Цифровой фазометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 521 РЕСПУБЛИ и) 01 В 25/00 Г 5 САЙИЕ ИЗОБРЕТЕ К А вательский,В,Чи 78.ССС81. роиства с ами пока- виихсвячительнодвига фаз л/шум. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельствоМ 610029, кл. 6 01 В 25/00, 1Авторское свидетельство1 Ф 879495, кл, 6 01 й 25/00, 1 Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радиолокации и радионавигации для измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами при наличии узкополосной аддитивной помехи,Цель изобретения - повышение точности определения сдвига фаз.Сущность изобретения заключается в разделении измерений эа интервал накопления на измерения. приводящие к ошибке из-за разрыва фазы в точке 0 - 360, и не приводящие к такой ошибке. и в последующей компенсации ошибки. вносимой первой группой измерений,Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием блоков выбора поправки и вычисления поправок, а также их связей. Сравнение заявляемого уст другими аналогичными устройст зывает, что введение новых блоко зей дает воэможность эна повысить точность определения при небольших отношениях сигн(57) Использование: радиоиэмерительная техника, измерение сдвига фаэ между двумя синусоидальными сигналами. Сущность изобретения; устройство содержит две входные шины, два усилителя-ограничителя, АЦП фаза-код, накопительный сумматор, сумматор, выходную шину, мультиплексор, блоки выбора поправки, блоки вычисления поправок, блок обнуления, выход синхронизации, 2 з,п, ф-лы, 1 ил,На чертеже представлена структурнаэлектрическая схема устройства. Цифровой фазометр содержит первую 1 и вторую 2 входные шины, соединенные соответственно со входами первого и второго усилителей-ограничителей 3 и 4, выходы которых соединены со входами АЦП фаза-код 5, выходы которого соединены со входами накопительного сумматора 6. сумматор 7, выходную шину 8, мультиплексор 9, а также блоки выбора поправки 10 и вычисления поправок 11, входы которых соединены с выходом АЦП фаза-код 5, с шиной ТАКТ, с тактовым входом АЦП фаза-код 5, с тактовым входом накопительного сумматора 6 и с тактовым входом блока обнуления 12, выход которого соединен с собственным входом обнуления, с выходом синхронизации 13 и со входами обнуления накопительного сумматора 6, блока выбора поправки 10 и блока вычисления поправок 11, выходы последних двух соединены соответственно с управляющими и информационными входами мультиплексора 9, выходы которого соединены со второй группой входов сумматора 7, первая группа входов которогосоединена с выходами накопительного сумматора 6, а выходы - с выходной шиной 8.Кроме того, в цифровом фазометре блок выбора поправки 10 выполнен в виде набора дешифрэторов и счетчиков, причем входы всех дешифраторов соединены с выходом АЦП фаза-код 5, а выходы - с входами разрешения сцета соответствующих счетчиков, счетные входы которых соединены с шиной ТАКТ, а выходы - с соответствующими входами управления мультиплексора 9,Кроме того, в цифровом фазометре блок вычисления поправок 11 выполнен в виде набора дешифраторов и счетчиков, выходы последних из которых соединены с информационными входами мультиплексора 9, счетные входы - с шиной ТАКТ, а входы разрешения счета - с выходами соответствующих дешифраторов, входы которых соединены с выходами АЦП фаза-код 5.Цифровой фазометр работает следующим образом.Входные сигналы со входов 1 и 2 поступают через усилители-ограничители 3 и 4 на вход АЦП фаза-код 5, на.выходе которого формируется код. пропорциональный сдвигу фаз Й между входными сигналами. В накопительном сумматоре 6 производится суммирование отдельных измерений Й на интервале времени, равном 2 периодам тактовых импульсов, Тактовые импульсы формируются в усилителе-ограничителе 3 или 4, в зависимости от того, куда поступает опорный сигнал, и с выхода АЦП фаза-код 5 поступают на шину ТАКТ, Таким образом вь 1 числяется сумма 2" отдельных измерений Й. За интервал времени, равный периоду накопления накопительного сумматора 6, в блоке выбора поправки 10 определяется такое значение сдвига фаз О.пор., которое не принадлежит области ЛО, охватывающей все возможные измерения Й, отличающиеся друг от друга на величину, не превышающую лаксимально допустимого разброса Ьр (Ьр с 360 ). Интервал накопления определяет блок обнуления 13; который может быть выполнен в аиде счетчика (например, 530 ИЕ 17), выход старшего разряда которого формирует сигнал обнуления как самого счетчика, так и других блоков схемы. Блок выбора поправки 10 можно выполнить в виде набора дешифраторов и счетчиков.Спектр всех возможных значений Й разбивается с помощью дешифраторов на несколько секторов. Счетчики определяют число измерений Й, входящих в выбранные сектора; зэ интервал накопления за счет того, что логический уровень на выходе дешифратора, разрешающий считывание тактовых импульсов. появляется только при попадании отдельного измерения Й в сектор,определяемый данным дешифратором. Характер распределения отдельных измерений Й по секторам, как будет показанониже, дает возможность разделить все отдельные измерения за период накопленияна измерения, приводящие к ошибке, связанной с наличием точки разрыва фазы 0 -360 О, и измерения, не приводящие к подобной ошибке,Тактовые импульсы, синхронизирующие работу накопительного сумматора 6,блока выбора поправки 10, блока вычисления поправок 11 и блока обнуления 12, передаются из АЦП фаза-код 5, которыйтранслирует их из усилителя-ограничителя.принимающего опорный сигнал. Блок обну 20 пения 12 определяет интервал накопления,равный 2 тактовых импульсов, посредствомформирования сигнала обнуления.При этом предлагается следующая схема разбиения нэ сектора, Ширина каждого25 сектора должна составлять 180. Тогда лишьпо одному выходу счетчика, определяющегоколичество измерений О.попавших в вы)бранный сектор, можно оценить: больше половины измерений Й попало в этот сектор,30 или меньше половины. Так единичный уро вень на 2 выходном разряде счетчика свидетельствует о том, что число измерений Й,попавших в выбранный сектор, превышаетвеличину 2/2, то есть превышает половинуизмерений Й за интервал накопления. Нулевой уровень на 2" 1 выходном разряде счетчика свидетельствует об обратном,Теперь рассмотрим, каое количество икакое взаимноерасположение секторов не 40 обходимо для однозначного определенияЙс.пор. при условии минимальнь 1 х аппарэ-.турных затрат. Эти вопросы связаны с максимально допустимым разбросом Ьрзначений Й из-за воздействия шумов. В ка 45 честве примера приведем следующую таблицу (табл, 1)где Л 9- максимальная зона разброса измерений Й относительно истинного значения сдвига фазы Оп,Л- зона, не охватываемая зоной ЬЙК - целое число зон Ь укладывающихся в диапазоне 360;бк.пор.- точки раздела областей значений Й на область 1(область значений Й ото0 до Ок.пор., приводящих к ошибке из-за наличия точки разрыва фазы О - 360 и область 11 (область значений Й от Ок.пор, до36 ОО. не приводящих к ошибке).Число К определяет минимальное количество значений дк.пор а 1 Л 1- максимальное расстояние между соседними Ок.пор.При выполнении этих условий для любого истинного значения сдвига фаз Й 1 всегданайдется такое Ок,пор, которое не будет охвачено разбросом ЛО, что и необходимодля разделения всех значений Й на области1 и 11.Для однозначного определения Л д(а,значит, и Ок.пор.) предлагается разбиениевсего диапазона значений Й на К/2 секторов шириной 180 и сдвинутых друг относительно друга на величинуЫ, причемпервый сектор предлагается сместить нэ1 Й/2 относительно 0 .против часовойстрелки. Такое смещение первого сектора, .обусловлено выбором первого значения. Ок.пор равным Оо, при котором к значению,вычисленному накопительным сумматором6, не потребуется добавления корректирующей поправки, Это позволяет уменьшитьчисло узлов, определяющих величины поправок, с К штук до Кв блоке вычисленияпоправок 11, Для наглядности проведенных рассуждений приведем таблицу дляЬр = 7 л/4 (табл, 2). Такое значение Ьртребует наличия 4 секторов (К/2 = 4, табл. 1),которые обозначим следующим образом:С 16 д/8, 3 л/8), С 2 : Зл/8, 5 л/8),СЗЯ 5 ж/8, 7 л/8), С 467 л/8, 9 л/8),В табл. 2 йули и единицы в строках П, С 2,СЗ и С 4 свидетельствуют. больше (единица). или меньше (нуль) половины измерений Йпопало в данный сектор. Табл. 2 нагляднодемонстрирует однозначнооть соответст вия кода на выходах четырех счетчиков, определяющих количество измерений Й,попавших в соответствующие четыре сектора С 1, С 2, СЗ и С 4, одному значению Ок.пор.Это значение Ок.пор. и определяет границураздвла Областей значений Й на области 1м 11,Для компенсации ошибки, вносимой измервниямй Й, попавшими в область 1 О,Й.пор,), необходимо к каждому из этих зна. чени 9 О 1.добавить 360. Эта операция эквимаентиа переносу точки разрыва фазы 0 -ЗВАЛ в точку Й.пр, а так как 6.пор не принадлежит области Ьд, то в результате такого преобразования удается избавиться отошибок, связанных с наличием разрыва фазы.В предлагаемом устройстве компенсация ошибки накопительного сумматора 6осущЕствляется путем добавления к его результфту величины пк 360 О, где пк - числоотдельных измерений Й, попавших в область 10, Ок,пор.), Так как дк.пор, может принимать несколько значений, в зависимостиот величины Ьр (табл. 1), то, следовательно,необходимо и несколько счетчиков для определения пк, Так, при Ьр = 7 л/8, дк.пор, мо 5 жет принимать 8 значений(табл, 1), которыеопределяют семь областей 1: О, д/4), О,Рг/2), О,З к/4), О, л), 0,5 к/4), 0,3 л/2), 0,7л/4). Следовательно, необходимо 7 счетчиков, каждый из которых будет определять10 число пк измерений Й, попавших в своюобласть. В зависимости от Опор, добавляется одна из семи поправок,Блок выбора поправки 10 позволяет определить дк.пор что, в свою очередь, одно 15 значно определяет, какую из поправокчерез мультиплексор 9 подать на вторыевходы сумматора 7, Величина всех возможных поправок определяется в блоке вычисления поправок 11, который предлагается20 выполнить в виде набора дешифраторов навсе возможные области О, дк,пор.) и такогоже количества счетчиков для определенияпкРезультат с выхода накопительногосумматора 6 поступает на первые входысумматора 7, Код же числа пк подается навторые входы, причем таким образом, чтобымладший разряд числа пк соответствовалразряду с ценой 360. То есть на выходеЗО,сумматора 7 получается результат2 -ГОХ =, Й+пк 360 О=оОткинув от него г младших разрядов, пол 35 учим искомую среднюю оценку сдвига фазд=д /2",Предложенная структура построенияцифрового фазометра позволяет значительно повысить точность определения дпринебольших отношениях сигнал/шум за счетдобавления поправок, компенсирующихошибку усреднения, возникающую вследствие наличия точки разрыва фазы О - 360.Для определения предполагаемого эко 45 номического эффекта от внедрения предложенного фазометра сравним его с базовымустройством ШПИР. 461314.001, в которомреализован прототип. Рассмотрим случай,когда выход АЦП фаза-код четырехразряд 50 ный, число выборок за интервал накопленияне превышает 16, а дисперсия случайнойвеличины Й составляет Щ = гг/6, В этомслучае для реализации устройства по структурной схеме прототипа потребуется 24микросхемы. При этом максимальная ошибка о определения сдвига фаз дсоставит:1 д 1 =ад/16+Ьр 1 Р 1 =180/1812521 Таблица 1 В предлагаемом варианте для реализации устройства с допустимым разбросом Ьр = 2 и/3 потребуется 16 микросхем, Причем максимальная ошибка д составит;1 д 2=од/16+62 Р 2==180/616+18010=3 град, где Р 1 и Р 2 - вероятности отклонений измеренных значений Й от истинного значения сдвига фаз на величину превышающую ЬР 1 и Ьр 2 соответственно, при заданной дисперсии о =.л/6. Величины Р 1 и Р 2 определены по таблице приложения 1.Из сборника "Обмен опытом в радиопромышленности" известно соотношение:Т 2/Т 1 Б 2 Л ЙК 4 с 2/С 1 (1) где К - коэффициент, устанавливающий нижний порог эффективности, который можно принять равным единице;Сг, Тг, Б 2 и С 1, Т 1, Б 1 - стоимости, точности и быстродействия базового и предлагаемого устройств соответственноСогласно формуле (1) определим эквивалентную стоимость С 2 базового образца при достижении им параметров предлагаемого устройства;С 2" = (Т 2/Т 1 Б 2 С 1/Б 1 == (5(3) 1 24 = 67 рЗдесь отношение Б 2/Б 1 принято равным 1. так как по быстродействию предлагаемое . устройство не уступает базовому, а С 1 определено как С 1 = 18 Сср, где Сср - средняя стоимость микросхем (принята Сср = 1,5 р).Экономический эффект теперь можно определить по формуле:Э = С 2" - С 1 = 67 - 27 = 40 р/шт Формула изобретения 1, Цифровой фазометр, содержащий первую и вторую входные шины, соединен. ные соответственно с входами первого и второго усилителей-ограничителей. выходы которых соединены с входами аналого-цифрового преобразователя (АЦП) фаза-код, выходы которого соединены с входами накопительного сумматора, сумматор, выходнуюшину, мультиплексор, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности, в5 него введены блоки выбора поправки и вычисления поправок, входы которых соединены с выходом АЦП фаза-код, с шиной "Такт",с тактовым входом АЦП фаза-код. с тактовым входом накопительного сумматора и с10 тактовым входом блока обнуления, выходкоторого соединен с собственным входомобнуления, выход которого соединен с собственным входом обнуления, с выходомсинхронизации и с входами обнуления нако 15 пительного сумматора, блока выбора поправки и блока вычисления поправок,выходы последних двух соединены соответственно с управляющими и информационными входами мультиплексора, выходы20 которого соединены с второй группой входов сумматора, первая группа входов которого соединена с выходами накопительногосумматора, а выходы - с выходной шиной.2. Фэзометр по и, 1, о т л и ч а ю щ и й 25 с я тем, что блок выбора поправки выполненв виде набора дешифраторов и счетчиков,причем входы всех дешифраторов соединены с выходом АЦА фаза-код, а выходы - свходами разрешения счета соответствую 30 щих счетчиков, счетные входы которых соединены с шиной "Такт", а выходы - ссоответствующими входами управлениямультиплексора,.3. Фазометр по и, 1, о т л и ч а ю щ и й 35 с я тем, что блок вычисления поправок выполнен в виде набора дешифраторов и счетчиков, выходы последних из которыхсоединены с информационными входамимультиплексора, счетные входы - с шиной40 "Такт", а входы разрешения счета - с выходами соответствующих дешифраторов, входы которых соединены с выходами АЦПфаза-код,10 1812521 Таблица 2 Составитель А. СтаростинаТехред М,Моргентал Корректор С, Юско Реда Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 Заказ 1574 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5