсов через рабоQ тающий фазовращатель 3 подает на элемент И 4 счетные импульсы, преобразователь 9 периода в код готов к работе .{связи, приводящие устройство в исходное состояние, не-показаны ).

е Процесс измерения начинается с . поступления на блок 10 управления сигнала запуска. Под действием этого сигнала блок 10 управления в момент поступления на его четвертый вход спада и1-отульсов с триггера 3

0 сигналами со своего третьего выхода запускает формирователь 11 временных интервалов на формирование кода Ти. Одновременно сигналом на своем - первом выходе включает преобразова-

5 тель 9 на выработку кода T и сигналом на своем четвертом выходе .переводит коммутатор 13 .в состояние, при котором сигнал с выхода элемента И 5 пбступает на вход п+1-го

0 десятичного разряда счетчика 14.

За время измерительного интервала Ти счетчик 14 подсчитывает число. :импульсов Nn, счетчик 12 подсчиты-

J вает количество пачек N п в интервале Ти , а блок 10 управления вычис, ляет код ( изм.)-10. В момент окончания Т., блок 10 управления передает код Ту, и формирователь 11временных интервалов обеспечиваёт сброс на нуль счетчика 12, воздействует на коммутатор 13, переводя егов положение, при котором счетные импульсы с выхода элемента И 5 поступают на вход п-го

5 десятичного разряда счетчика 14. В момент поступления на четвертый вход блока 10 управления спада выход ного импульса триггера 3 блок 10 управления дает команду в формирователь временных интервалов на начало выработки временного интервала Т„ . В дальнейшем устройство работает .аналогично до тех пор, пока не буду заполнены все младшие разряды счет - °- Предлагаемый способ выгодно отличается от известного тем, что весь процесс от начала измерения до момента получения результата можно осу мествить за время, существенно меньшее ,, где Т эм даительность. пол ного измерительного интервала времени . Точность при этом остается такой же, как в известном методе при измерении за время . Предлагаемый способ позволяет существенно повысить быстродействие цифрового.фазометра. Формула изобретения 1. Способ цифрового измерения фазового сдвига, заключается в том, что подсчитывают число счетных импульсов, сгруппированных в пачки, дли тельность которых пропорциональна фазовому сдвигу между колебаниями и обратно пропорциональна частоте колебаний, за измерительный интервал кратный периоду счетных импульсов, при одновременном равномерном изменении фазы счетных импульсов, о т лич ающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, измеряют длительность периода Т исг следуемых колебаний и полный измерительный интервал заменяют на ряд интервалов, привязанных началами к спа дам последних импульсов очередных пачек, и производят подсчеты чисел импульсов И чисвл за каж дый i-ый интервал, причем длительнос первого интервала выбирают равной 10 (п - целое число) от длительно ти полного измерительного интервала а длительность каждого из последующих временных интервалов берется равной, умноженной на 10, разности между длительностью предыдущего интервала и произведением результата предьщущего подсчета числа Пачек на длительность периода Ту , при этом общим результатом измерений считают сумму Nc4r .„ 2. Устройство для осуществления способа по П.1, содержащее генератор счетных импульссгв с фазовращателем, первый счетчик, формирователь временных интервалов и два формирователя, выходы которых соединены с соответствующими входами триггера, выход ко-, торого соединен с одним из входов первого элемента И, другой вход которого соединен через фазовращатель с генератором счетных импульсов, а выход подключен к nejJBOMy входу второго элемента И, второй вход которого соегдйнен с Ьыходом формирователя времен ных интервалов, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены второй счетчик и третий элемент И, коммутатор, блок управления и преобразователь периода в код, первый вход которого соединен с одним из формирователей, второй вход объединен с первым входом блока управления и выходом генератора счетных импульсов, а третий вход - с первым выходом блока управления, второй вход которого соединен с выходом преобразователя, а третий вход - с выходом разрядов второго счетчика, первый вход которого соединен с вторым выходом блока управления, четвертый вход блока управления объединен с выходом первого триггера и первым входом третьего элемента И, выходом соединенного с вторым входом второго счетчика, а вторым входом подключенного к выходу формирователя временных интервалов, вход которого соединен с третьим выходо блока управления, четвертый выход которого соединен с одним из входов коммутатора, выходами соединенного с первым счетчиком, а вторым входом соединенным с выходом второго элемента И. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №231664, кл. G 01 R 25/04, 1968. 2.Авторское свидетельство СССР № 409151, кл. G 01 R 25/04, 1971. 3.Смирнов П.Т. Цифровые фазомеры. л., Энергия, 1974, с. 33, рис. 13.